旋风分离器是广泛应用于工业气(液)固分离领域的重要设备之一。虽然旋风分离器的工作原理简单,但其内部流动却极为复杂,流场中除主要涡旋外,还存在着若干次级流动,其中尤以短路流对分离性能影响最大。短路流存在于旋风分离器的溢流管末端附近,其较高的向心速度会使得旋风分离器内的一部分气流未通过下部的分离空间而直接进入溢流管,然后上升气流会携带这些气流进溢流管排出,离开旋风分离器。理论上,短路流能够导致至少百分之十的入口气流沿旋风分离器内溢流管外侧向下流动后,直接从溢流管中逃逸,这不仅会降低旋风分离器的分离效率,还会造成不必要的能量耗散,致使工业成本升高。为了进一步提高旋风分离器的工业性能,需要透彻研究短路流形成机理与特征。关于短路流的产生,绝大多数学者认为是普通旋风分离器入口不对称造成的。单入口构型使得旋风分离器内环形空间的流场呈现非轴对称性,溢流管下端的径向速度略大于同一截面的其余位置,导致经由此处的气流易于从溢流管逸出,形成短路现象(非对称假说)。然而,也有学者认为旋风分离器入口气流汇入主流之前会和分离器内部的旋转流发生碰撞。这种碰撞不可避免地会在筒壁附近产生局部涡流,最终导致短路流的发生(碰撞假说)。目前,这两种短路流的形成机理都只是猜测,尚缺乏理论支撑与验证。本论文选择普通Lapple型旋风分离器,通过数值模拟手段探究短路流的形成机理与特征,并进行质量流占比计算,明确短路流造成的效率损失,以期完善旋风分离器的理论研究,并为其优化改进提供理论支撑。数值模拟研究中,首先选择雷诺应力模型(RSM)模拟Lapple型旋风分离器内气相流场特征,如:静压、切向速度、轴向速度、径向速度、湍流强度以及能量耗散分布,分析短路流的形成区域与特征,并计算其质量流占比。然后,通过进一步总结短路流的流动特征,揭示短路流的形成机理。同时,针对短路流形成原因的两种假说——非对称假说和碰撞假说,分别设计对应的旋风分离器结构,如:非对称假说认为旋风分离器单入口结构造成了流场不对称,从而形成短路流,于是采用对称双入口旋风分离器,模拟并分析其内部短路流的特征。而碰撞假说则认为气流碰撞造成了短路流,故采用完全消除入口气流碰撞的斜顶式旋风分离器,模拟并分析其内部短路流的特征。随后,将两种旋风分离器的短路流的特征与Lapple型旋风分离器进行对比,以验证本论文提出的短路流形成机理。最后,基于短路流的流动特征和形成机理,研究构型优化后的套环式、蜗壳式和二次风旋风分离器对短路流的削减效应。本论文的主要研究结论如下:1.旋风分离器内短路流的特征分析结果表明,径向向心速度对短路流的形成产生较大影响。短路流存在于溢流管下端由较大的径向向心速度构成的圆环带区域内。本论文中旋风分离器的短路流的高度范围是-0.14 m~-0.17 m。2.短路流流量占比分析表明,径向离心速度和向心速度的分界线可以用来确定短路流区域的速度分布范围。本论文中旋风分离器的短路流区域的径向速度分布范围是-2.3 m/s~-5.6 m/s。根据短路流区域的大小和速度进行计算可知,短路流流量占比是21.72%。3.短路流的流动特征和形成机理分析结果表明,进入旋风分离器内的气流,在经过气流碰撞后获得向下的轴向速度,使其沿溢流管外壁形成下行流,并在溢流管下端产生短路流,即气流碰撞是短路流的形成原因。同时,双入口旋风分离器的对称结构并没有减少或者破坏短路流,反而其短路流流量占比(25.33%)大于Lapple型旋风分离器(21.72%),而斜顶式旋风分离器的溢流管下端并不存在由径向向心速度组成的短路流区域,进一步验证了气流碰撞是形成短路流的主要原因。4.旋风分离器结构优化对短路流的削减效应分析表明,套环式旋风分离器并没有削减或破坏短路流,反而导致短路流流量占比增大,整体分离效率降低;蜗壳式入口使气流更易于汇入旋风筒内已经存在的旋转气流中,气流碰撞明显减少,短路流流量占比降低,分离效率增大;二次风旋风分离器通过引入高速新风对碰撞气流造成冲击,从而破坏了短路流的形成,溢流管下端不存在完整的径向向心速度组成的圆环,分离效率增大。总体而言,旋风分离器内的短路流的形成主要由气流碰撞导致。径向向心速度组成的圆环带可以用于分析短路流的形貌以及计算短路流的流量占比,随着旋风分离器几何构型的改变,该区域形貌会产生一定变化,流量占比也随之改变,比如双入口旋风分离器新增一个反向入口,会导致溢流管另一侧的气流碰撞增加,圆环带变得对称,短路流流量占比增大。同时,套环式、蜗壳式和二次风旋风分离器的短路流分析证明破坏短路流的存在区域和形貌并不能削减或者破坏短路流,反而根据短路流的形成机理,削弱或者冲击碰撞气流可以减少短路流。本论文通过阐明旋风分离器内短路流的流动特征与形成机理,并对旋风分离器的构型进行改良,从而削减或破坏短路流,以提高其分离性能,减少细颗粒物的排放,为旋风分离器的优化设计提供理论基础。