旋风分离器是用于气固分离的工业设备,广泛地应用于石油炼化、化工装备、环境保护、燃煤发电和金属冶炼等行业。虽然其外形简单,内部无运动部件,但内部流体旋转流动具有不稳定性,会影响流场分布。流场的分布决定着分离性能的优劣,因此研究旋转流体的不稳定性有利于提高分离性能。目前,人们对旋风分离器内的流场进行了大量的研究,对分离器内的时均流场有了一定的认识,这在分离器的应用中起到了重要的作用。但有关旋流的不稳定性报道较少,对旋风分离器内涡流缺乏全面、深入的分析和了解。此外,进行流场的分析时,大多利用切向速度来推测涡的结构,针对分离器内部流场空间中涡的运动形态及如何发展,并不明确。本文通过数值模拟和实验验证相结合的方法研究旋风分离器内旋流的不稳定特性。具体研究成果如下:(1)采用动态热线分析仪(DHWA)测量D140旋风分离器内单气相流场的流动特性,从瞬态流场和动态特性两方面进行分析,运用傅里叶变换(FFT)方法对z=-300mm和z=-900mm两个截面的实验数据进行频谱分析。实验数据表明,在z=-300mm截面径向方向上,主频基本在49.50Hz附近,变化不大;在z=-900mm截面上,r=0-40mm区间内主频为40.79Hz,而在r=40-70mm区间内主频为49.50Hz。此外,对主频过渡区域(r=37-46mm)进行频谱分析,测量点出现了集中分布的两个主频,即“双主频”现象,值得注意的是第二个主频并不是第一个主频的倍频。(2)在实验分析的基础上,运用数值模拟方法研究旋风分离器内的流动特性、湍流脉动结构及湍流强度的分布规律,利用FFT方法获得了瞬时切向速度对应的频谱图。结果表明,数值模拟结果与实验数据吻合较好。切向速度的分布呈现明显的非轴对称性,各个截面的涡核中心偏离几何中心的情况并不一致,但并不是随着旋风分离器高度的增加呈现线性变化,而是具有一定的波动性;在排气管入口附近位置,涡核运动速度快,活动区域比较集中。通过幅值、RMS和TSI等分析,发现运动流体从入口段进入旋风分离器,在轴向上不稳定性逐渐增大,达到一定程度后,不稳定性逐渐变小,直至较为平稳。(3)通过分析所有监测点的主频分布,发现旋风分离器内部主频既不是单一主频分布,也不是逐渐递减的主频分布,而是具有三个明确的主频分布值,分别为49.5Hz、36.5Hz和8.5Hz。随着流体的旋进,流动也从由一个集中主频主导的单涡运动逐渐发展为两个集中频率主导的双涡运动,能量从具有较高频率的涡(其振幅逐渐降低)向频率较低的涡(其振幅逐渐增大)传递。在此过程中,涡的运动频率具有“自保持性”,具体表现为涡的运动频率基本保持不变,直至这个涡消失,能量耗散完毕。因此,涡的运动频率在整体空间上,呈现出量子分布特征。同时,分析了操作参数和几何参数对旋流不稳定性的影响。结果表明,在外界条件一定时,筒体长度对第一运动主频没有影响;旋风分离器内部“双主频”现象以及双涡运动的产生,需要一定的外在条件,如筒体长度达到一定数值。在不同入口速度条件下,旋风分离器内涡的运动频率随着入口气速在变化,并随着入口速度的增大而增加,呈现近乎线性的增长;旋风分离器内第一分界与第二分界位置几乎无变化,说明涡的发展与分裂和入口气速关联不大。涡运动在内旋流区域发生了变化,而在外旋流区域稳定发展,因湍流扩散作用,变化会‘蔓延’至外旋流,最终导致整个流场发生变化。(4)旋流的不稳定是运动流体的表观特征,而内部本质特征则为涡的运动。引入Q涡判据识别涡的结构,并由此做出三维涡等值面,使涡的运动形态更加形象和具体;从涡的角度分析流场分布和旋风分离器内部能量变化过程,通过涡等值面、涡线、涡量、涡核中心等参数分析涡的运动,提高对内部空间涡的认识。此外,适宜的几何结构和操作条件有利于提高涡结构的平衡,增强旋流的稳定性,提高分离效率。