摘要：对一种高浓度盐雾分离装置———旋风分离器进行研究，并对已有旋风分离器结构进行了改进，提出了一种具有双节流结构的旋风分离器形式。利用标准k-ε模型和realizable k-ε两种湍流模型进行了数值模拟，给出了相应模型的阻力特性。同时在专门风洞实验台上进行了模型的阻力特性实验，将实验结果与数值模拟结果进行比较，认为在计算旋风分离器阻力特性时，realizable k-ε优于标准k-ε模型。
关键词：船舶；旋风分离器；湍流模型；数值模拟；实验研究
中图分类号：TQ051.8+4;O241文献标识码：A文章编号：1005-8265（2009）03-0017-05
前言
旋风过滤器（简称旋风子）是气体滤清器的一种，是近年出现的一种利用离心作用进行气液及气固分离的装置[1,2]。多个旋风分离器均匀布置成一个“级”的单元，多用于船舶进气滤清装置，保证发动机进气品质。单个旋风子也可以应用在化工分离以及石油化工等行业。
它的原模型[见图1（a）]是由八个叶片按一定角度均匀分布在一个叶轴的周围，形成一个叶轮。而叶轮安装在一个筒体内，筒体下游开有若干个排污口，在筒体的后部装有一个出气喇叭口（也称节流器）。气流流经叶轮，在导向叶片的作用下产生旋转，在离心力的作用下，使气液、气固分离，液滴或固体颗粒被壁画捕集从排污口排出，而过滤后的空气由出气喇叭口排出，从而达到气液、气固分离。
本文将考虑在原有结构基础上将筒体延长[模型图见图1（b）]，并在第一个节流器后加装一个排污口和节流器，进行二次分离，提高分离效率，但在提高效率的同时必须将阻力损失控制在一定的范围内。本文将利用标准k-ε和Realizable k-ε两种湍流模型对改进后的结构进行数值模拟，考察不同湍流模型下旋风分离器的阻力情况。
1.数值方法
1.1数学模型
利用Boussinesq涡旋粘性假设，忽略质量力的可压缩粘性气体的Navier-Stokes方程组描述如下。
标准k-ε湍流模型模拟涡旋粘性系数，则有关于湍动能k及其耗散率ε的一般表达式：
1.2边界条件
进出口及固壁边界条件给定如下：进口：进气压力101 325 Pa，进气温度293 K，法向气流方向；
出口：压力出口(试算调整到最终满足不同的质量流量)；
固壁：绝热，无滑移。
1.3计算域模型
旋风分离器前端采用半球体作为延伸段，后端用圆柱体作过渡段（如图2所示）。网格的划分采取对模型分段处理，结构变化突出的部位（叶轴前端、叶片表面等）作加密的方式，因旋风分离器内部结构复杂，很难进行结构化网格划分，故而在所有方案中全部使用非结构性网格。
2 数值模拟结果与分析
SKE表示标准k-ε模型，RKE表示realizable k-ε模型。std表示标准状态，即大气压为101 325 Pa,温度为293 K。图3、4给出了两种湍流模型下的湍流粘性系数分布图。SKE计算结果中大湍流粘性系数存在两个核心区域，RKE与SKE有明显的不同，一方面旋风分离器进口处没有大的核心区域，仅在叶轴顶端有一小的核心区。另一方面出口的核心区出现分化，两个核心逆向发展，一个逐渐变强，一个逐渐削弱且两者的间距呈增大趋势。通过两种湍流模型的计算结果的对比，看出RKE比SKE更符合流体的实际流动。出口处的核心区与回流区位置一致，说明回流区是能量耗散的区域，因为此位置有很多小漩涡。此外叶间流域、旋风分离器内部漩涡也是能量损失的重要区域。
图5、6给出了沿旋风分离器通流方向（z方向）不同截面上的切向速度分布，从图中可以看出z=100与z=110两断面速度梯度增加而z=70断面却减小。此外，轴线附近刚性涡区逐渐变粗。横向对比知SKE与RKE中z=70断面的切向速度曲线基本上一致，而RKE中z=100与z=110两断面切向速度曲线较SKE平滑且峰值却略小一些。旋风分离器内部切向速度值越大，颗粒所受到的离心力也会变大，增大了颗粒分离出的机率，但旋风分离器内部壁面粘性摩擦损失也因速度梯度的增大而增加。z=100与z=110两断面的自由涡区发生速度转折点的位置基本没发生变化。
图7、8给出了沿通流方向不同截面上的径向速度分布曲线，RKE计算结果中z=100与z=110的速度曲线与SKE基本相同，不同的是z=70的峰值，前者的计算值比后者低一点。从径向速度曲线分布可以看出，在旋风分离器的轴线附近气流较紊乱，因为叶轴壁面上的附面层在尾端分离以致在旋风分离器轴线附近产生一系列的漩涡，z=70断面上尤为突出。径向速度峰值的产生是因为气流经过疏水器之前通流面积减少，使得旋风分离器轴线附近区域气体流动加快而形成低压区，四周的气流便会向中央运动，另外受到边界的影响气流方向也发生改变。越靠近轴线附近的流体速度梯度及压差越不明显，因此径向速度的大小也会逐渐趋微。
图9给出了不同湍流模型对旋风分离器阻力特性的影响，以及SKE与RKE模拟结果的差异性。曲线特征说明阻力与质量流量呈抛物线性关系。在相同的质量流量下RKE的计算值比SKE的计算值大，随着质量流量的增加两者的差值越大。
3 实验验证
利用专门的小型实验风洞进行旋风分离器的阻力特性的实验研究，验证数值模拟的结果。实验台如图10所示，通过U型管压力度测量旋风分离器的阻力特性。表1给出了阻力特性的实验数据的统计结果。
图11给出了利用阻力特性实验所得实验数据进行插值所得到的阻力特性趋势曲线，并给出的插值公式，同时利用插值公式求得了额定工况下的模型阻力损失，又将实验值与计算值进行了对比，实验数据如表2所示。
从表2中可以看出实验结果与模拟结果基本吻合，相对误差较小，而且Realizable k-ε模型比标准k-ε模型计算的结果更接近实验值。
4 结论
两种湍流模型的模拟结果对比。采用Realizable k-ε模型和标准k-ε模型对单个旋风分离器模型内部流场进行分析知，前者获得较接近旋风分离器内部实际流动特征。通过模型的阻力实验可知，在计算旋风分离器阻力特性时，Realizable k-ε模型优于标准k-ε模型。
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