非球形颗粒物（PM）在切向进气旋风除尘器中运动的数值模拟

气固旋流分离器中颗粒球形度对分离效率的影响研究，采用雷诺应力模型（RSM）模拟不同密度（700-3320 kg/m³）和球形度（0.5-1.0）的PM₁₀以下颗粒的流动特性，发现球形颗粒形成更稳定的涡核且分离效率更高，非球形颗粒因增加湍流和再卷入导致分离效率下降4.8%，压力损失误差修正达4.5-7.3%。RSM模型在保证流场和颗粒动力学预测精度的同时显著降低计算成本。

Kamel Abdelazim Elshorbagy、Elhussien Abdelmoneam Mohammed、Mohamed G. AbdElKader

埃及亚历山大大学工程学院机械工程系

摘要

本研究利用计算流体动力学（CFD）分析了颗粒球形度对气固旋风分离器空气动力学行为和分离效率的影响，重点关注PM10级别及更小颗粒。采用稳态雷诺应力模型（RSM）来模拟各向异性湍流并捕捉旋风内部的旋流现象。模拟涵盖了颗粒密度范围为700–3320 kg/m³、球形度值在0.5–1.0之间的情况，这些颗粒代表了从轻质有机气溶胶到致密矿物粉尘的不同成分。

结果表明，颗粒球形度显著影响颗粒与流体之间的相互作用。球形颗粒有助于形成更紧密的涡旋核心，并使离心运动更加可预测；而非球形颗粒则会增加湍流和再混合现象。压降主要受流体扰动和颗粒与壁面相互作用的影响，而非单纯由颗粒形状决定。当考虑颗粒形状时，分离效率最多降低了4.8%，尤其是在较高密度和接近球形的颗粒情况下。同时，考虑球形度还能将基于球形假设的压降高估值降低4.5–7.3%。

RSM框架能够一致地预测平均流场和颗粒运动，证明了其在旋风设计中的适用性，并且计算成本较低。通过明确考虑颗粒形状，本研究为优化颗粒物（PM）控制中的旋风性能提供了新的见解，特别是针对PM10阈值内的细颗粒。

引言

由于旋风分离器能够有效处理变化的气体压力、温度和固体负荷，因此在制药、农业、环境保护、电力生产以及水泥和钢铁生产等众多工业领域中不可或缺[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。其简单的设计、低成本和易于维护的特点使其成为连续颗粒分离的理想选择。然而，其性能与颗粒的物理特性（尤其是形状、密度和大小）密切相关。

本研究重点探讨了颗粒球形度（即颗粒与完美球体的偏离程度）对切向入口旋风分离器分离效率和流动状态的影响。如图1所示，旋风内部的旋流会产生一个由高速核心和低速外围区域组成的朗肯涡旋，这种流动结构对于按大小和密度分离颗粒至关重要[7,8]。

旋风分离器中的气固流动可以根据颗粒体积分数和颗粒间间距表现为稀薄、密集或高度密集三种状态，如图2所示[9]。这些状态会影响相间耦合的程度，包括动量、能量，在某些情况下还包括质量耦合[10]。稀薄流动通常需要单向耦合，此时气体影响颗粒运动；随着颗粒浓度的增加，需要双向或四向耦合来考虑颗粒间的碰撞、聚集和堵塞现象[9,11]。

在实际应用中，维持旋风进出口之间的质量平衡对于量化分离效率至关重要。根据固体负荷的不同，旋风分离器可分为稀相系统或密相系统。稀相系统中的颗粒运动通常无碰撞，而密相系统则需要考虑复杂的接触作用[8,9,11]。

旋风分离器内的气体流动还受到湍流特性的控制，这些特性具有强烈的各向异性和非稳态特性。早期的模型（如标准k-ε模型）无法准确捕捉这些复杂性。先进的湍流模型，包括雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS），能够更准确地描述这些现象[12]。其中，RSM是一种计算上可行的方法，仍能捕捉到各向异性湍流行为，适用于旋风流动模拟[9,12,13]。

颗粒大小是影响旋风运行的重要参数。细颗粒（<10 μm）更容易发生湍流扩散和聚集，而较大颗粒由于惯性较大而更容易被分离。作用于颗粒的阻力会随着颗粒形状的不同而显著变化[[14], [15], [16], [17]]。对于非球形颗粒，估算阻力较为复杂。Haider和Levenspiel[18]、Bagheri和Bonadonna[19]以及Ganser[20]等模型通过引入球形度来更准确地估算阻力系数。这些模型基于方程（1–5）定义，比仅基于球形颗粒假设的模型提供了更真实的行为描述。

