基于边界层理论的气粒旋转多相流中尘粒运动特性和分离效率研究.pdfVIP

中冒工程热物理学会 编号：997018 流体机械学术会议 基于边界层理论的气粒旋转多相流中 尘粒运动特性及分离效率研究 张力冉景煜金泽华辛明道 (重庆大学热能工程学院，重庆，400044) 摘要基于边界层理论，应用拉格郎日法确定了气粒两相旋流内尘粒在边界层中三维 运动方程。对其运动特性研究表明：在旋流边界层中，离心力与Saffman升力在尘粒分 离过程中承担重要作用i径舟速度梯度最大，轴向次之，切向最小；同时从机理上分析并 确定了在气粒两相旋流边界层中尘粒分离效率的关系式，并与实验结果进行了比较，且 吻合较好。本文的结果为研究气粒两相旋流中尘粒分离效率提供了基础。 关键词边界屡；气粒两相旋流；尘粒运动特性i分离效率 中国图书资料分类法分类号TK282．5 1引言 气粒两相旋流已被普遍应用于动力、环境及化学工程领域中，从理论上弄清尘粒在 旋流中的运动规律与分离特性，寻求结构优化的旋转分离设备与并达到最佳尘粒分离效 果，仍是目前急待解决的问题。 当气粒两相旋流进入分离器以后，尘粒在离心力的作用下向壁面运动，尘粒分离度 取决于两个时问尺度：尘粒径向运动时间和其在分离器内驻留时间。驻留时间通常由分 离器高度和平均轴向流速确定，径向运动时间按照分离器入口宽度的一半与平均流速来 确定。但是， 从更为精确的角度来说，径向运动时 间应按照尘粒到达壁面区域(即边界层)的时间来衡 尘气流 量．而不是壁面，可是，已有的研究文献¨J都采用 后一种确定方式。另一方面，在边界层里，流体速度 变化很快，尘粒的运动情况不能按照其在非边界层区 域的条件来确定，它还与运动过程、时间、分离器结 构、运行参数和尘粒粒径等有关。虽然W,S．Kim等㈣ 在考虑边界层特性的基础上确定了一个尘粒分离的效 率表达式，但它的数学模型的获取是在没有考虑 Saffman、Magus和Basset力(实际上这些力特别是 囤I旋转升离器rz砸．r-·碡示意圉 离心力、Saffman力在尘粒分离过程中承担重要角 色)，而不能较好地描述尘粒在边界层中的运动特性及分离效率。本文正是以旋转分离 V一8 器为例．从气粒两相旋流尘粒运动方程出发，分析尘粒在旋流边界层中运动特性及其分 离效率之闻的关系，以寻求提高气粒两相旋流中其分离效率的方法。 2气粒两相旋流中尘粒运动微分方程 研究对象和坐标系如图1所示。 尘粒在气粒两相旋流边界层中运动时存在如下受力：重力、浮力、离心力、粘性阻 顿第二定律．采用Lagrangian方法，并应用下述处理方法： 11而p=mP／rnf=pp{pf r对上述颗粒运动方程中各参数进行无 2)同时应用如用壁面摩擦速度蚱=正了万、u 因次化，有r=玉芳，¨+；苦，r+=，毒，彤=d。等，Ⅳ+=日芳，r-4，g+=g乎； 影响系数，其表达式为： 在颗粒距壁面R-r主流方向上：o=【l一妻皂+古(軎)3一撩(岳)4一击(鲁)5一 在颗粒距壁面R-r法向流方向上：o=1+素(惫)+芯(軎)2 近视为6、1．615、0．5，导数d()／dfe所)／Df；而由N—S方程有 一古嫠=K。g，_一u，△％一‘，‘为流体在流场中所受质量力。 5)将旋转分离器内复杂的三维运动分解为r．z面和r—e面的运动合成，同时，对其进行 简化和整理。 则在旋流边界层中，可得颗粒运动的无因次化方程(RF(V。-V，，)d／u，≤1)为： 警=南卜掣(1+o．15Re芸7)(％一％)+瓦g++器+{磐+ 轴向(z)： (1) 者再￡【(磐一譬)，√_了m+} 周向(0)挚=南卜鬻(1+0．15Rep0．697)(％一％)+{磐