旋风下行速度

学报,1981(4)7郑兆昌.
多自由度系统复模态理论的摄动方法.
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ofMechanical&PrecisionInstrument,Xi′anUniversityofTechnology,Xi′an710048,China)YANMin(Dept.
ofMechanical&Electrical,HebeiInstituteofArchitectural&CivilEngineering,Zhangjiakou075000,China)AbstractInthispaper,theresponseexpressioninfre2quencydomainisobtainedbyanalyzingthesolutionsoffrequencyequationforlineardampedsystemswithmulti2degreesoffreedom,thentheexplicitresponseexpressionintimedomainforfreevibration,duhamelintegrationforforcedvibrationarededucedbyuseofinversefouriertransform.
Thismethodcanalsobeusedforsystemswithunsymmetricalmass,dampingandstiffnessmatri2ces,andthesolutionsareexact.
Keywordsadjoincomplexnumber,basicmodal,re2sponse旋风分离器压力损失及减阻杆的研究王连泽彦启森(清华大学热能系,北京100084)叶龙(西安建筑科技大学环工系,西安710055)1997-11-05收到第1稿,1998-02-12收到修改稿.
摘要本文介绍通过安装旋风分离器减阻杆前后压力损失及分离效率的测定,了解减阻杆对分离器性能的影响.
根据流场测定结果,分析了减阻杆的减阻机理及减阻杆减阻时可保证分离效率的原因.
关键词旋风分离器,减阻杆,流场,速度梯度,压力梯度1引言旋风分离器是机械、建材、冶金、轻工、化工、电力及环保等诸多行业广泛使用的气-固或液-固分离设备.
目前这一设备存在的问题是分离效率较高者流动阻力较大.
有时为避免阻力过高,能耗过大而不得不放弃对分离效率潜力的挖掘.
因此,众多研究者一直致力于研究如何在维持高效的前提下降低分离器阻力,也提出了多种减阻措施,如加装芯管导流叶片、芯管减阻器、减旋器,采用圆柱形固体芯子、长筒型网状芯管、翅片减阻芯及采用无上排气芯管旋风分离器等等.
这些减阻方案,都不同程度地取得了保效减阻的效果.
本文研究发现的旋风分离器减阻杆是安装在旋风分离器内合适方位和半径位置的刚性杆件,其断面形状和尺寸、安装根数和组合方式等根据旋风分离器的结构形式及对分离效率和流动阻力的综合要求确定.
该减阻方案性能不低于已有研究成果,但更具简单性和实用性.
2实验装置与测量方法本文减阻杆性能实验及流场测试所采用的旋风分离器模型为筒体直径D为100mm的XCY型、D为350mm的XCY型、D为340mm的Stairmand高效型及一种D为350mm的短锥体旋风分离器.
由于在各个模型上所反映出的流场变化规律基本相同且所得到的减阻幅度也存在一定的内在规律,所以本文仅列举在D为350mm的XCY型和D为340mm的Stair2mand高效型旋风分离器上得到的实验结果.
实验用减阻杆的断面形状及尺寸如表1所示.
23力学与实践1998年第20卷1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net表1实验用减阻杆的断面形状及尺寸减阻杆上端固定在筒体上顶板或排气芯管上,下端固定在锥体底部或排灰口处.
非全长情况下有时从上端插入,有时从下端插入,本文H1和H2为从下端插入的两种情况.
减阻杆在分离器内的一种典型安装示意如图1所示,其中方位角α和安装半径R计算确定.
图1实验模型的断面划分及减阻杆的安装示意图压力损失通过测量旋风分离器进出口的全压差获得.
首先在5种不同的入口速度下对常规(不加减阻杆)旋风分离器和在其安装减阻杆后进行压力损失测定,然后计算平均减阻幅度.
分离效率的测量采用重量法,实验用粉尘是真密度为2700kg/m3、质量中位径为10114μm的滑石粉,发尘浓度控制在5g/m3左右.
流场测试采用五孔球形探针同时取得三维速度值和压力值,测量断面的选取如图1所示.
每一测量断面分别在0°、90°、180°和270°四个方位测量,每一测量方位上除芯管处1、2、3断面从半径90mm外,其它均从半径10mm开始,每隔15mm布置一测点.
首先得到的是安装减阻杆前后不同方位、不同断面上速度和压力对半径的分布,然后根据需要再进行各种数据处理.
3实验结果311减阻杆尺寸及安装位置与减阻幅度关系以D为350mm的XCY型旋风分离器为实验模型使用C1型减阻杆为例,将其安装在旋风分离器内不同方位和不同半径位置时的减阻幅度见表2和表3.
在该模型上,几种减阻杆减阻幅度的比较见表4.