对于光滑的球形颗粒[15]${}_{}$=α1+α2Re_p+α3Re_p

对于在流体中自由落体的非球形颗粒[18,19]$\frac{}{}$=< />Re_sph1+e2.3288−6.4581φ+2.4486φ2Re_sph0.0964+0.5565φ+73.69Re_sph−5.0748φ

对于在流体中自由落体的非球形颗粒[19,20]$\frac{}{}$=< />Re_pK1K21+0.1118ReK1K20.6567+0.43051+3305Re_pK1K2${}_{}$=d_p3dv+23φ−0.5−2.25dvD${}_{}$=d3dp

非球形颗粒根据其形状（$\phi$）可分为规则形状（如椭球体）和不规则形状，它们会受到流体和旋风壁面方向性影响的力和相互作用[17]。为了模拟这些效应，采用了多种方法，包括多球模型、多面体模型和数学函数，具体方法见表1，这些方法在计算复杂性和真实度方面各有优缺点。

先进的CFD工具（如ANSYS Fluent）已将形状因子纳入阻力计算公式中[21]，从而提高了对不规则颗粒模拟的准确性。El-Emam等人的研究[3,26,22–]使用多面体和多球颗粒模型对类似荷荷巴籽的生物颗粒物进行了分析[3]。尽管这些研究提供了有价值的见解，但受到计算成本高和颗粒尺寸范围较大（>11 mm）的限制。Dang等人[27]研究了入口和出口气流速度对无桶旋风分离器清洁性能的影响，他们使用多球CFD-DEM模型模拟了大豆和秸秆在旋风内的运动以分析分离效率。类似地，Dai等人[28]应用CFD-DEM模型研究了亚麻脱粒材料的分离和清洁过程，进一步探讨了旋风分离器的设计优化。El Ashry等人通过STAR CCM+和RNG以及可实现的k-ε模型，从实验和计算角度研究了球形度对水泥颗粒物处理效果的影响[29], [30], [31]。他们发现球形度会影响关键指标，如切向速度、压降和分离效率。

然而，以往的研究主要集中在稀薄颗粒负荷、有限的颗粒形状范围（0.7–0.9）以及较大颗粒上。很少有研究在不同固体负荷和耦合条件下（单向和双向耦合）对各种球形度的完整流场进行综合分析。本研究采用欧拉-拉格朗日框架和雷诺应力模型（RSM），模拟了PM10尺寸范围内的单一尺寸细颗粒（d_p = 0.1, 1, 10 μm），并考虑了四种不同的球形度值（0.5, 0.7, 0.85, 1.0）。关注PM尺寸颗粒是因为它们作为空气污染物的关键作用，颗粒形状和密度对其空气动力学行为和旋风收集效率有显著影响。两种相的温度保持一致，整个模拟过程中温度保持不变。本研究旨在全面理解非球形颗粒如何影响旋风分离器中的气固流动特性，从而为工业应用和环境保护中的颗粒物控制提供更高效的分离系统设计。

模型部分

旋风分离器中流体流动的建模

旋风分离器中的含颗粒气体流动采用欧拉-拉格朗日方法进行模拟[32]。使用ANSYS Fluent 2024R2进行数值模拟，气体湍流采用雷诺应力模型（RSM）进行建模，该模型能够捕捉复杂的旋流和各向异性流动，在文献中得到了广泛应用[8,15,16,33]。压力耦合求解器的Courant数（CFL）为40，松弛因子分别为0.08（动量）和0.6

模型验证

在相同入口速度条件下，将本研究的旋风模拟结果与Chu等人的数值和实验结果进行了对比[45]，如图8所示，两者吻合良好，证明了所采用建模方法的可靠性。

本文展示了100多个模拟案例的结果。将分析三个独立参数对四个相关结果的影响。

结论

本研究通过数值方法研究了颗粒球形度对旋风分离器中气固流动行为和分离性能的影响。稳态RSM方法有效捕捉了主要的各向异性流动特征，包括平均速度分布、压力梯度和分离模式。虽然瞬态模型具有更高的时间分辨率，但RSM在计算效率和物理真实性方面更具优势

CRediT作者贡献声明

Kamel Abdelazim Elshorbagy：负责撰写、审稿与编辑、项目监督及概念构思。Mohamed G. AbdElKader：负责撰写、审稿与编辑、验证及实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Ibrahim M. Mohamed在CFD方面的宝贵帮助和专业知识，这对本研究起到了重要作用。