中文摘要：

气固两相旋流是工业领域用来实现气、固分离的主要或唯一手段，也是多相流研究的重要内容。以往旋流分离的研究针对的都是球形颗粒，忽视了非球形颗粒的特殊性，这也给旋流分离设备的研究和应用带来了不少问题。本课题以气固旋风分离器为例，重点就非球形颗粒的运动和分离特征开展研究，内容包括⑴采用激光测速仪和高温智能探针，测量常温和高温旋风分离器流场，并辅以数值模拟，确定旋流场的相似准则。⑵数值模拟典型非球形颗粒在旋流场内的运动和迁移规律，揭示其分离特征。⑶建立旋流边界层内气流和颗粒运动方程、颗粒与器壁作用模型，双向耦合数值求解边界层内颗粒和气流的运动规律，并将边界层与旋流场相耦合，考察边界层对旋流场的影响规律。⑷测量并归纳非球形颗粒分离性能的变化规律，并通过综合分析，建立新的分离模型。上述内容密切关联，其成果不仅可填补非球形颗粒气固两相旋流分离研究的空白，而且可形成新的旋流分离理论和设计方法。

结论摘要：

气固两相旋流是工业生产实现气、固分离的常用方法。以往对气固旋流分离的研究主要针对球形颗粒，忽视了非球形颗粒，同时对旋流场相似性、串并联分离器的匹配规律也较为欠缺。项目首先就非球形颗粒形貌与分离性能的关系，非球形颗粒沉降规律和分离机理开展研究，实验表明非球形颗粒旋风分离具有特殊性。与球粒相比，它的压降更低，且分离效率也偏低。压降减小的原因是非球形颗粒形成的灰层与器壁的摩擦损失较大，旋流强度削弱，动能耗散减小。旋流的削弱也减小了分离驱动力，且非球形颗粒的绕流阻力更大，因此分离效率更低。数值模拟还指出，可采用球形度描述非球形颗粒的绕流和分离特征，并且分离效率对颗粒入射角度不敏感，非球形颗粒在分离过程中始终处于绕流阻力系数最大的状态。结合上述结果，并引入球形度和粉体休止角描述颗粒绕流特性和边壁灰层的摩擦特性，建立了适合球形与非球形颗粒的新四区分离模型（NFM），模型的预测值与实验值相吻合。其次，研究了旋流场的相似性和分离模化问题。结果表明，旋风分离器流场相似和自模化是有条件的，可将Fr数与Re数的开方组合作为相似判据。对几何相似的旋风分离器，若它们的组合准数相同，则流场相似；反之流场就不相似。基于对非球形颗粒分离过程的相似分析，导出了六个定性准数，并通过相似实验，建立了相似准数的函数关系，为旋风分离器的设计应用提供了便捷途径。第三，运用新四区分离模型，设计了油页岩颗粒新型“1+2”两级分离器。冷态和工业实验证明，它可使颗粒带出率减少40%~70%，可满足生产需要。第四，系统考察了并联分离器的性能和流场，发现由相同分离元件对称排列组成的并联分离器，其效率高于单分离器，并随气速增大而持续升高，不存在“驼峰”现象。主要原因是分离元件在公共灰斗中形成的对称涡系具有“自稳定性”，它有效控制了涡核摆动，降低了返混夹带。最后，基于对非球形颗粒分离特殊性以及制约旋风分离性能提升共性原因的分析，提出了四条改进思路，包括降低径向气速；延长气体停留时间；改善流场对称性；提高排尘段旋流稳定性。据此设计了A型和B型两种结构独特的旋风分离器。实验表明，A型、B型分离器的效率变化都比基准型平缓，操作弹性更宽。更突出的是，A型和B型的压降分别比基准型的降低21.9%、34.3%，综合性能处于领先水平。这两种型式（尤其是B型）可望成为下一代主流旋风分离器。