气态悬浮焙烧炉一级旋风预热器的数值模拟与优化研究

• 作 者: 张忠霞
• 机 构: 中南大学
• 出 处: 中南大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 数值模拟 两相流 气态悬浮焙烧炉 旋风预热器

本文利用计算流体动力学软件FLUENT6.3对气态悬浮焙烧炉中一级旋风预热器内气-固两相流动进行数值模拟与优化研究。针对一级旋风预热器结构的非对称特性和流场的三维强旋流特性，利用六面体结构化网格离散求解区域，选用雷诺应力湍流模型模拟气相流动，采用颗粒随机轨道模型模拟颗粒相流动，选用单向耦合方式处理气-固两相的耦合。本论文主要完成了以下工作：
对气态悬浮焙烧炉进行热平衡测试，获得焙烧系统的各项热工参数，为数值模拟计算提供计算依据。选取经典的高效型切流式旋风分离器作为验证模型，对数值模拟方法的可靠性进行验证。
对一级旋风预热器的气相流动进行三维数值模拟研究，发现静压沿径向由外向内逐渐降低，且在中心轴线附近最低，沿轴向自上向下降低较小。对速度场中占主导地位的切向速度进行研究，发现在一级旋风预热器壁面和旋转轴心位置，切向速度等于零，切向速度分布呈现典型的兰金组合涡分布。在气流入口位置，切向速度的加速并不明显，经过蜗壳的收缩才加速至峰值，进入下部柱体段后，切向速度有所降低。
对一级旋风预热器的颗粒相流动进行三维数值模拟研究，发现数值计算得到的分离效率与热平衡测试计算得到的分离效率比较吻合。模拟粒径在1μm～120μm范围内颗粒的分级效率，得到切割粒径d50为21.4μm，临界粒径d100为71.7μm。对大量不同粒径颗粒的运动轨迹进行追踪，发现小粒径颗粒的运动带有很大的随机性，而大粒径颗粒进入一级旋风预热器后一般能很快贴壁旋转向下被捕获，并且颗粒从不同区域入射时的运动轨迹有较大的差别。
分析操作参数和结构参数对一级旋风预热器压降和分离性能的影响，得到一级旋风预热器的优化设计方案：气流入口速度约为13m/s，升气管的插入深度约为2450mm，升气管直径约为2500mm，下部柱体段高度约为2900mm。本文的研究成果为一级旋风预热器的生产运行和优化设计提供了参考。