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旋转流改变圆管内颗粒浓度场分布的理论分析
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【现代化工论文】摘要 测试了圆管内旋转流的流场分布，在此基础上计算分析了颗粒在旋转流场中的径向运动轨迹，得到流动输运方向上含尘气流深度场分布的改变。给出旋转流对颗粒的预分离基本发生在旋转流入口后3倍管径长度上。
关键词 旋转流 颗粒运动轨迹 浓度场改变
1 前言
固体颗粒进入旋转流场后主要受到惯性离心力和空气阻力的作用，大一些的颗粒被甩向边壁，小一些的颗粒则被流体带向下游。在这个运动过程中，旋转流流场的不同轴向位置上颗粒相的浓度将发生变化。一般认为颗粒进入管道边壁附近的某个区域后，不再发生径向位移，即滞留在了颗粒层里，可以被捕集下来。旋转流场对颗粒的分离作用与旋转流强度有关，也和颗粒尺寸有关。因此，可以通过分析一这粒度分布的颗粒群在给定的旋转流流场中不同轴向位置处的浓度变化来确定颗粒最佳预分离效果的管段长度。
采用涡切向起旋器（如同切向进气旋风分离器的进气涡壳）引入旋转流，参见图1。气流由涡切向进气口进入起旋器产生旋转流，由排出口进入圆管测试段。改变气流在起旋器中旋转通道的长度将延长气流的强制旋转时间，起到助旋作用，有利于含尘气流中颗粒的分离。而对称性的起旋器切向入口可以改善旋转气流的偏心状态。
根据上述思想，设计了3种不同的起旋器，按吸入气流在旋转通道中的旋转角度分为0°、90°、270°，以及具有对称进口的双进口起旋器。
2 颗粒在旋转流场中的运动分析
由于颗粒尺寸dp相对较小，可以将颗粒径向运动看作Stokes运动（Rep≤1.0）有
其中， 。代入得
解得：
式中F、FD分别为颗粒受到惯性离心力、颗粒运动受到的空气阻力，N；Utp、Uzp、Urp分别为颗粒运动切向速度、轴向速度、径向速度，m/s；m颗粒质量，kg；ρp为颗粒真密度，kg/m3；A颗粒投影面积，m2；Urp0颗粒径向速度的初值，m/s。 为颗粒运动的松弛时间，s；μ气体黏性系数，Pa·S。
考虑颗粒沉降时已达到沉降速度，即 。就有
在旋转流场Ut、Ur已知的条件下，就
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