旋風分離器內氣相旋轉流不穩(wěn)定性的實驗研究

旋風分離器內氣相流場是一個復雜的三維旋轉流流場[1-3]。切向速度的分布表明流場是內外雙旋渦的Rankine結構[4-5]。這種旋轉流固有旋轉的不穩(wěn)定，表現(xiàn)為流場的瞬時速度隨時間的脈動變化，這是旋轉流的偏心擺動造成的，即旋轉流旋轉中心圍繞著旋風分離器幾何中心的偏心旋轉[6-10]。以往的實驗測量[11-15]和數值模擬[16-21]均已表明這種旋轉流存在的擺動特性，歸結為旋風分離器非對稱的入口結構，或旋進渦核（precessing vortex core，PVC）的不穩(wěn)定性，并給出擺動頻率的計算式f=StVi/D[2,5,22]，擺動頻率與操作參數中的入口氣速成正比[15]，與旋風分離器的直徑成反比，但這個擺動頻率計算式沒有考慮旋風分離器排氣管的影響。旋風分離器的排氣管直徑對流場有重要影響[23-29]。不同排氣管直徑會影響到瞬時切向速度的脈動特性，進而對擺動頻率有重要作用，所以有必要考慮排氣管參數對擺動頻率的影響，改進擺動頻率的計算式?？紤]到旋風分離器旋流的不穩(wěn)定特性難以用時均流場進行描述，需要用動態(tài)流場參數描述，本文采用熱線風速儀（hot wire anemometry，HWA）測量?300 mm旋風分離器內瞬時切向速度隨時間的變化，從時域和頻域兩個方面進行流場的動態(tài)特性分析，探討旋轉流擺動形成的機制，建立旋轉流的擺動頻率與排氣管尺寸的關系，給出新的擺動頻率計算模型。

實驗裝置由實驗系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成，見圖1。實驗系統(tǒng)的旋風分離器為直徑?300 mm的PV型旋風分離器，主要尺寸見圖1，主要改變排氣管直徑dr，分別為90、110、150 mm。為保證旋風分離器進氣平穩(wěn)，實驗采用吸風負壓操作，通過離心風機由旋風分離器的入口吸入常溫氣體，在旋風分離器內形成旋轉流，經過排氣管排出。采用皮托管和閘閥對氣體流量進行測量和調節(jié)。

測量系統(tǒng)是美國TSI公司的IFA 300(TSI Inc., Seattle, WA, USA)熱線/熱膜風速儀，主要測量瞬時切向速度。測量孔軸向位置為z=370、580 mm截面，周向位置為0°（以入口方位為0°）。測量過程中將探針穿過器壁的測量孔，插入旋風分離器內，實時測量不同徑向位置的瞬時切線速度。設定采樣頻率1000 Hz，采樣時間8 s，即每個測點取8000個數據。旋風分離器的入口氣速Vi=6.8 m/s。

圖2為旋風分離器（dr=110 mm）內2個測量截面z=370、580 mm，不同徑向位置的瞬時切向速度，截取采樣時間8 s中3~4 s時間段的數據繪制曲線。瞬時切向速度存在著明顯的脈動變化，脈動的幅度在壁面附近較小，隨著徑向位置向幾何中心移動脈動幅度增大，特別是在中心區(qū)域附近呈現(xiàn)出一定的低頻準周期波動特征。例如，在z=370 mm截面靠近壁面r/R=0.92測點，瞬時切向速度脈動范圍<4 m/s，主要是不規(guī)則的高頻脈動，反映了湍流脈動的基本特性；當測點在r/R=0.12時，脈動范圍增大到約12 m/s，并表現(xiàn)出低頻高幅值的特點。

改變旋風分離器的排氣管直徑（dr=90、150 mm），在z=370 mm截面測量的瞬時切向速度結果見圖3。與圖2的瞬時速度曲線相似，瞬時切向速度同樣存在著明顯的脈動變化，在中心區(qū)域低頻波動特征明顯。

