FLoEFD与气旋仿真
由于其简单的设计，较低的成本和运行费用，空气旋流器成为了用于分离微粒的一种流行的方法。 简单的工作原理掩盖了旋风分离器内部空气运动的复杂性。其复杂性体现在高强度的湍流，剧烈的各向异性，不稳定性和回旋空气流。 对于空气旋风而言，稳定的流体运动理论的缺陷往往在于其更适用于现有的设计或昂贵的物理原型。然而，计算流体动力学（CFD）可以用来更好地了解旋风的复杂流场结构，并帮助设计师了解重要的功能，诸如液压阻力，中央涡的稳定性和旋风效率，空气的净化程度等。显然，任何结果的有效性都依赖于CFD工具能否替代给定的系统。Mentor Graphics公司的FloEFD通过不断寻找工业基准或合适的实验数据直接解决了这个问题。
图1 Stairmand HE 旋风设计
1）圆柱部分; 2）圆锥部分; 3）出水管; 4）进水管; 5）排尘装置; 6）防尘装置; 7）电流线
图2 旋风流速分布 FloEFD CFD研究特别有趣的一点在于传统k-ε湍流模型通常被视为不适合于漩流，而漩流显然在旋风中是一个突出的角色。因此，它提供了一个完美的数据集来证明FloEFD对于KE-ε湍流模型的完善。 考虑了两个独立的实验：第一个为Stairmand高效率旋风器，第二个为大容量的旋风分离器 （参见图1及图2）。与缺乏容量的一样，Stairmand HE气旋的不同点在于出口管的端部具有一整套直线流动装置。不考虑几何学因素，这两个实验的数据集强调了不同的方面，并允许进行范围更广的的FloEFD输出。与Stairmand数据比较将提供的FloEFD是如何处理的入口和出口之间的压力差一个很好的基准。洛伦茨气旋与大容量数据将允许FloEFD更准确地跟踪并对各种直径粒子的模拟运动和沉降进行评估。
图3 旋风分离器入口Stairmand HE旋风液压阻力与空气流速的关系
图4 气旋的液压阻力DP与吞吐量Ԛ在不同气体温度的关系 Stairmand HE旋风 考虑旋风操作条件的范围，入口速度为5-25M / s。FloEFD预测与实验结果的比较（如图4)展现了入口和出口之间计算压降的完美吻合。 大容量的洛伦茨气旋 与上述相反，旋风分离器的实验数据是按照各种各样的条件和温度来区分的。此外，FloEFD通过粒子的运动和沉降复制计算旋风分离器的效率。为了做到这一点，入口表面要排出给定直径的500个颗粒。每个粒子的运动轨迹都要被跟踪，旋流器的效率决定了捕获到的每个尺寸的排出粒子数的个数。 与一般的Stairmand HE情况相同，第一步是进行在一系列的流速下水力阻力的预测与实验数据集之间的比较。在这种情况下，实验数据集包括依次由FloEFD计算出的一定范围内的气体温度（图4）。 可以看出,旋风分离器几何实验数据和仿真的结果非常吻合。尽管误差在较高温度下会有所增加，但在850℃下它也仅仅略超过10％。在实际情况中，飓风中的气流很少超过400°C。计算出的气旋效率如图5所示。
图5 60立方米/小时的吞吐量旋风中气体净化程度ƞ与颗粒尺寸在不同的气体温度下的关系 由于气旋流动模式不稳定，不同直径粒子降出的概率由五个颗粒放电的结果平均计算得出。每个点的线表纵向线表示具有确定直径的粒子降出超过平均值的最大和最小的概率。计算出的旋风曲线有一个相对较陡的实验数据斜坡，FloEFD仿真和数据集之间非常吻合，尤其是在温度低于200°C的时候。 结论 这项工作表明，FloEFD修正的k-ε湍流模型非常适合于高旋转流动。考虑到FloEFD的低计算开销（最大的产生于大容量的旋风，仅仅达到了38000），我们可以很清楚看到FloEFD可以在这种系统中提供给设计工程师和设计师更多的帮助。 |
