提高旋风除尘器对微细沙尘除尘效率研究

姚宇涵 降华

摘要：以TX-18铁路道床吸污装置中的除尘系统的旋风子作为模型，选用Ansys中CFD模块模拟了旋风除尘器在吸污过程中对粒径在5～200μm范围内的沙尘的除尘效率。通过轴向速度云图、径向速度云图，研究了排气管插入深度对除尘效率的影响。利用粒子追踪对沙尘颗粒在旋风除尘器进行分析，探讨了不同粒径的沙尘的运动轨迹。结果表明，当排气管道插入深度与与吸入口高度之比为0.8时，具有更好的除尘效率，其能够满足对粒径为大于40μm的沙尘在进行气固分离。

关键词：旋风子;两相流;流体力学;CFD

中图分类号：TS210文献标识码：A文章编号：2096-6903（2021）12-0043-03

0引言

在铁路线路，当重载列车运行至坡道较大路段时，需要在机车车轮处洒沙，以增大车轮与钢轨表面摩擦力，机车洒下的沙子无法自动回收，将散落在铁路道床的表面及周围，若长时间得不到清理，将会掩埋钢轨、堵塞排水沟、破坏道床，危及列车的行车安全。

目前，由中国铁建高新装备股份有限公司研制的TX-18铁路道床吸污装置利用负压吸入方式对散落的细沙进行收集，在除尘系统中进行气固分离，除尘系统的旋风除尘器对细小颗粒的分离起着十分重要的作用。然而，经过碾压的细沙粒径较小（通常为70～200μm），难以有效的实现气固分离[1，2]。

切向入口旋风子由于其结构容易加工，造价成本低，因此作为重要的工业除尘器[3]。通常大颗粒沙尘由于自身体积的原因能够在离心力的影响下被抛向器壁，并在自身重力和向下气流的作用下沿筒壁沉降至排尘口，收集于设备底部的储存区。然而，小颗粒沙尘由于自身重力的因素不能脱离旋转气流而随其一起由于筒壁倾斜而收缩向中心流动，然后形成二次涡流（内漩涡）向上运动，经由排气管直接排出，从而降低对小颗粒沙尘的除尘效率[4，5]。

本文調节排气管插入深度来提高除尘效率的方法。通过对原旋风子的流场进行仿真分析，确定外漩涡与内漩涡的边界、微细沙尘的运动轨迹，从而确定最佳排气管插入深度，提高气固分离率，最终提高对微细沙尘除尘效率。

1模型建立

1.1数学模型

旋风模拟常用的模型有三种：k-ε模型、代数应力模型（ASM）和RSM。k-ε模型采用各向同性湍流假设，因此它不适用于具有各向异性湍流的旋流器中的流动[6]。ASM无法预测强旋流中的回流区和朗肯涡。RSM放弃了各向同性湍流的假设，并解决了雷诺应力各分量的迁移方程，它被认为是最适合旋流的湍流模型[7]。

在RSM中，各分量的迁移方程如式（1）所示。

（1）在本文中的建模中，并未引入颗粒之间的相互作

用，仅计算粒子上的重力和气体阻力。其中气体阻力被分解为两个分量：一个是由流体的平均速度引起的，另一个是由流体的分散速度引起的。则环境温度下两相流

中颗粒的动量方程可表示为：

（2）

（3）

（4）

此中， 为流体与颗粒之间的动量传递系数;vp粒子径向瞬时速度;wp为切向质点瞬时速度;up轴向粒子瞬时速度;w为质点切向平均速度;rp为粒子半径;g为气体;Rep为雷诺数;CD为阻力系数，具体表示为：

（5）

1.2物理模型及网格划分

为了不失一般性，仿真计算的模型如图1（a）所示，吸入口高度360mm，宽度240mm;直筒段高度为720mm;排气管插入深度360mm;直筒段内径720mm;排气管的直径240mm;排尘口直径180mm;锥段的倾斜角12°。

图1（b）显示了包含62429个CFD单元的计算域。整个计算区域由结构化六面体网格划分。在靠近排尘口、排气口和吸入口的区域进行了网格细化。入口气体速度为20m/s，出口除的气体压力为1atm。颗粒使用的材料为典型沙尘，其密度为0.65g/cm3。

2结果及讨论

2.1排气管插入深度对气固分离效率的影响

首先对旋风除尘器进行几何优化并探究旋风除尘器内部气体流动情况。图2（a）～（c）为不同排气管的插入深度与入口高度之比分别为0.1、0.8及1.8时轴向速度云图。从图2（A—A）中可以发现，高速气体从入口进入，并在C点处被加速，并随着气体沿着壁旋转。之后，气流在进入旋风式除尘器下方之前，会与后续进入的气流发生碰撞，并在排气管外壁附近（点D）形成混沌流，使得气体速度在点D发生急剧下降，这将导致气体在流动过程中发生能量损失产生短路流。重要的是，从图2中可以看出向上流动和向下流动气体之间存在明显的分界线，且向上流动气体的中心与旋风式除尘器的几何中心不一致。这是由于旋风除尘器中存在偏心涡流，扰乱了向上流动的气体。然而，从图2（a）及（c）中可以发现，向上流通的气体与排气管的几何中心发生了严重的偏移，这将导致排气难以顺利进行，大量的气体有可能从排尘口直接排出。