將圖2中的瞬時切向速度數據進行時均化處理，得到旋風分離器（dr=110 mm）軸向2個截面（z=370、580 mm）的時均切向速度Vˉt，其分布曲線見圖4。時均切向速度分布符合Rankine渦結構，內部是剛性渦，無量綱切向速度（Vˉt/Vi）沿徑向向外線性增大；外部是準自由渦，Vˉt/Vi沿徑向向外減小。準自由渦和剛性渦的界面約為r/R=0.2，小于排氣管直徑（dr/D=0.37，dr=110 mm）。由于旋風分離器采用筒體和錐體組合結構，錐體對旋轉流有增強作用，z=580 mm處切向速度的衰減比較小。類似將圖3中的瞬時切向速度數據進行時均化處理給出旋風分離器dr=90、150 mm，截面z=370 mm的時均切向速度分布，見圖4，表明排氣管直徑對切向速度的分布有直接影響。在入口速度不變的條件下，旋風分離器的切向速度隨著排氣管直徑減小而增大，而準自由渦和剛性渦分界面的徑向位置也隨之減小。

瞬時切向速度的脈動說明旋轉流存在不穩(wěn)定性，表現(xiàn)為旋轉流旋轉中心圍繞著旋風分離器幾何中心的偏心旋轉，旋轉中心的移動軌跡是不規(guī)則的，有很大的隨機性，而且不同軸向位置的偏心距離也不同。對于固定點的速度測量方法，這種偏心旋轉導致不同時刻的瞬時切向速度不同。如圖5所示，假設旋轉中心沿著過中心的線從O′移動到O再到O″，給出了連續(xù)3個不同時刻旋風分離器一側的瞬時切向速度分布。曲線1、2和3分別對應3個時刻的切向速度分布，其中曲線2為旋轉流的旋轉中心與旋風分離器幾何中心重合的情況。設固定位置A點處于剛性渦區(qū)，這種旋轉中心的移動引起了徑向固定位置A點的切向速度發(fā)生隨時間的脈動變化ΔVt，見圖中右側的曲線。在曲線1和曲線3對應的兩個時刻之間，可以用圖5中曲線1和曲線3與曲線2之間高度差來描述切向速度的脈動值ΔVt，其中ΔVt′是高于平均值Vˉt的脈動部分，ΔVt″是低于平均值Vˉt的脈動部分，脈動值與偏心距OO′成正比。由于旋風分離器的切向速度的Rankine渦分布特征，固定位置B點處于準自由渦區(qū)，切向速度的脈動變化ΔVt比較小，因此旋轉流的擺動對中心區(qū)域的剛性渦區(qū)影響較大，對準自由渦區(qū)影響較小。

由于旋風分離器的流體是由外部的準自由渦流向內部的剛性渦的，旋轉不穩(wěn)定性的擺動是中心區(qū)域的剛性渦產生的，即瞬時切向速度的脈動是剛性渦的不穩(wěn)定擺動產生的，并向準自由渦傳遞，但對上游的準自由渦的擺動影響有限，脈動幅值具有明顯的徑向衰減特征。雖然不同時刻不同徑向位置的瞬時切向速度的脈動存在差異，但徑向固定位置A、B點脈動的頻率是相同的。當旋轉流中心從O′→O→O″時，A線上瞬時切向速度從曲線1→2→3是單升的，B線上的瞬時切向速度從曲線1→2→3是單降的，然而在圖中的陰影區(qū)域，徑向固定位置C點處于剛性渦與準自由渦的交匯區(qū)域，瞬時切向速度從曲線1→2是單升，2→3是單降的，這個區(qū)域的脈動頻率相對其他區(qū)域多一倍。

