基于响应曲面法旋风分离器的自然旋风长

　　自然旋风长对于旋风分离器的运行来说是一个非常关键的参数,会影响分离效率、颗粒的团聚以及器壁的磨损,在很多计算分级效率公式中,都应用了自然旋风长公式.但是通过实验来研究旋风分离器结构尺寸对自然旋风长的影响,费时费力.因此,利用计算流体力学(CFD)研究旋风分离器内部流场已经相当普遍,CFD计算和实验比较,明显的优点在于可以较方便地改变流动和结构参数并获得比较准确的结果.本文利用CFD作为工具来研究结构尺寸和自然旋风长的关系.由于影响自然旋风长因素较多,如果不对此进行优化设计,其工作量也是相当大的.响应曲面法(response sur2facemethodology)[1 2]可以克服正交实验方法中的不足.因此本文应用响应曲面法对计算次数进行设计,在此基础上得出一个能预测旋风分离器自然旋风长的模型,该模型有助于优化旋风分离器的结构设计.

　　1　自然旋风长

　　在旋风分离器中,外涡流在距离芯管一定轴向位置处逐渐减弱并改变方向,这个轴向距离的大小称为旋风分离器的自然旋风长,轴向位置称为尾涡.文献[3]提出

　　式中,l为自然旋风长;D为旋风分离器筒体直径;De为排气芯管直径;a为入口高度;b为入口宽度.文献[3 5]将自然旋风长的影响因素仅仅归结为D,De,a和b,而事实上,入口风速、芯管插入深度以及筒体高度也会不同程度地影响自然旋风长.本文将对此作进一步研究.

　　文献[5]在对圆筒形旋风管所作的加尘实验表明,在直筒形旋风管的下部存在着一个灰环,其轴向宽度约为D /4.这种现象与Alexander[3]的实验观察基本一致.经流场测定,在灰环所在径向截面上的最大切向速度值只有芯管下口截面处的12%,即切向速度最大值沿轴向衰减了88%.同时灰环截面处切向速度分布巳趋平坦,轴向速度值也衰减了90%以上.因此,将最大切向速度沿轴向衰减了88%的截面(尾涡的位置)与排气芯管下口截面之间的距离定义为自然旋风长.本文即采用该方法确定自然旋风长.

　　2　模型建立

　　2·1　响应曲面设计

　　首先根据实际选择响应曲面方程,然后根据最小二乘法估计相应的系数,就可得到最初的响应曲面方程.然后根据显著性检验值的大小,可以分析方程中对目标函数产生显著影响的因素.根据上述原理,首先考虑选择响应曲面方程的形式.本文选择二次响应曲面方程,并考虑所有的一次项、二次项和两两交叉项.响应曲面方程可表示为

　　式中,Y为目标函数或称响应;Xi为自变量;βi,βi，βij代表一次、二次、交互作用项的回归系数;k为影响因素的数量;e为误差,有2个误差源,即实验误差和拟合不足误差,后者包括高阶项和交互项.一般认为旋风分离器自然旋风长主要受如下几个因素的影响,即a /D,b /D,De/D, (h -S ) /D,lnRe(Re的对数),ρp/ρg以及Stk50等.其中,Re =本文仅考虑前5个变量,即仅对旋风分离器的气相流场进行研究.一种估计方程中各参数的方法是研究在3个不同水平下所有因素的响应特性.这种全部析因设计将需35=243种不同的CFD模拟.从时间和资源角度考虑,全部析因设计是不可取的.本文所采用的五因素三水平的面中心的中心复合设计仅需43次CFD模拟,比三水平的全部析因设计数量大大减小.