表2减阻幅度与减阻杆安装方位的关系方位θ(R=90mm)0°90°180°270°常规旋风分离器的阻力系数7144安装C1型减阻杆后的阻力系数5157518551275141减阻幅度(%)2511211429122713表3减阻幅度与减阻杆安装半径位置的关系半径R(mm,θ=180°)170155140125110减阻幅度(%)610817141221132213半径R(mm,θ=180°)958065500减阻幅度(%)29102811221317140表4不同减阻杆的减阻幅度模型(R=90mm,θ=180°)C1C2E12C1减阻幅度(%)2912531219143818从表2可以看到,常规旋风分离器的平均阻力系数为7144,当将一根8mm的刚性杆件安装在180°方位、90mm的半径位置时,其平均阻力系数减小为5127.
因此,此时的减阻幅度为2912%.
表3和表4中减阻幅度的计算,均是基于常规旋风分离器的阻力系数为7144.
表4中,2C1是表示两根减阻杆同时安装的情况.
本文中,两根减阻杆分别安装在180°方位和270°方位,半径位置均为90mm.
分析上列表中数据可以看出,减阻杆的减阻幅度是与其在旋风分离器内的安装位置及其本身的迎风宽度和曲率半径有关的.
对C1型减阻杆安装在XCY型旋风分离器内这种情况,其最佳的安装位置是180°方位,0151D(R=90mm)径向位置.
33第4期王连泽等:旋风分离器压力损失及减阻杆的研究1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net312减阻杆对旋风分离器压力损失和分离效率的综合影响为评价减阻杆的实用性,必须同时考虑压力损失和分离效率的变化情况.
图2为在不同入口速度时D为350mm的XCY型常规旋风分离器及其安装了几种减阻杆后的性能曲线.
就平均值来看,E1型减阻杆在不降低分离器效率的情况下,能减少分离器流动阻力1914%.
C1型减阻杆在减少分离效率013%时,减少流动阻力2912%.
当同时安装两根C1型减阻杆时,减阻幅度为3818%,分离效率仅降低114%.
C2型减阻杆减阻幅度可达5312%,此时降低分离效率418%.
图2安装减阻杆前后旋风分离器性能的比较313减阻杆对速度场的影响减阻杆的安装,导致了旋风分离器内三维速度分布的变化.
由于径向速度本身量值很小,其变化对本文减阻机理的分析意义不大,故此仅分析切向速度和轴向速度的变化情况.
虽然对于切向进口的旋风分离器而言,由于气流的旋转中心与分离器的几何中心不重合而导致流场在切向(各个方位)的分布不同,但这些差别相对安装减阻杆所导致流场的变化可以忽略.
安装减阻杆后,流场在切向分布的差别更大.
另外,流场在筒体和锥体部分的分布也不相同.
尽管如此,考虑到无论是切向还是轴向上的不同位置,减阻杆导致流场在径向上的变化规律基本相同这一点,以全流场平均数据来分析减阻杆对流场的影响是可行的.
因此,为不使本文过于繁琐,仅将切向速度和轴向速度对无因次径向距离r分布的全流场平均结果示于图3.
图3切向速度和轴向速度对无因次径向距离的分布从图3可以看出,安装减阻杆后切向速度在流场的大部分区域量值均有所降低.
但又可注意到,在下行流区域(r≥0167),切向速度的降低远不及上行流区明显(此时由于是切向速度对无因次径向距离分布全流场平均,已使下行流区的差别明显化了).
这里有必要说明,本文流场测定结果得出的内外涡旋交界面在r=0135,该值十分吻合于前人所得结果.
图3中内外涡旋交界面在r=0145,是由于全流场平均时受锥体影响,这并不反映内外涡旋交界面的真实情况.
减阻杆对轴向速度的影响,虽然H1型和H2型不如C1型和E1型明显,但也反映了相同的变化趋势.
可以看到,安装减阻杆后轴向速度上行峰值向中心移动,下行峰值向边壁移动且速度梯度降低.
上述变化幅度基本与减阻幅度成正比,即减阻幅度越大,轴向速度峰值移动越多,速度梯度越小.
这一点很容易理解,因为对像旋风分离器内这样的具有反转流动(回流)的流场,从降低流动阻力方面考虑,最理想的轴向速度分布是线性分布.
在流量一定的情况下,速度梯度的减小,必然导致速度峰值在上行流区内移、下行流区外移.
从而使得在各自的流动区域内,速度从二次分布向一次分布转变,减少了不必要的增大、减小的重复过程.
安装C1型减阻杆后已基本具备了这样的速度分布,因此其在这部分实验所选减阻杆中减阻幅度最大.
从图3还可看到安装减阻杆后,下行流区域变宽.
从图3中还可看出常规旋风分离器中心存在的倒流现象,这进一步证实了前人的实验结果.
314减阻杆对压力场的影响安装减阻杆后压力场的变化十分明显且规律性很43力学与实践1998年第20卷1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net强.
因此,首先仅将某一方位,断面4、断面6、断面8、断面10、断面12、断面14上的静压变化示于图4.
