Analysis of the numerical modelling of turbulence in the conical reverse-flow cyclone

Abstract

The paper describes the numerical modelling of the swirling fluid flow in the Stairmand cyclone (conical reverse-flow – CRF) with tangential inlet (equipment for separating solid particles from the gaseous fluid flow). A review of experimental and theoretical papers is conducted introducing three-dimen­sional differential equations for transfer processes. The numerical modelling of the Stairmand cyclone the height of which is 0.75 m, diameter – 0.17 m, the height of a cylindrical part – 0.290 m, a conical part – 0,39 m and an inlet area is 0,085×0,032 m is presented. When governing three-dimensional fluid flow, transfer equations Navje-Stokes and Reynolds are solved using the finite volume method in a body-fitted co-ordinate system using standard k– e and RNG k– e model of turbulence. Modelling is realised for inlet velocity 4.64, 9.0 and 14.8 m/s (flow rate was 0.0112, 0.0245 and 0.0388 m³/s). The results obtained from the numerical tests have demonstrated that the RNG k– e model of turbulence yields a reasonably good prediction for highly swirling flows in cyclones: the presented numerical results (tangential and radial velocity profiles) are compared with numerical and experimental data obtained by other authors. The mean relative error of ± 7,5% is found.

Article in Lithuanian.

Dujų turbulencijos ciklone modeliavimas

Santrauka. Nagrinėjama dujų aerodinamika Stairmando ciklone (kūginis grįžtamojo srauto (KGS) ciklonas – įrenginys kietosioms dalelėms atskirti iš oro srauto) spendžiant tangentinio srauto įtekėjimo skaitinio modeliavimo problemą. Apžvelgti eksperimentiniai ir teoriniai darbai ciklonuose, kuriuose susidaro ypač sudėtingas sūkurinis srautas. Pateiktos trimatės pernašos diferencialinės lygtys nespūdžiajam turbulentiniam srautui ciklono viduje, kurios skaitiškai išspręstos baigtinių tūrių metodu taikant standartinį k–ε ir RNG k–ε turbulencijos modelius. Atliktas skaitinis oro srauto judėjimo modeliavimas Stairmando ciklone, kurio aukštis yra 0,75 m, skersmuo − 0,17 m, cilindrinės dalies aukštis − 0,29 m, kūginės − 0,39 m, įtekėjimo angos plotas – 0,085×0,032 m2 . Oro srauto judėjimo ciklone matematinį modelį sudaro Navjė ir Stokso (Reinoldso) trimačių diferencialinių lygčių sistema. Modeliavimo rezultatai – tangentinio ir ašinio greičio profiliai ciklone taikant RNG k–ε turbulencijos modelį, kai įtekėjimo greitis 4,64 ir 14,8 m/s, o debitas – atitinkamai 0,0112 ir 0,0388 m3 /s gerai sutapo su kitų autorių eksperimentiniais ir teoriniais rezultatais. Vidutinė santykinė paklaida − ±7,5 proc.

Reikšminiai žodžiai: ciklonas, kietosios dalelės, skaitinis modeliavimas, turbulentumas, vienfazis srautas.

Keyword : Cyclone, solid particles, numerical modelling, turbulence, one-phase flow