本研究採用45 mm之水旋風分離器，在不同幾何結構的溢流管情形下，分別進行實驗與模擬分析，實驗方面探討不同的進口壓力與分流比對澄清效果的影響，分析粒徑分佈與分級效率。模擬方面以多相流VOF模式與紊流LES模式，模擬空氣柱並分析其流場，並以DPM模式作粒子軌跡的追蹤，將模擬結果對照實驗結果，分析不同結構溢流管的優劣。
    實驗結果顯示，在各種不同壓力下，以小直管與收縮管型式的溢流管在水旋風分離器的澄清效果較好，顯然溢流管管徑越小澄清效果越好，同溢流管中，分流比越大澄清效果越好。模擬結果顯示，溢流管徑越小產生的空氣柱較小，流場較為混亂、渦流也較多，使粒子在水旋風分離器內停滯時間較長，不易產生短路流，因而提高澄清效果。

This study uses to realize its effect of geometric of vortex finders in a 45 mm diameter hydrocyclone. In experiment section, we use different inlet pressures and split ratios to explore particle size distribution and clarification respectively. In simulation section, the experiment data as basis, use multiphase VOF model and LES turbulence model to simulation and analyze the air core, and use DPM model for particle trajectory tracking. The experiment and simulation result, to analysis of the vortex finder geometric of pros and cons.

  The experiment result show the different inlet pressures in the hydrocyclone to the clarification is the better of the small ascending vortex finder and the shrinkage vortex finder. Obviously, the larger the split ratio, the greater the clarification effect in the same vortex finder. The simulation result show the small diameter of vortex finder has a small air core, and the flow pattern is disorder, and has more eddy currents. That make the particles stranded within a hydrocyclone and difficult to have bearing on short-circuit, and then to improve the clarification.

目錄
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圖表目錄	...Ⅶ

第一章 緒論	1
  1.1 前言	1
  1.2 研究動機與目的	2
第二章 文獻回顧	3
  2.1 水旋風分離器發展簡介	3
    2.1.1 水旋風分離器歷史簡述	3
    2.1.2 水旋風分離器的介紹與結構	4
    2.1.3 水旋風分離器之規格	6
    2.1.4 水旋風分離器之優缺點	7
  2.2水旋風分離器之特殊現象	8
    2.2.1魚勾現象	8
    2.2.2 短路流現象	9 
    2.2.3 空氣柱	9 
    2.2.4 循環流	10 
  2.3 水旋風分離器之材質與應用	11
  2.4 數值計算在水旋風分離器的應用	13
第三章 理論	16
  3.1 水旋風分離器的分離原理	16
    3.1.1 平衡軌道理論	17
    3.1.2 無因次群	18
  3.2 固體粒子在水旋風分離器中的受力分析	20
    3.2.1 粒子沉降受力分析	20
    3.2.2 切應力	23
    3.2.3 低濃度顆粒的自由沉降	24
    3.2.4水旋風分離器之離心沉降與一般重力沉降的比較	26
  3.3 水旋風分離器的參數	27 
    3.3.1 幾何結構	27
    3.3.2 物性參數	31
    3.3.3 操作參數	32
  3.4 數值模擬計算	35
    3.4.1 模擬軟體的介紹與基本假設	35
    3.4.2 統御方程式	36
    3.4.3 流體模型	36
    3.4.4 邊界與操作條件	40
    3.4.5收斂準則	40
    3.4.6 網格結構建立	41
第四章 實驗裝置與步驟	43
  4.1 實驗物料	43
  4.2 實驗儀器	44
  4.3實驗裝置	45
  4.4 實驗步驟	54
第五章 結果與討論	56
  5.1 實驗結果	56
    5.1.1 壓降效應	64
    5.1.2分流比的影響	69
  5.2 Fluent模擬結果	73
    5.2.1 空氣體積分率	73
    5.2.2 速度分佈	78
    5.2.3 模擬粒子運動軌跡	80
  5.3 實驗與模擬結合比較	94
  5.4 展望	98
第六章 結論	99
符號說明	102
參考文獻	106