图4静压分布沿轴向的变化从图4可明显看出安装减阻杆后径向上静压梯度的减小,分离器中心部分静压大幅度上升.
另外还可看到,安装减阻杆前后,轴向上下行流区静压几乎不变,但上行流区(主要是中心部分)从逆压梯度变成顺压梯度.
图5为各种情况下全压对无因次半径分布全流场平均结果的比较.
由此可以看出减阻杆平缓了全压压力分布,增大了内部区域特别是分离器中心(湍流核心)的全压,使径向上压力梯度减小.
因为全压代表着流体的可用机械能,全压降低显著的地方就是能耗最大的地方,减阻杆导致全压升高,说明了减阻杆的减阻效果.
但同时又可注意到,在外部区域,减阻杆使全压降低.
这说明在此区域减阻杆使压力损失增大.
图5全压对无因次径向距离的分布4减阻杆减阻机理的分析分析减阻杆对流场的影响可以看出,减阻杆减小压力损失的原因有下述几个方面:(1)由于切向速度峰值减小,使得旋转动能损失降低.
(2)由于切向速度梯度和轴向速度梯度减小,使得湍能产生率降低.
(3)由于切向速度梯度和轴向速度梯度减小,以及径向上静压梯度减小,使得内摩擦阻力降低.
(4)由于轴向上逆压梯度减小,使得压差阻力降低.
那么,减阻杆导致流场变化的原因又是什么呢首先可肯定一点的就是,减阻杆对流场的影响绝非是减阻杆本身对流场的阻挡.
因为就本文流场研究中对流场影响最大的C1型减阻杆来讲,其在D为340mm的Stairmand高效旋风分离器模型的减阻幅度为3710%,但其直径8mm仅占分离器直径的2135%.
如此细的一根杆件,不足以"挡"出如此大的效果,更何况阻挡还要增加流动阻力.
另外,从图5全压分布的变化还知道,减阻杆对内外区域的影响是不同的.
旋风分离器内、外涡旋或者说上、下行流是两种流动状态完全不同的区域.
相对于内部湍流度极高的情况,外部区域的流动要平稳得多.
为什么减阻杆对流动的影响会随流动状态的改变产生本质上的变化为什么一根细细的刚性杆件会产生如此大的效果这些将是值得进一步深入研究的内容.
另外,关于减阻杆在减小压力损失的同时,对分离效率没有影响或影响很小的原因,通过对流场变化的分析可归结为:(1)减阻杆对下行流区的切向速度没有影响或影响很小.
因为从颗粒受力分析及流场特点可知,颗粒能否被分离的关键不是内外涡旋交界面,而是上下行53第4期王连泽等:旋风分离器压力损失及减阻杆的研究1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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net流交界面上的切向速度是否足够大.
尽管常规旋风分离器内外涡旋交界面上的切向速度很大,但交界面外部速度的迅速降低已对颗粒分离失去很大意义.
所以,只要减阻杆对下行流区的切向速度影响不大,则对分离效率的影响也不会大.
(2)减阻杆使下行流区域变宽,这使得颗粒能有更多的机会进入下行流而得到分离.
(3)减阻杆使径向上静压梯度减小,这使得颗粒向外运动的阻力减小,从而增大了颗粒被分离的可能性.
(4)通过各种情况下降流量的测定比较,发现非全长的减阻杆导致了下降流量的增加,这使得含尘空气在分离器内的停留时间增长,从而利于颗粒的分离.
5结论减阻杆减阻机理,是值得进一步深入研究的课题.
相信减阻杆简单的结构,方便的加工安装,明显的效果以及适合于各种类型的旋风分离器会促使其有一天成为旋风分离器的常规部件.
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多晶冰抗压强度的粒径效应彭万巍朱元林张家懿(中国科学院兰州冰川冻土研究所冻土工程国家重点实验室,兰州730000)摘要对平均粒径分别为015mm、1mm、2mm、3mm、4mm和615mm的人造多晶冰在-5℃和6μs-1应变率下进行了单轴抗压强度试验.
试验结果表明,多晶冰的极限抗压强度对粒径变化十分敏感,且与粒径平方根的倒数呈正比例关系,破坏应变随粒径的增大而呈线性减小.
关键词多晶冰,抗压强度,粒径效应冰的单轴抗压强度指标是冰工程中,冰荷载计算的重要参数.
已有的研究表明,粒径是影响冰力学性质的主要因素之一.
因此,在确定冰的压缩强度时,必须首先考虑粒径的影响.
前人在这方面已作了大量工作,在拉伸应力作用下,Michel(1978年)和Cur2rier等(1983年)分别研究了粒径对多晶冰抗拉强度的影响.
Pishvanov(1980年)在恒荷载作用下,对多晶冰蠕变速率的粒径效应也进行了研究.
本研究的63力学与实践1998年第20卷1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.
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