Моделирование нестабильностей в работе циклона-сепаратора
11 сентября 2010Сепараторы циклонного типа широко используются в промышленности для очистки газов и жидкостей. Циклонные пылеуловители составляют наиболее массовую группу среди всех видов пылеочистного оборудования и применяются практически во всех областях промышленности.
Отделение пыли в циклоне происходит следующим образом: поток загрязненного газа поступает в аппарат через входной патрубок тангенциально в верхней части. В аппарате формируется вращающийся поток газа, направленный вниз, к конической части аппарата. Вращательное движение газа задается не обязательно использованием тангенсального входа, возможны варианты исполнения сепаратора с использованием так называемых “swirl wanes”, расположенных в верхней части циклона, но принцип работы аппарата от этого не меняется. Вследствие силы инерции (центробежной силы) частицы пыли выносятся из потока и оседают на стенках аппарата, затем захватываются вторичным потоком и попадают в нижнюю часть, через выходной клапан в резервуар для сбора пыли. Очищенный от пыли газовый поток затем двигается снизу вверх и выводится из циклона через соосную выхлопную трубу.
Использование циклонных сепараторов позволяет значительно снизить нагрузку на магистральные фильтры и осушители сжатого воздуха, так как в них удаляется порядка 99% крупноразмерных частиц влаги. Важными преимуществами циклонных сепараторов является то, что они не нуждаются во внешнем источнике энергии, не содержат фильтрующих элементов и других изнашивающихся частей, и просты в обслуживании.
Но несмотря на повсеместное применение и множество достоинств циклонов, существуют физические эффекты, возниконовение которых возможно при работе сепаратора. Данные эффекты способны существенно повлиять на эффективность работы оборудования.
Одним из таких эффектов является экспериментально обнаруженный так называемый “end of the vortex ”. Дело в том, что при определенных значениях потока газа и при некоторых геометрических параметрах сепаратора, вращающийся поток газа после ввода в циклон отклоняется от вертикальной оси и движется к стенке сепаратора. Попадая на стенку, газ, закручиваясь, в следствии силы трения образует вихревую зону, которая начинает вращаться по телу циклона. В зависимости от исходного потока эта зона либо опускается по телу сепаратора до самого дна, и тогда данное явление можно расценивать как эффект связанный с выходом на стабильный режим работы сепаратора. Но, возможны и случаи, когда “end of the vortex” замедляет свое вертикальнное движение и останавливается на некотором уровне от дна, продолжая вращательное движение в горизонтальном направлении. В данной ситуации эффективность работы устройства сильно понижается. Осевшие на стенку частицы пыли подхватываются обратным потоком газа и уходят вместе с ним к выходу, попадая таким образом в поток очищенного газа.
Хотя, данный эффект достаточно известен в литературе, до сих пор не определена теория, позволявшая бы описать закономерности данного феномена. Таким образом, единственным инструментом, за исключением реального физического эксперимента, который представляется не тривиальной задачей, так как возникают сложности связанные с визуализацией газового потока, является CFD (Computational Fluid Dynamic) -исследование.
Авторами данной работы было проведено CFD-исследование механизма распростронения газа внутри сепаратора. Разработанная CFD модель была построена на основе экспериментальных данных и имеет следующие особенности. В зависимости от геометрии модели колличество конечных объемов варьировалось в диапазоне 30-150 тысяч. Симмуляции с использованием более мелко дискретезированных моделей подтвердили целесообразность выбора размеров конечных объемов, так как результаты для моделей содержащих в 2 и в 4 раза больше ячеек отличались на 5-7 %, от результатов, полученных для рабочих моделей циклона. В качестве рабочего газа был выбран несжимаемый воздух.
Ключевым фактором для получения корректных результатов численного исследования является правильный выбор модели турбулентности. В настоящее время существует множество моделей начиная от самых распространненых k-ε и k-ω, заканчивая сложнейшими RSM (Рейнольдс стресс модель) и LES моделями.
Первые чиссленные CFD рассчеты были выполнены с использованием k-ε и RSM моделей турбулентности.
Использование данных моделей не привело к желаемому результату. Во всех случаях при любых входных потоках, различной шероховатости стенки циклона, а так же для всех тестированных геометрий сепаратора воздух образовывал централизованный вихрь. Результаты для RSM модели показали некоторое отклонения вихря от вертикальной траектории, но конец вихря все равно находился на самом дне сепаратора, что не соответствовало экспериментально наблюдаемым закономерностям
Следующим шагом было тестирование LES модели турбулентности. Не углубляясь в математические особенности данной модели отметим, что эффект отклоения потока газа от вертикальной оси и его прецессионное движение на стенке сепаратора былы получены. Ниже представлены результаты для распределения скоростей и давлений внутри сепаратора. Отчетливо видно, что рассматриваемое явление было полностью описано и подтвердилось СFD рассчетами, которые, стоит отметить, очень близко совпадают с реальными экспериментальными данными, полученными группой западных исследователей.
Таким образом, становиться возможным сделать вывод, что с помощью последних достижений в области CFD стало возможным предсказание и в случае необходимости избежание таких сложный физических явлений, как описанного в данной работе, еще на стадии проектирования, что несомненно упрощает, а также делает более качественной работу производителей данного вида газоочистного оборудования.
В заключени отметим, что возникновение данного баг-эффекта не связано только лишь с циклонными сепараторами. В последнее время данный эффект активно изучается применительно к турбо-детандорным агрегатам, где вероятность его возникновения и отрицательного вклада в работу оборудования очень велика.
Статья в PDF:
