第５３卷第２期 机械工程学报 ＶＯ１．５３ ＮＯ．２ ２０１ ７年１月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｊａｎ． ２０１ ７ ＤｏＩ：１０．３９０１／ＪＭＥ．２０１７．０２．１５７ 工作条件对轴流旋风分离器分离效率影响的 数值研究米 汤浩 孙鹏２刘文峰２ ｆ１．大连交通大学机械工程学院大连１１６０２８； ２．大连海事大学轮机工程学院大连 １ １ ６０２６） 摘要：燃气轮机对进气质量的要求很高，低质量的空气进入燃气轮机不仅不能保证其正常的工作条件，还极易给燃气轮机带 来不可恢复的损害，因此研制高效的燃气轮机进气滤清器成为一项十分重要的任务。为了研究轴流式旋风分离器在不同工作 条件下的分离性能，通过数值模拟的方法，对多管式轴流旋风分离器的其中一个分离管进行研究，分析进气角度和集尘管进 口扫气压力对不同直径颗粒的分离性能的影响，并探索灰尘颗粒在分离器中运动过程的物理机理。研究结果表明，适当的预 旋角度会提高小直径颗粒的分离效率，而较大直径颗粒的分离效率反而有所降低；降低集尘管进口扫气压力会提高小直径颗 粒的分离效率，对大直径颗粒的分离效果几乎没有影响。计算结果可为轴流旋风分离器的设计和工程应用提供理论指导。 关键词：旋风分离器；涡旋管；分离效率；数值模拟 中图分类号：ＴＦ１１１ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ａｎ Ａｘｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｃｙｃｌｏｎｅ Ｓｅｐａｒａｔｏｒ ＴＡＮＧ Ｈａｏ ＳＵＮ Ｐｅｎｇ２ ＬＩＵ Ｗｅｎｆｅｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２８； ２．Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄａｌｉａｎ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙｔ，Ｄａｌｉａｎ １ １ ６０２６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ，ａｎｄ ｌｏｗ ｑｕａｌｉｙｔ ｏｆ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒ ｍａｙ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｕｎｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃａｕｓｅ ｉｒｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ ｄａｍａｇｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｆｌｔｅｒ ｆｏｒ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔａｓｋ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｈｔｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎ ａｘｉａｌ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ａ ｍｕｌｔｉｔｕｂｕｌｒａ ａｘｉａｌ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｉｎｌｅｔ ａｎｇｌｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｏｆ ｄｕｓｔ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｔｕｂｅ ｉｎｌｅｔ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ’Ｓ ｍｏｖｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｉｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｎ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｉｎｌｅｔ ａｎｇｌｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｂｕｔ ｉｔ ａｌｓｏ ｃａｎ ｄｅｐｒｅｓｓ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｌａｒｇｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｉｎｌｅｔ ｏｆ ｄｕｓｔ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｔｕｂｅ Ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｂｕｔ ｉｔ ｈａｓ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｌａｒｇｅｒ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ｈｔｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｘｉａｌ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ；ｆｉｌｔｅｒ；ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 本低等优点，被广泛应用于化工业、冶金工业、煤 ０前言 矿工业、机械制造业等各个需要对气体进行净化或 需要对固体颗粒进行回收的工业领域。 旋风分离器是一种利用离心力对气固两相流 按照进气方式不同，可将工业上常用的旋风分 体中固体颗粒进行分离回收的装置，由于其具有结 离器分为切流式旋风分离器和轴流导叶式旋风分离 构简单、工艺布局合理、分离效率高、制造维护成 器。按照叶片形式的不同，又可将轴流导叶式旋风 分离器分为直叶片旋风分离器和带螺旋叶片的涡旋 ・辽宁省科学技术计划资助项目（２０１４３０８００７）。２０１６０５０９收到初稿 ２０１６１０１３收到修改稿 管式旋风分离器 Ｊ。 １５８ 机械工程学报 第５３卷第２期 相对于传统的旋风分离器，涡旋管式旋风分离 器的研究工作起步较晚，国外对涡旋管的研究开始 于２０世纪７０年代。１９６９年，西科斯基公司（Ｓｉｋｏｒｓｋｙ） 与唐纳森公司（Ｄｏｎａｌｄｓｏｎ）对涡旋管元件做了大量试 验研究，最终获得了用于直升机进气的优质涡旋管 元件。２０世纪７０年代末，英国分离系统公司对气 液分离原理进行了研究，并将涡旋管用于舰船进气 滤清系统 Ｊ。 一直以来，国内外对切流式旋风分离器做了大 量研究，而对轴流旋风分离器的研究相对较少。由 于旋风分离器内部流动为三维强旋气粒两相湍流运 动，并伴随着剧烈的附面层分离，因此，从理论上 研究其内部流动机理存在很大的困难，对于轴流旋 风分离器流场特性研究，至今还没有形成一套完整 的分析体系，尚不能清晰地描述轴流旋风分离器流 动区域内的流场特性【ｊ Ｊ。随着计算流体力学理论的 成熟和计算机技术的快速发展，利用数值模拟来深 入研究轴流旋风分离器内流场特性，优化旋风分离 器结构，为进一步提高分离器性能提供了一种方便 快捷的研究手段。 轴流式旋风分离器的工作原理可以描述为：在 旋转流场中，由于密度较大的固体颗粒受到较大的 惯性离心力，其螺旋运动轨迹半径较大而飞向圆筒 壁面。固体颗粒接触到圆筒壁面后，失去初始速度， 随外层气流一起流入集尘管道，而空气及少数未被 捕获的颗粒则从中心位置的主流管流出，从而达到 分离净化的效果。 颗粒的分离效率 是衡量旋风分离器性能的关 键参数，其表达式为 ｑ，７： ：＿Ｌ×１００％ ‘ ｇ０ ９０ 式中， 为进入旋风分离器的颗粒的质量流量，ｑ 为进入主流管道的颗粒的质量流量， 为进入集尘 管道的颗粒的质量流量。分离效率主要受到颗粒材 料属性、颗粒直径［５】、长径比［ 、导流叶片叶型 、 叶片安装角 以及扫气比 等因素影响。 ＢＩＡＮＣＨＩＮＩｔＳｊ对ＯＨ一６Ａ轻型侦察直升机的多 管式粒子分离器的性能进行了试验。结果显示，分 离器对ＡＣ粗砂有较高的分离效率，为９３％，而对 ＡＣ细砂的分离效率较低。 文献［２］中对ＷＩＬＬＩＡＭ的研究进行了介绍，比 较了不同尺寸的涡旋管元件对尘砂的分离效率。结 果显示，在相同流量下，尺寸为３８．１ ｍｍ￣１０１．６ ｍｍ（管径×管长）的涡旋管要比３８．１ ｍｍ￣１５２．４ ｍｒｎ 的涡旋管分离效率低。结合其他尺寸涡旋管元件的 试验结果，得出了长径比对涡旋管分离效率的影响。 ＦＩＬＩＰＰＯＮＥ等Ｌ６ 推导了涡旋管的阻力与扫气比 的理论关系，提出了不同叶型会带来不同的旋转分 速度，涡旋管的分离性能与叶型有着密切联系。 林国华等 采用数值模拟方法计算了涡旋管粒 子分离器的两相流流场，建立了粒子三维运动轨迹 微分方程。理论上分析了这种分离器的叶片安装角， 尘砂直径和流量对其性能的影响，并获得了较好的 试验验证。 ＧＨＥＮＡＩＥＴ等 对一种直升机粒子分离器进行 数值模拟研究，结果表明，大颗粒依靠表面冲击的 反弹特性分离，而小颗粒依靠黏性气动力分离。通 过提高扫气比和改变结构，可以提高小颗粒的动能， 进而提高分离效率，但是与此同时也带来了较大的 压力损失。 本文研究了不同进、出气工作条件（进气角度、 集尘管进口压力）对直流式旋风分离器分离效率的 影响。 １数值计算方法 如图１所示，本文研究对象主要由管体、旋流 叶片、叶轴、纯净气出口（主流管入口）及排尘口（集 尘管入口）等部件构成。分离器前端有４片导流叶 片，旋向为右旋。采用非结构化网格对计算域进行 网格划分，如图２所示。 图１计算模型 图２计算域网格 通过白适应网格调整壁面 ＋值在６０左右，网 ２０１７年１月 汤浩等：工作条件对轴流旋风分离器分离效率影响的数值研究 １５９ 格总数为２ｌ３万，气相采用的湍流模型为标准ｋ－ｅ 双方程模型，并采用标准壁面函数求解近壁区流动。 固体颗粒相采用基于Ｌａｇｒａｎｇｅ方法的离散相模型。 固体颗粒材料的密度设为２ ０００ ｋｇ／ｍ ，从入口面均 匀喷射，入射速度的大小及方向与主流空气相同。 固体颗粒主要受重力、Ｓａｆｆｍａｎ升力、气动阻力影 响，并考虑颗粒的布朗运动。 分离器的进、出口位置如图３所示。气相边界 阻塞流道，降低分离器的流通能力，从而降低单位 时问内净化的空气量。进口截面上存在较大的速度 梯度，如图７ａ所示，流体流动的黏性阻力会随之增 大而造成较大的黏性损失：同时进口处吸力面附近 产生一个较大的回流区域，小直径灰尘颗粒由于其 惯性小而易受到气相影响，会跟随空气回流，从进 口流出分离器从而降低分离器的分离效率。 条件：分离器入口设为压力入口，表压为大气压。 纯净气出口设为压力出口，表压为一５００ Ｐａ。排尘口 设为压力出口。导叶和圆筒内壁均设置为壁面边界， 采用无滑移边界条件。固体颗粒相边界条件：纯净 空气出口设置为逃逸边界，灰尘出口’设置为捕获边 界，导叶和圆筒内壁设置为反射边界。 流叶片 图４进口气流与叶片夹角示意 ３边界条件 ｒ Ｅ 鲫 蜒 ２数值计算结果及分析 ２．１ 进气角度对分离效率的影响 当气体从旋风分离器的入口沿轴向流入时，由 于气流方向与导流叶片前缘切线方向之间存在正攻 角，气流会与叶片压力面发生碰撞而造成损失：并 且正攻角的存在使导叶吸力面极易发生分离现象而 产生分离涡，分离涡的存在不仅会阻塞流道、造成 流动损失，还会在一定程度上影响旋风分离器对灰 尘的分离效率，因此有必要研究分离器在不同进气 角度下的工作状态。 根据导流叶片与轴向夹角的大致范围（图４），在 ３５。～４５。范围内平均选取１１个气流预旋角度，对不 同预旋角度的流场进行数值计算。计算结果表明， 在相同背压条件下，随着预旋角度的增加，旋风分 离器内空气流量呈先升高再降低的变化趋势，如图 ５所示，并且在给定气流３８。预旋时，分离器内的 空气流量达到最大值，流量相比轴向进气时提高 ｌ４．１％，可以认为３８。是对于所研究旋风分离器的最 佳预旋角度。 当气流沿轴向进气时，由于吸力面处发生流体 蛙 预旋角度，（。） 图５流量随进气角度的变化 而当给定气流３８。预旋进气角度时，如图６ｂ和 图７ｂ所示，分离器进口处流场得到明显的改善，分 离涡强度降低，静压沿周向变化相对平缓，分离器 的流通能力增强，从而使单位时间内净化的空气量 增加；速度周向梯度相比轴向进气时有所降低，黏 性耗散减小；回流区域范围明显减小。 分离，产生分离涡，涡核处静压最低，静压从涡核 向压力面逐渐升高，使进口处截面沿周向存在较大 的静压梯度，如图６ａ所示。分离涡中的低能流体会 （ａ）轴向进气 机械工程学报 第５３卷第２期 粒，导致效率降低的主要原因是颗粒与内壁之间的 碰撞增强而使颗粒重新掺混到主流从主流管流出， 当给予合适的预旋时，颗粒在导叶中的流动阻力减 小，颗粒经过导叶流道后获得更大的速度，与壁面 的碰撞作用增强，从而导致分离效率降低。 压 （ｂ）３８。预旋进气 巳：０ 图６进口截面处静压分布图 矗 ∞∞∞∞∞∞∞∞ 向速度 （ｍ／ｓ） 一４ ０ Ｏ 颗粒直径／ｇｍ 图８直径０－２～４ ｐａｎ颗粒的分离效率曲线 Ｏ ０ 静簌键 Ｏ Ｏ ● Ｏ ０ Ｏ 瓣较耀 Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ （ａ）轴向进气 颗粒直径／ｇｍ 图９直径４￣５００ ｇｍ颗粒的分离效率曲线 ２．２集尘管进口扫气压力对分离效率的影响 通过数值模拟软件计算一种理想情况（颗粒不 会因进口流场的湍流作用而从入口离开分离器流场） 的分离管内流场，分析不同颗粒直径分离效率的数 （ｂ）３８ 预旋进气 值计算结果，得到以下规律。 当颗粒直径在０．２～４ ｇｍ范围内，颗粒的惯性 比较小，极容易受到气流的影响（具有良好的跟随 图７进口截面处轴向速度分布图 图８和图９给出了轴向进气和３８。预旋进气条 件下，直径在０．２￣５００ ｇｉｎ的颗粒的分离效率曲线， 可以看出，当颗粒直径在０．２～４ ｇｍ时，预旋进气 相比于轴向进气，分离效率有较明显的提升：而当 性），与分离器内壁发生碰撞的颗粒的数目较少，在 出口位置处仍有较多的灰尘颗粒掺混在主气流中， 随主气流从主流管流出，从而导致分离效率较低， 此时颗粒运动轨迹如图ｌＯａ所示。 颗粒直径在６０ ｇｍ以上时，轴向进气的分离效率反 而会略高于预旋进气。导致这种现象的可能的原因 是：对于小直径颗粒，颗粒在气相中分散程度更均 匀，且跟随性较好，进口的回流对分离效率有较大 的影响，当给予预旋时，改善了进口流场，回流区 减小，从而使分离效率增加；而对于较大直径的颗 当颗粒直径增加到４～６０ ｇｍ时，颗粒受到的 惯性离心力增大，颗粒的碰撞数目增多，几乎所有 的颗粒与分离器内壁碰撞后，都沿内壁做螺旋运动， 最后被吸入集尘管道，此时分离器的分离效率达到 ９９％以上，如图１０ｂ所示，可以发现，几乎已经没 ２０１７年１月 汤浩等：工作条件对轴流旋风分离器分离效率影响的数值研究 ｌ６ｌ 有颗粒从分离器的主流流出。 囊～ 当颗粒直径增加到６０￣９０岬时，由于颗粒与 内壁的碰撞效应增强，一部分颗粒在碰撞后速度方 。 ｌ×××Ｘ×××Ｘ 黑 Ｘ Ｘ Ｘ×××Ｘ× Ｘ×Ｘ Ｘ××××Ｘ Ｘ Ｘ× ∞ ”＂ 如％弛鹌 。矿ｌｌ＾旷旷旷 向发生改变，重新掺混进主气流区，从主流管流出 而导致分离效率降低，此时颗粒运动轨迹如图１０ｃ 所示。 。ｌｌ。ｌ。旷旷ｃ）ｌ。ｌ。旷ｌ。ｌ。旷 当颗粒直径继续增加到９０ ｐｍ以一Ｌ时，颗粒受 气相的影响越来越小，颗粒与壁面的碰撞作用在其 运动过程中越来越占据主导作用，如图ｌＯｄ所示， 扫气压力／Ｐａ ｎ ３ ２２ ９ ６ ３ ９ ６ ，Ｏ ９ ７ ６ ５ ４ ３ ２ Ｏ ９ ８ ７ ６ ５ ５ ３ ２ ０ ７ ４● ●ｇ ５ ２ ３ ２● ｘ××ｘ×ｘ Ｘ×ｘ ｘ×ｘ ｘ×图１ｌ 扫气比随集尘管进口压力变化关系 ０ ０ Ｏ黻＿。翟●臻溪■● ××ｘ×ｘ× ０ Ｏ ０ 颗粒在气相中分布趋于均匀，从而使分离效率降低， 最后趋于平缓。 速度／（ｍ／ｓ） ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ图１２～ｌ４给出了不同扫气压力下，直径在 ０．２￣５００ Ｂｍ直径颗粒分离效率随扫气压力变化规 速度／（ｍ／ｓ） １ ０３￣ １０－ 律的数值计算结果。可以发现，降低扫气压力会明 显提高小直径（０．２～４ ｕｍ）颗粒的分离效率，这是由 于小直径颗粒存在与主流之间的掺混，通过降低扫 气压力（提高ＢＰＲ），可以将更多的主气流窄气吸入 集尘管，小直径颗粒因具有良好的跟随性而被气流 带入集尘管，从而提高其分离效率。 对于直径在４ ｐ，ｍ以上的颗粒，从图１３和图ｌ４ 可以明显地看出，分离效率已经几乎不受扫气压力 的影响。对于直径在９０ ｐ．ｍ以上的颗粒，各条分离 效率曲线重合度较低，这并不是因为集尘管进口扫 气压力变化导致的，而是由于此时颗粒的运动主要 决定于碰撞作用，而碰撞具有较强的不确定性，因 而产生了不稳定的分离效率曲线。 但对于过小的颗粒直径（小于２“ｍ），由于其在 主气流中的掺混程度很大，仅通过增大ＢＰＲ难以使 …７ ２】×Ｊ０一Ｊ 旷３ 旷３ 旷ｊ 旷 旷 ｏ＿ ｌ １ ｏ＿ ｌ 旷 ｏ＿ ｏ＿ （ｒ４ ∞ ｌ １ Ｏ ０ 一 ｌ 旷 （ａ）０４ ｇｔｍ 速度／（ｍ／ｓ） 这部分颗粒的分离效率提高到９０％以上，而且ＢＰＲ 又受到流量和流动损失要求的而无法提高过 多。因此，如何选择集尘管进口扫气压力（即ＢＰＲ） 还要根据工程实际情况中的颗粒直径分布、过滤标 （ｃ）７０／ａｍ （ｄ）１５０ｐｍ 准、流量要求以及流动损失等因素综合考虑而得出。 图１０不同直径颗粒的运动轨迹 扫气ＬＬ（Ｂｙ—ｐａｓｓ ｒａｔｉｏ，ＢＰＲ）［９１影响旋风分离器 性能的重要参数，其表达式为 ＢＰＲ：—ｍ０－ｍ１—Ｍ——：２×１００％ １ ｌ 式中， 。为进入分离器的空气流量， 流管的空气流量， 为流入主 ，为流入集尘管的空气流量。 定义集尘管进口压力为扫气压力。在旋风分离 器的结构确定时，固定主流管进口压力，可通过改 ４ 变扫气压力来调节扫气比，由数值计算得出其关系 变化曲线，如图ｌ１所示。 颗粒直径／ＩＪ．ｍ 图ｌ２直径Ｏ－２～４ＩＪ－ｍ颗粒的分离效率曲线 １６２ 机械工程学报 第５３卷第２期 Ｏ 槲 嵌 褪 ０ Ｏ 颗粒直径／，ｍ 图１３直径４～１５０ ｇｍ颗粒的分离效率曲线 褂 较 键 颗粒直径／ｐ．ｍ 图１４直径１５０－－５００ ｕｍ颗粒的分离效率曲线 ３ 结论 本文通过对轴流式旋风分离器在不同工作条 件下的气动性能和分离性能进行数值模拟研究，得 到以下结论。 （１）颗粒直径的影响规律：在小颗粒直径（小于 ４ ｒｔｍ）范围内，旋风分离器的分离效率随颗粒直径的 增大而升高，最终达到１００％；而当颗粒直径继续 增大到某一值（６０“ｍ）时，分离效率开始下降。 （２）预旋角度的影响规律：适当的进气预旋角 度（３８。）可以改善直流式旋风分离器入口的流场，提 高通流流量，并能提高小直径（小于４“ｍ）颗粒的分 离效率，较大直径（大于６０￣ｔｒｎ）颗粒的分离效率反而 稍有降低，而直径在４～６Ｏ ｇｍ的颗粒的分离效率 几乎不受影响。改变预旋角度对分离效率存在一定 的影响，但其更主要的作用在于可以较大幅度地提 高流量（相对于轴向进气，３８。预旋角度可以提高流 量１４．１％），进而提高单位时间内处理的空气量。 （３）集尘管进口扫气压力的影响规律：降低集 尘管进口扫气压力（提高ＢＰＲ）可以较显著地提高小 直径（小于４ ｒｔｍ）颗粒的分离效率，对较大直径（大于 ４ ｍ）颗粒的分离效率几乎没有影响。 参考文献 ［１］霍夫曼ＡＣ，斯坦因ＬＥ．旋风分离器——原理、设计 和工程应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４． ＨＯＦＦＭＡＮ Ａ Ｃ，ＳＴＥＩＮ Ｌ Ｅ．Ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ， ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．ＢｅＯｉｎｇ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ，２００４． ［２］李立国，王锁芳．直升机发动机的进气防护［Ｍ］．北京： 国防工业出版社，２００９． ＬＩ Ｌｉｇｕｏ，ＷＡＮＧ Ｓｕｏｆａｎｇ．Ｉｎｔａｋｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ ｅｎｇｉｎｅ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎ￣ｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｒｅｓｓ， ２００９． ［３］栾一刚．轴流旋风分离器数值模拟与实验研究［Ｄ］．哈 尔滨：哈尔滨工程大学，２０１１． ＬＵＡＮ￣ｉｇａｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｘｉａｌ ｌｆｏｗ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１． ［４】韩佳．燃气轮机涡旋管式进气滤清器性能研究［Ｄ】．哈 尔滨：哈尔滨工程大学，２０１１． ＨＡＮ Ｊｉａ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖｏｒｔｅｘ ｔｕｂｅ ａｉｒ ｉｎｔａｋｅ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１ １． ［５】ＢＩＡＮＣＨＩＮＩ Ｇ Ｖ Ｆｉｅｌｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ａＮ ａｉｒ ｃｌｅａｎｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｔ６３ ｅｎｇｉｎｅ－－ｐｏｗｅｒｅｄ ＯＨ－－６Ａ ａｉｒｃｒａｆｔ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｎａｔｉｏｎａｌ’Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ Ａｉｒｃｒａｆｔ ａｎｄ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，６７一ＥＮＶ－６，１ ９６７． ［６］ＦＩＬＩＰＰＯＮＥ Ａ，ＢＯＪＤＯ Ｎ．Ｔｕｒｂｏｓｈａｆｔ ｅｎｇｉｎｅ ａｉｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１０（４６）： ２２４—２４５． 【７】林国华，袁修干．粒子分离器气动特性数值研究［Ｊ］．航 空动力学报，１９８８，１３（２）：１９９．２０２． ＬＩＮ Ｇｕｏｈｕａ，ＹＵＡＮ Ｘｉｕｇａｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ ｏｆ ｌｆｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ａｎ ａｉｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｐｏｗｅｒ，１９８８，１３（２）：１９９—２０２． ［８］ＧＨＥＮＡＩＥＴ Ａ，ＴＡＮ Ｓ Ｃ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｕｔｄｙ ｏｆ ａｎ ｉｎｌｅｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐ￣ｒａｔｏｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｂｏ ２００４，Ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ Ｌａｎｄ Ｓｅａ ａｎｄ Ａｉｒ．Ｊｕｎｅ １４—１７，Ｖｉｅｎｎａ， Ａｕｓｔｒｉａ：ＧＴ２００４．５４ １ ６８． 【９】童悦，谭慧俊，曾平君．带扫气蜗壳的整体式惯性粒子 分离器仿真 ．航空动力学报，２０１３，２８（５）：１１２５—１１３３． ＴＯＮＧ Ｙｕｅ，ＴＡＮ Ｈｕｉｊｕｎ，ＺＥＮＧ Ｐｉｎｇｉｕｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｃａｖｅｎｇｅ ｓｃｒｏｌｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｐｏｗｅｒ，２０１３，２８（５）： ｌ１２５．１ １３３． ２０１７年１月 汤浩等：工作条件对轴流旋风分离器分离效率影响的数值研究 １６３ ［１０］王媛媛．高效滤清器旋风级性能研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔 滨工程大学，２００８． ＷＡＮＧ Ｙｕａｎｙｕａｎ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｆｉｌｔｅｒ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８． 【１ １］ＦＩＬＩＰＰＯＮＥ Ａ，ＢＯＪＤＯ Ｎ．Ｔｕｒｂｏｓｈａｆｌ ｅｎｇｉｎｅ ａｉｒ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１０， ４６（５—６、：２２４－２２５． ［１２】ＧＨＥＮＡＩＥＴ Ａ，ＴＡＮ Ｓ Ｃ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａｎ ｉｎｌｅｔ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｂｏ ２Ｏ０４，ＰｏｗｅｒｆｏｒＬａｎｄ，Ｓｅａ，ａｎｄＡＪｒ．Ｊｕｎｅ １４．１７，Ｖｉｅｎｎａ， Ａｕｓｔｒｉａ：ＧＴ２００４．５４１６８． ［１３］董晓婷．有叶片粒子分离器性能研究［Ｄ］．南京：南京航 空航天大学，２００８． ＤＯＮＧ Ｘｉａｏｔｉｎｇ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｖａｎｅｓ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ够ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，２００８． ［１４］王先炜，孙中海．涡旋管砂尘分离效率计算方法［Ｊ］．直 升机技术，２００８（１）：２０．２３． ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｗｅｉ，ＳＵＮ Ｚｈｏｎｇｈｍ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｖｏｒｔｅｘ ｔｕｂｅｓ ｄｕｓｔ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ［Ｊ］．Ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００８（１）：２０ ２３． ［１５］付焱晶．直升机发动机进气防护装置研究［Ｄ］．沈阳：东 北大学，２０１１． ＦＵ Ｙａｎｊｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｌｅｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｅｑｕｉｐｍｅｒｉｔ ｏｆ ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ ｅｎｇｉｈｅ［Ｄ］．Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２０ｌ１． ［１６］师蓓蓓．气垫船沙滩环境下进气滤清技术研究［Ｄ】．哈 尔滨：哈尔滨工程大学，２００７． ＳＨＩ Ｂｅｉｂｅｉ．Ａｉｒ ｉｎｔａｋｅ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｎｄ ｂｅａｃｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００７． ［１７】钱付平．不同排尘结构及操作条件旋风分离器分离特 性的研究【Ｄ］．南京：东南大学，２００６． ＱＩＡＮ Ｆｕｐｉｎｇ．Ｓｅｐａｒ￣ｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｙｃｌｏｎｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｕｓｔ ｏｕｔｌｅｔ ｇｅｏｍｅｔｒｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｄ］．Ｎａｎｊｉｎｇ：Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６． 作者简介：汤浩，男，１９７８年出生，博士研究生。主要研究方向为气体 过滤技术。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｌｔａｎｇｈａｏ＠１６３．ｔｏｍ 孙鹏（通信作者），男，１９７９年出生，教授。主要研究方向为发动机气动 热力学。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｕｎｐｅｎｇ－ＫＩＴ＠ｄｌｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
