论文题目: 轴对称旋转流气固分离理论与技术
论文类型: 博士论文
论文专业: 环境工程
作者: 赵兵涛
导师: 沈恒根
关键词: 分离效率,旋风器,数值模拟,阻力,相似准则,轴对称旋转流
文献来源: 东华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 旋转流气固分离器(旋风器)作为重要的多用途气固两相分离设备,已广泛应用于气固分离、物料回收、颗粒分级和污染控制等领域,并已显示了独特的不可替代的作用。针对高温高压分离技术的要求、流态化技术的发展、能源有效利用矛盾的突出以及环境保护问题(微型化分离技术)的需要等问题,本文提出一种新型具有轴对称蜗向进口通道的旋风器,并通过试验研究、理论解析和数值计算方法对其分离机理和过程等性能特性进行较为深入系统的研究。 首先,在总结与回顾不同旋风器进口结构型式研究现状的基础上,本文提出了新型具有轴对称蜗向进口型式的Stairmand HE型旋风器。采用质量分析法和压差法等试验研究的方法测定了包括直接式和渐缩通道式新型进口结构在内的四种旋风器的分离特性和阻力特性,分析对比了不同进口结构型式、不同流量条件下旋风器性能的变化规律。在此基础上应用灰色综合评价模型评价了各旋风器的性能,指出轴对称蜗向进口通道结构型式的旋风器具有较优的性能。 其次,为对旋风器的性能评估和设计方法提供理论依据,本文采用理论解析的方法对具有轴对称蜗向进口通道旋风器的分离特性和阻力特性进行了研究,提出其理论计算模型并与试验值进行了比较。其中,在柱坐标系下详细分析了气固两相流场中固相颗粒的受力情况,突破了基于旋风器内径向截面上固相颗粒浓度分布均一的假设并认为径向浓度梯度对于分离效率的影响不可忽视,同时发展了空间定点分离的概念与理论,首次提出采用临界粒径分离理论、边界层分离理论和固相颗粒粒径分布规律相结合的新型理论与方法来推导旋风器的分离理论模型并将模型的计算结果与试验结果进行比较和分析,结果表明理论与试验结果符合较好;同时结合旋风器内部流场特性,详细分析旋风器内部阻力的产生机理与构成因素,将旋风起内部的阻力构成分为进口阻力、摩擦阻力、涡流阻力和出口阻力,首次从新的角度给出新型旋风器阻力的分步计算模型,并将计算结果与不同结构的旋风器阻力的试验结果进行比较,结果表明理论值与试验值取得较好一致。从而进一步验证了分离模型和阻力模型的准确性与有效性。 再次,为深入详细的探讨新型进口结构旋风器内部气固两相的分离机理,本文应用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术对新型旋风器内部的气固两相流动规律进行数值模拟。在建立新型旋风器的物理模型并对其进行网格划分的基础上,应用Euler-Lagrange气固两相流理论,以雷诺应力模型(Reynolds Stress Model,RSM)模拟气相、颗粒追踪技术(Particle Tracking Method,PTM)模拟颗粒相,同时采用有限体积法和SIMPLE压力速度耦合算法分析讨论了新型旋风器内部的气相流场的压力分布、三维速度分布和固相颗粒轨迹,并在此基础上提出旋风器分离效率和阻力的数值计算方法。数值模拟结果与试验结果取得较好的一致,同时表明CFD作为一种更为基础的理论和方法,可更为有效的模拟旋风器内部的气固两相三维强旋湍流流动。
论文目录:
摘要
目录
图表目录
主要符号表
第1章 绪论
1．1 引言
1．2 研究背景与意义
1．3 旋风器进口结构型式的发展现状
1．4 旋风器进口结构优化的可行性
1．4．1 结构优化的必要性
1．4．2 结构优化的主要途径
1．4．3 进口结构优化的可行性
1．4．4 具有轴对称蜗向进口通道旋风器研究的意义
1．5 本文研究的目的、方法和内容
1．6 小结
第2章 具有不同进口结构型式旋风器性能的试验研究
2．1 引言
2．2 旋风器性能试验的研究现状
2．3 试验装置
2．3．1 试验测试系统
2．3．2 试验分析系统
2．4 试验方法与原理
2．4．1 阻力特性试验方法与原理
2．4．2 效率特性试验方法与原理
2．5 结果与讨论
2．5．1 阻力特性结果与讨论
2．5．2 效率特性结果与讨论
2．6 旋风器性能的综合评价
2．6．1 常用评价方法
2．6．2 灰色关联评价法
2．6．3 结果与讨论
2．4 小结
第3章 具有轴对称蜗向进口通道旋风器性能的理论研究
3．1 引言
3．2 旋风器分离模型
3．2．1 旋风器分离模型的研究现状
3．2．2 常规旋风器分离模型
3．2．3 具有轴对称蜗向进口通道旋风器分离模型
3．2．4 模型求解方法
3．2．5 结果与讨论
3．3 旋风器阻力模型
3．3．1 旋风器阻力模型的研究现状
3．3．2 常规旋风器阻力模型
3．3．3 具有轴对称蜗向进口通道旋风器阻力模型
3．3．4 模型求解方法
3．3．5 结果与讨论
3．4 小结
第4章 具有轴对称蜗向进口通道旋风器内气固流动的数值模拟
4．1 引言
4．2 数值模拟的研究方法
4．3 物理模型的建立与网格划分
4．4 湍流两相流模型
4．4．1 气相湍流模型
4．4．2 固相颗粒模型
4．4．3 模型的评价与选择
4．5 边界条件与初始条件
4．5．1 进口条件
4．5．2 出口条件
4．5．3 颗粒出口条件
4．5．4 壁面条件
4．5．5 固相颗粒条件
4．6 基本算法
4．6．1 控制方程的离散
4．6．2 动量方程的离散
4．6．3 连续方程的离散
4．6．4 压力速度祸合
4．7 结果与讨论
4．7．1 气相流场
4．7．2 固相颗粒轨迹
4．7．3 阻力与分离效率
4．8 小结
第5章 具有轴对称蜗向进口通道旋风器的相似模化
5．1 引言
5．2 模化方法
5．2．1 模化的基本依据
5．2．2 典型的模化方法
5．3 相似准则
5．3．1 基本参量与物理方程
5．3．2 相似准则推导
5．3．3 单值条件
5．4 模化计算
5．5 分析与讨论
5．6 小结
第6章 具有轴对称蜗向进口通追旋风器的设计与应用
6．1 引言
6．2 设计与应用
6．2．1 设计说明
6．2．2 设计计算
6．2．3 主要性能指标
6．2．4 分离系统总图
6．3 小结
第7章 结论
7．1 结论
7．2 展望
致谢
参考文献
附录
附录A 进口流量系数的测定
附录B 经典旋风器性能计算模型
B．1 分离模型
B．2 阻力模型
攻读博士学位期间的主要研究成果
1 研究论文
2 参加项目
3 所获奖励
发布时间: 2005-07-08
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