图3为排气管的插入深度与入口高度之比分别为0.1、0.8及1.8时的y轴速度云图。从图3（a）中可以发现，虽然排气管插入深度较低，也能产生内外漩涡，但是内漩涡空间过大。通常，外漩涡才是沙尘进行分离的主要空间，内漩涡空间过大将导致排气管排气不畅，以至于使沙尘直接从排气管排出[8]。此外，如图3（a）中A点中可以发现，入口处上有部分气体直接进入了排气管，即我们所说的短路流。这部分气体所携带的沙尘将完全不进行离心力分离，直接逃逸。其次，从图3（c）中可以发现，容易在排气管外壁形成回路，而这一部分气体所携带的沙尘将沿排气管外壁下滑后到达排气管底部时，随其内部的上升气流而逃逸，如图3（c）中B点所示。

因此，插入深度与入口高度之比为0.8时，具有更好的气固分离效率。

2.2沙尘颗粒粒子追踪

为了进一步验真改良旋风子的工效，需要对不同粒径的沙尘在排气管道插入深度与与吸入口高度之比为0.8的旋风除尘器中的运动，进行粒子追踪。图4显示了多个直径的沙尘在0.4s内的位置随时间的变化。从该图可以看出，随着时间的增加，不同直径的沙尘从吸入口进入，之后沿旋风除尘器的边壁逐渐进入至排尘口。较小直径的沙尘（蓝色部分）与较大直径的沙尘（红色部分）同时从吸尘口进入，较大直径的沙尘首先从排尘口排出，而较小直径的经过多次旋转后从排尘口排出[9]。

根据图5，直径大于40μm的沙尘可以旋转到旋风除尘器的锥形部分并从排尘口排出，经过碾压后的沙尘通常为70～200μm，因此改良后的旋风子能够达到良好的除尘效果。

如果沙尘直径小于40μm，沙尘首先向下旋转，然后在即将进入锥形部分附近一定高度处继续旋转。这可能是因为，当微细沙尘向下移动到圆锥体时，旋风分离器的半径减小，但是颗粒的切向速度变化不大，粒子上的离心力增加，从而使得微细沙尘难以进入排尘口。

3结论

（1）通过对排气管的排气管道插入深度与与吸入口高度之比分别为0.1、0.8及1.8的旋风除尘器进行了两相流流体仿真。研究结果表明，排气管插入深度为0.8时，能够有效的遏制短路流的出现，减少沙尘直接从排气口排出，具有良好的除尘效果。

（2）通过对不同粒径的沙尘进行粒子追踪可以发现，改良后的旋风子能够满足对车轮碾压后的沙尘具有良好的气固分离效果，实现除尘。

参考文献

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[2]DziubakT.ExperimentalStudiesofDustSuctionIrregularityfromMulti-CycloneDustCollectorofTwo-StageAirFilter[J].Energies，2021，14.

[3]XieB，LiS，JinH，etal.Analysisoftheperformanceofanoveldustcollectorcombiningcycloneseparatorandcartridgefilter[J].Powdertechnology，2018（339）：695-701.

[4]岳世松.旋風除尘器内部流场的数值模拟研究[J].选煤技术，2018（6）：66-69.

[5]陈宏基，姜大志.旋风除尘器的性能及改进方案[J].化工环保，2005，25（5）：409-411.

[6]王海刚，刘石.不同湍流模型在旋风分离器三维数值模拟中的应用和比较[J].热能动力工程，2003（4）：337-342.

[7]LongHuang，DengS，ChenZ，etal.Numericalanalysisofanovelgas-liquidpre-separationcyclone[J].SeparationandPurificationTechnology，2018：470-479.

[8]朱挺辉，陈全民，陈金松，等.基于ANSYSCFX旋涡泵的数值模拟[J].机电技术，2013（5）：55-57.

[9]李强.旋风除尘器优化设计及分离特性研究[D].长沙：中南大学，2008.

ResearchonImprovingtheDustRemovalEfficiencyofCycloneDustCollectorforFineSand

YAOYuhan1，JIANGHua2

（1.ChinaRailwayConstructionHigh-techEquipmentCo.，Ltd.，KunmingYunnan650215;

2.ChinaRailwayLanzhouBureauGroupCo.，Ltd.，LanzhouGansu730000）

Abstract：TakingthecycloneofthedustremovalsystemintheTX-18railwaytrackbedsewagesuctiondeviceasa

model，theCFDmoduleofAnsysisselectedtosimulatethedustremovalofthedustintherangeof5～200μmin

thecyclonedustcollectorduringthedirtsuctionprocessefficient.Throughtheaxialvelocityclouddiagramand

theradialvelocityclouddiagram，theinfluenceoftheinsertiondepthoftheexhaustpipeonthedustremoval

efficiencyisstudied.Particletracingisusedtoanalyzethedustparticlesinthecyclonedustcollector，andthe

movementtrajectoriesofsanddustwithdifferentparticlesizesarediscussed.Theresultsshowthatwhenthe

ratiooftheinsertiondepthoftheexhaustpipetotheheightofthesuctionportis0.8，thedustremovalefficiency

isbetter，whichcansatisfythegas-solidseparationofdustwithaparticlesizeofmorethan40μm.

Keywords：cyclone;two-phaseflow;fluidmechanics;CFD