對圖2的旋風分離器內瞬時切向速度的時間序列數據用FFT(fast Fourier transform)進行頻譜分析，得到瞬時切向速度的功率譜密度（power spectral density, PSD）分布，見圖6。每個測量點的頻譜圖上均有一個約為20 Hz的主頻，沿徑向方向基本沒有明顯變化。但主頻PSD幅值從中心區(qū)域到壁面有很大的衰減變化，進一步說明旋轉流的不穩(wěn)定擺動來自剛性渦，傳遞給外部的準自由渦。對圖3的r/R=0.12測點的瞬時切向速度的頻譜的分析結果見圖7。排氣管直徑dr=90 mm頻譜圖上有一個22 Hz的主頻，主頻PSD幅值較大，而排氣管直徑dr=150 mm頻譜圖上有一個17 Hz的主頻，主頻PSD幅值較小。因此，排氣管對旋轉流的不穩(wěn)定擺動有重要影響，如同排氣管直徑對時均流場的作用一樣，排氣管直徑變化影響到瞬時速度的脈動特性。排氣管直徑越小，擺動主頻越大，主頻PSD幅值越大。

旋風分離器內旋轉流的不穩(wěn)定性是旋轉的動力效應和器壁彎曲的曲率效應的綜合結果。旋風分離器的氣流旋轉來源于入口氣流的動量矩變化?；趧恿烤厥睾阍?em style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px;">Vt×r=const，隨著氣流徑向向內旋轉，切向速度逐漸增加，因此徑向速度在切向速度的加速過程中有直接作用。在圓周橫截面上徑向r線上[圖8（a）]，流線2的徑向速度大于流線1的徑向速度，因此流線2的切向速度大于流線1的切向速度。由于氣流是由外部準自由渦流向內部剛性渦的，徑向速度沿圓周分布是不均勻的，造成了切向速度分布沿圓周也是不均勻的，由此導致了旋轉流的擺動。當存在偏心擺動時[圖8（b）]，切向速度是不對稱的，偏心側的切向速度高于非偏心側，靜壓力P也是非對稱的。這種流型形成了旋轉動能和壓力勢能的交換，表現(xiàn)為旋轉流的偏心擺動。此外，對于旋風分離器三維空間的旋流，徑向速度和軸向速度滿足連續(xù)性方程，下行的軸向速度沿圓周也是不均勻分布的，也會影響到徑向速度的均勻分布，尤其是切向進氣的旋風分離器使得軸向速度沿圓周的分布不均勻性增大。這些因素使旋轉流的旋轉中心相對于旋轉空間的幾何中心有一定偏離，兩個中心是不重合的，即旋轉流在自轉的同時圍繞幾何中心做偏心擺動。

Strouhal數St常用于表征旋轉流動的振蕩特性，也被用于旋風分離器的擺動主頻分析，St可表示為：

式中，Vi代表入口速度；D是旋風分離器直徑；f是擺動主頻。St在較高Reynold數下為定值。根據式（1），旋轉流的擺動主頻f與旋風分離器直徑D成反比。由不同升氣管直徑的旋風分離器內測量的瞬時切向速度實驗數據得到頻率，應用式（1）計算得到St分別為0.97、0.88和0.75，這與Strouhal數在較高Reynolds數下為定值是不一致的，因為沒有考慮旋風分離器排氣管的影響，是不完備的。圖5和圖6表明不同排氣管直徑對擺動頻率有重要作用。為此，將式（1）改進為：

用式（2）計算擺動頻率，St=0.53，與實驗測量結果進行頻譜分析得到的主頻吻合一致，見圖9。

（1）采用熱線風速儀測量了?300 mm旋風分離器內瞬時切向速度隨時間的變化。瞬時切向速度是由氣體湍流形成的高頻脈動和旋轉流偏心擺動形成的低頻脈動兩部分疊加構成。瞬時切向速度的低頻脈動來源于剛性渦的偏心擺動，導致流場的瞬時速度隨時間發(fā)生脈動變化。

（2）分析瞬時切向速度的脈動特征與旋轉流擺動的關系，由于旋風分離器的切向速度的Rankine渦分布特征，旋轉流的擺動對中心區(qū)域的剛性渦區(qū)影響較大，對準自由渦區(qū)影響較小。

（3）瞬時切向速度的頻域分析表明旋風分離器內瞬時切向速度脈動存在主頻，這個主頻是由于旋轉流擺動引起的。通過瞬時切向速度頻域分析建立了旋轉流的擺動頻率與入口速度、筒體直徑和排氣管直徑的計算模型f=StViDdr。