旋转气固多相流分离的数值分析及实验研究

多相流研究广泛涉及许多工业与技术领域，如能源动力、环境保护、石油化工、制冷低温、及航天技术等。旋转气固多相流动的研究是多相流研究的重要分支，在工程技术中有着广泛的应用。例如，现代火力发电的煤粉燃烧器及炉膛空气动力学特性，循环流化床燃烧技术的旋转气固分离装置，城市固体生活垃圾（MSW）的旋流燃烧，烟气脱硫除尘一体化技术，IGCC技术中的气固两相流高温分离等，都是旋转气固多相流动研究的重大课题和关键技术问题。研究与能源和环境相关的旋转气固多相流问题，具有重要的学术价值和工程意义。 目前，在旋转气固多相流的研究中，考虑颗粒在流体中各种受力，包括运动阻力、重力、附加质量力、压强梯度力、Basset力、升力、Magnus力、Saffman力等，同时考虑颗粒间的相互作用、喷水加湿对颗粒间并聚及碰撞和运动特性的影响，进行旋转气固多相流分离的研究还未见报道。并且，对于水膜除尘器的除尘效率还没有一个被大家所公认的计算表达式。探索和弄清旋转气固多相流分离的机理，将充实和推进旋转气固多相流分离的学术研究，也将促进旋转分离技术的创新及应用。 于此，本文针对旋转气固多相流分离机理及其应用问题，首先在建立合理的气粒两相旋流单颗尘粒流动模型的基础上，基于单颗尘粒运动特性分析，首次确定了气粒两相旋流中平衡尘粒粒径、非平衡尘粒之运动特性时间（各方向的有效位移时间）的计算表达式；研究了旋转分离器结构及运行参数对平衡尘粒粒径和非平衡尘粒运动特性时间的影响，得到了分离器内平衡尘粒粒径、非平衡尘粒运动特性时间及尘粒分离效率之间的关系和分离效率计算式（式2.24）。通过深入分析旋流边界层内的流场特性和颗粒受力状况，首次提出了有旋流边界层作用的分离效率计算式（式2.32）。基于此，提出了提高其分离效率的有效途径。 针对加湿促使细微颗粒间的凝并团聚及碰撞，是提高旋转气固多相流分离效率的有效措施，首次开发了有渐扩切向槽的旋流雾化喷嘴（获中国专利No.369736）。建立了该喷嘴内的三维流动数学模型，数值模拟了该旋流喷嘴的流动及结构特性，其理论计算与实验结果相吻合。优化得到的该喷嘴结构参数是合理的，在低压下具有良好的雾化质量。该旋流雾化喷嘴可广泛用于能源动力、环保、化工及建材等领域的燃烧、烟气除尘与脱硫、均匀加湿等过程。 在此基础上，基于其旋转气固多相流复杂的运动特征，结合对象特点，首次同时考虑颗粒在流体中的运动阻力、重力、附加质量力、压强梯度力、Basset力、Magnus力、Saffman力，和颗粒间的碰撞与并聚、喷水加湿对颗粒间并聚及碰撞、颗粒运动特性的影响，并考虑颗粒对气相的作用（传热、传质），构建了描述旋流雾化水膜除尘器内湍流气固多相流的三维时均方程组，模型封闭采用k-(/ RNG 模型。数值模拟了在不同工况下（结构、运行参数等），旋流雾化水膜除尘器内气固两相流场、温度场、尘粒运动特性及分离效率，首次得到了合理的旋流雾化水膜除尘器效率计算关联式（式4.57）；并得到了旋流雾化水膜除尘器优化的结构特征。 实验研究了旋流雾化水膜除尘器的除尘效率及其主要影响因素，并进行了工业试验和应用，实验结果与式（4.57）计算结果吻合较好。数值研究的结果应用于旋流雾化水膜除尘器设计及除尘效率计算是正确的合理的，并且已在旋流雾化水膜除尘器的工业试验和工程应用实践中得到了证实，取得了很大的经济效益和社会效益。 本文的研究结果，较系统地阐明了旋转气固多相流分离的机理，有助于推进旋转气固多相流分离的深入研究，充实和丰富了旋转气固多相流的研究成果，也为相关技术（如气固旋转分离，脱硫除尘一体化，水膜除尘等）的开发与应用提供了重要的理论依据，在能源利用与环境保护领域具有独特的工程应用前景。