旋流分离器流动机理及流动影响因素简介

【摘要】旋流分离器是一种利用相间的密度差产生不同的离心力，进而完成气-液、液-液、气-固等分离的设备，具有结构紧凑、分离效率高、环境适应性强等优点，在石油、化工、矿山、煤炭等行业应用广泛。旋流分离器的流动机理研究在整个旋流分离器的研究过程中占据重要地位，其内部流场属于三维强旋湍流，流动复杂，对分离器流场进行充分的研究是指导分离器设计、提高分离性能的前提。本文将对旋流分离器的流场结构进行详细介绍，并就国内外学者关于分离器结构变化对流场分布的影响关系进行总结概括。这对加深对旋流分离器的认识，指导其优化设计具有重要的辅助作用。

【关键词】旋流分离器 准自由涡 准强制涡 滞流

1 切向速度分布

旋流分离器当中切向速度是产生离心力、促进分离的主要动力，Hoekstra等人通过LDV测量手段分析指出，筒锥型分离器内部切向速度场分布呈现为外部的准自由涡与中心的准强制涡，减少排气管直径可以增大截面最大切向速度；旋流器的速度场是以最大切向速度分界，由外部的准自由涡与内部的准强制涡组成；分析同一工况下分离器不同截面的切向速度分布，发现切向速度的分布规律基本不随截面位置的改变而改变，最大切向速度值也基本不发生衰减，最大切向速度点在整个分离器空间包络成一圆柱面，即各轴向截面上的最大切向速度值出现在同一半径位置。

通过五孔球探针对直筒型旋风分离器的三维流场进行测定，指出切向速度沿径向的分布可以分为近壁面区域的准自由涡和近分离器轴心的准强制涡。切向速度会在分离器的轴向方向上产生明显衰减，且内、外旋流分界点，即零轴速点所在位置半经沿轴向略有变大。

轴向速度依据其在分离器中的流动方向分为外侧的下行流和内侧的上行流。上、下行流分界点即轴向速度为零的点在整个分离空间组成零轴速包络面，呈现柱状分布。

对分离器进行不同入口气速条件下的流场测试指出，切向速度随入口气速增加而增加，但最大切向速度点位置不变。旋风分离器芯管下口直径对切向速度的影响表明，切向速度随下口直径的减小而增加，而最大切向速度位置直径随下口直径的减小而减小。当入口气速不变时，切向速度随入口面积的增大而增大，但同样，最大切向速度点的位置也不发生变化。

通过激光多普勒测速系统（LDV）对直筒型旋风分离器的切向、轴向速度场进行测试，发现其内部的旋转流呈现明显的衰减特性，同时截面最大切向速度逐渐向壁面移动。最大切向速度在衰减过程中逐渐向壁面移动，即外部的准自由涡区逐渐缩小，内部的刚性涡区逐渐扩大直至扩展为整个直筒体壁面，形成完全的强制涡。这个强制涡轴向向下也存在一定的衰减，气流的旋转速度逐渐缓慢降低，旋转运动会一直持续，直到旋风分离器的末端。

通过五孔球探针与热线风速仪对涡壳式入口筒锥形旋风分离器的流场进行测定：在排气管以下的分离空间内，切向速度的轴对称性比较好，表现出强旋流的特点，在分离器径向某一位置以最大切向速度点为界，分为外侧的准强制涡和内侧的准自由涡。旋转涡核边界呈一圆柱面，最大切向速度沿轴向向下略有衰减。器壁附近的切向速度一般为入口气速的1.1～1.2倍，视结构参数不同而异。轴向速度沿径向又可分为下行流和上行流，上下行流分界点处的轴向速度为零。该分界面在筒体部分呈一圆柱面，在锥体部分则为一锥角小于锥体顶角的圆锥面。外侧下行流区内，沿径向向内轴向速度逐渐减小。内侧上行流区内，沿径向向内轴向速度逐渐增大，达最大值后又逐渐减小。分离器中心处的轴向速度在多数情况下向上但在少数截面上会出现倒流现象。

2 轴向速度分布

多数研究报道，轴向速度可分为外侧的下行流和内侧的上行流，分离器外部轴向速度较小、中心最大，呈倒V形分布；上、下行流分界点即轴向速度为零的点的位置沿轴向不变，轴向速度沿轴向方向存在明显的衰减，越向下轴向速度值越小。随着排气管直径比的增大，最大轴向速度减小，零轴速点外移；入口面积减小，零轴速点位置不变，只是最大轴向速度值与器壁处轴向速度均变小。

利用激光多普勒测速仪对旋风分离器内时均速度场进行测试，结果表明内旋流中轴向速度在近轴区可能出现滞流现象，即中心轴向速度低于区的轴向速度，径向分布呈M形。轴心附近轴向速度呈减小趋势，甚至出现轴向速度小于零，即逆向回流现象。

目前虽有不少研究发现了旋风分离器内轴向速度会出现滞流现象，但对于分离器内轴向速度会出现滞流的时机及其形成机理的研究却很匮乏，前仅见到Horvath等对三种结构的旋风分离器内轴向速度进行的数值模拟研究。其考察了不同排气管直径下分离器轴向速度的分布，发现滞流仅存在于较大排气管情况下，排气管直径小，滞流消失；分离器结构不同，出现滞流现象的排气管临界直径也不同；分离器操作方式如正压、负压等，都会对轴向速度分布形态产生重要影响。但轴向速度滞流区在分离器空间的分布及发展变化情况鲜有报道，形成滞流的原因更未揭示清楚。

通过数值模拟的手段研究了排气管直径的大小对排气管以及分离空间内轴向速度分布的影响规律，指出改变排气管直径可使旋风分离器内轴向速度径向分布出现倒V形和M形两种不同的形态。排气管直径由小到大，轴向速度径向分布逐渐由倒V形转变为M形，轴向速度滞流最先产生于排气管内并不断向分离器下部空间扩展，排气管直径大到一定程度，轴向速度滞流甚至扩展至整个分离器空间。滞流区的径向范围亦随排气管直径的增大而增大；同时分离器中心轴向速度不断减小，滞流程度增加，甚至出现倒流。通过理论分析得出了分离空间内轴向速度发生滞留的条件，指出轴向速度的分布形态与压力的轴向梯度相关，增加排气管直径可以有效减小排气管内能耗在总能耗中所占比例，使中心线上压力的轴向梯度为正，从而在分离空间内形成轴向速度的滞流。改变排气管结构同样能改变排气管内能耗所占比例，影响轴向速度滞流。

3 径向速度分布

旋风分离器中径向速度分布的大小相比切向速度与轴向速度，要小一个数量级，在实验过程中很难进行准确测量，基本上运动方向由器壁指向中心，在排气管及底部出口径向速度较大，底部较大是基于底部缩口的节流效应，而排气管附近径向速度较大则是基于流体流动短路流的产生，短路流的存在降低了分离器的分离效率，这是设计分离器过程中要极力避免的。

参考文献

[1] 魏耀东，张静，宋健斐，王甜. 旋风分离器自然旋风长的试验研究[J]. 热能动力工程. 2010，25（2）： 206-210