圖表目錄
圖目錄
第二章
圖 2-1    水旋風分離器的結構與渦流走向		5
圖 2-2    兩種基本的水旋風分離器設計 (a) 小圓錐角  (b) 大圓錐角	6
圖 2-3    魚鉤現象		8
第三章
圖 3-1    各截面軸速度分布和零速包絡面(LZVV)	17
圖 3-2    三種渦流半徑與切線速度剖面圖 (Puprasert et al. 2004)	24
圖 3-3    水旋風分離器的基本結構	30
圖 3-4    水旋風分離器的網格	42
第四章
圖 4-1    碳化矽的粒徑分佈	44
圖 4-2    泵浦的揚程	45
圖 4-3    各溢流管的結構	47
圖 4-4    各溢流管的尺寸規格	48
圖 4-5    水旋風分離器的結構	49
圖 4-6    9-9 mm 水旋風分離器的尺寸規格	50
圖 4-7    9-12 mm水旋風分離器的尺寸規格	51
圖 4-8    12-9 mm水旋風分離器的尺寸規格	52
圖 4-9    12-12 mm水旋風分離器的尺寸規格	53
圖 4-10   實驗設備的裝置圖	55
第五章
圖 5-1(a)  在9-9中，不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖	57
圖 5-1(b)  在9-12中，不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖	57
圖 5-1(c)  在12-9中，不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖	58
圖 5-1(d)  在12-12中，不同進口壓力下，溢流、底流、進口的流量圖	.58
圖 5-2(a)  9-9進口壓力對進口速度和特性速度作圖	60
圖 5-2(b)  9-12進口壓力對進口速度和特性速度作圖	60
圖 5-2(c)  12-9進口壓力對進口速度和特性速度作圖	61
圖 5-2(d)  12-12進口壓力對進口速度和特性速度作圖	61
圖 5-3    四種溢流管進口壓力對雷諾數作圖	62
圖 5-4    四種溢流管進口壓力對尤拉數作圖	63
圖 5-5(a)  9-9在不同壓力下溢流的粒徑分佈 (CF=0.3Vol%  =0.6)	65
圖 5-5(b)  9-12在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.3Vol%  =0.6)	65
圖 5-5(c)  12-9在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.3Vol%  =0.6)	66
圖 5-5(d)  12-12在不同壓力下溢流的粒徑分佈(CF=0.3Vol%  =0.6)	66
圖 5-6    在1.2 bar下，不同溢流管的分級效率	67
圖 5-7    在0.9 bar下，不同溢流管的分級效率	68
圖 5-8    在0.6 bar下，不同溢流管的分級效率	68
圖 5-9    9-9 在不同分流比的分級效率	70
圖 5-10   9-12 在不同分流比的分級效率	70
圖 5-11   12-9在不同分流比的分級效率	71
圖 5-12   12-12在不同分流比的分級效率	71
圖 5-13   在1.2 bar下，不同溢流管在馬鈴薯澱粉的分級效率	72
圖 5-14   9-9在1.2 bar 下，0.1-1.5s的空氣體積分率	74
圖 5-15   9-12在1.2 bar 下，0.1-1.5s的空氣體積分率	75
圖 5-16   12-9在1.2 bar 下，0.1-1.5s的空氣體積分率	76
圖 5-17   12-12在1.2 bar 下，0.1-1.5s的空氣體積分率	77
圖 5-18   不同溢流管在溢流底口z=0.12的速度分布	78
圖 5-19   不同溢流管在z=0.11的速度分布	79
圖 5-20   不同溢流管在z=0.10的速度分布	79
圖 5-21   9-9 y-z方向流場剖面圖	80
圖 5-22   9-12 y-z方向流場剖面圖	80
圖 5-23   12-9 y-z方向流場剖面圖	81
圖 5-24   12-12 y-z方向流場剖面圖	81
圖 5-25   粒子追蹤起點示意圖 (x=0， y-z平面)	82
圖 5-26   在No. 3，不同的粒徑與溢流管(9-9、9-12)的粒子軌跡	84
圖 5-27   在No. 8，不同的粒徑與溢流管(9-9、9-12)的粒子軌跡	85
圖 5-28   在No. 3，不同的粒徑與溢流管(12-9、12-12)的粒子軌跡	87
圖 5-29   在No. 8，不同的粒徑與溢流管(12-9、12-12)的粒子軌跡	88
圖 5-30   9-9在各位置點往底流之百分比	92
圖 5-31   9-12在各位置點往底流之百分比	92
圖 5-32   12-9在各位置點往底流之百分比	93
圖 5-33   12-12在各位置點往底流之百分比	93
圖 5-34   SiC總括分級效率(ψ=1，CF=0.3vol%)	94
圖 5-35   溢流與底流出口濃度隨壓力變化	95
圖 5-36   9-9與9-12模擬SiC分級效率比較	95
圖 5-37   12-9與12-12模擬SiC分級效率比較	96
圖 5-38   9-9與9-12模擬玉米澱粉分級效率比較	..97
圖 5-39   12-9與12-12模擬玉米澱粉分級效率比較	..97
圖 5-40   大曲率溢流管模擬SiC分級效率比較	..98

