旋风分离器数值模拟分析与优化设计研究

采用数值模拟的方法分析了旋风分离器各个几何结构尺寸(入口高度、入口宽度、排气管直径、排气管插入深度、排气管外延伸长度、总高、圆柱段高、排尘口直径)对旋风分离器性能的影响;结果表明,随着入口高度与宽度的增大,旋风分离器压降降低,旋风分离器分级效率曲线逐渐变平缓,分离能力逐渐变差,切割粒径d50逐渐增大,入口宽度对压降的影响比入口高度大;排气管直径对旋风分离器压降和切割粒径d50影响均很大,而排气管插入深度、排气管外延伸长度、排尘口直径对旋风分离器性能的影响很小;随着旋风分离器高度(圆柱段或圆锥段)的增大,压降减小,而圆柱段高度的变化对压降的影响程度明显大于圆锥段,切割粒径随着旋风分离器高度的增大而减小,圆锥段高度的变化对旋风分离器分离能力的影响明显强于圆柱段。通过搜集整理文献中的98组实验数据,应用BP神经网络训练出一组能够准确预测旋风分离器几何结构尺寸与无量纲压降(欧拉数Eu)之间复杂的非线性关系的神经网络,结合神经网络的预测结果对一些常见的经验模型、理论模型检测;结果表明,Shepherd-Lapple模型预测的排气管直径Dx、入口宽度b和入口高度aa变化对旋风分离器欧拉数影响趋势一致,但数值大小以及影响程度预测偏低;而Casal-Benet模型在数值大小与变化趋势上均不能正确预测,Iozia模型和Barth模型在预测入口宽度对欧拉数影响上,存在与实际情况不符合的情况,而且在数值上也与BP神经网络预测输出值存在一定偏差;至于MM模型在数值变化趋势预测上最接近于BP网络的输出值。结合神经网络的预测值与MM理论模型,通过响应曲面法拟合出两组关于旋风分离器欧拉数Eu、切割粒径d50的二次多项式,并对二次多项式系数回归分析,得到旋风分离器各个几何结构尺寸对其性能影响的显著性关系;结果表明,对旋风分离器性能影响程度依次为排气管直径、入口宽度、入口高度、总高;入口高度与排气管直径、入口宽度与排气管直径的交互项影响显著,而其余交互项影响不显著。通过统计学软件Design expert8.0中的优化模块对旋风分离器几何尺寸优化设计,得出一组新的旋风分离器结构尺寸分布,并对新尺寸的旋风分离器与Stairmand高效旋风分离器数值模拟对比分析;结果表明,优化后旋风分离器切割粒径d50与Stairmand高效旋风分离器基本相同,但压降值却小于Stairmand旋风分离器,其降低达到38.3%。