表目錄
第五章
表 5-1    在各進口壓力，各管的進料流速	59

參考文獻

Boysan, F., Ayers, W. H., and Swithenbank J. (1982) “ Fundamental Mathematical Modeling Approach to Cyclone Design,” Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 60, 222–230

Bhaskar, K. U., Murthy, Y. R., Raju, M. R., Tiwari, S., Srivastava, J. K., and Ramakrishnan, N. (2007) “CFD Simulation and Experimental Validation Studies on hydrocyclone,” Minerals Engineering, 20, 60-71.

Cilliers, J. J., and Harrison S. T. L. (1997) “The application of mini-hydrocyclones in the concentration of yeast suspensions,” Chemical Engmeenng Journal, 65, 21–26

Duggins, R. K., and Frith, P. C. W. (1987) “ Turbulence Anisotropy in Cyclones,” Filtration and Sepration, 24, 394–397

Delgadillo, J. A., and Rajamani, R. K. (2005) “A comparative study of three turbulence-closure models for the hydrocyclone problem,” Int. J. Miner. Process, 77, 217–230

Frachon, M., and Cilliers J. J. (1999) “A general model for hydrocyclone partition curves,” Chemical Engineering Journal,73, 53–59

Fluent (2005) “Fluent 6.2 User's Guide,” FLUENT, Inc., Lebanon, New Hampshire, USA

Huang, S. (2005) “Numerical Simulation of Oil-Water Hydrocyclone Using Reynolds-Stress Model for Eulerian Multiphase Flows,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, 83, 829-834.

Hsieh, K. T., and Rajamani, R. K. (1991) “Mathematical model of the hydrocyclone based on physics of fluid flow,” AIChE Journal, 37, 735–746

Hoekstra, A. J., Derksen, J. J., and Van Den Akker, H. E. A. (1999) “An experimental and numerical study of turbulent swirling flow in gas cyclones,” Chemical Engineering Science, 54, 2055–2065

He, P., Salcudean, M. and Gartshore, I. S. (1999) "A Numerical Simulation of Hydrocyclones," Transations of The Institution of Chemical Engineers, 77, 429-441

Matvienko, O. V., and Dueck, J. (2006) “Numerical Study of the Separation Characteristics of a Hydrocyclone under Various Conditions of Loading of the Solid Phase,” Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 40, 203–208

Majumder, A. K., Yerriswamy, P., and Barnwal, J. P. (2003) “The ‘‘fish-hook’’ phenomenon in centrifugal separation of fine particles,” Minerals Engineering, 16, 1005–1007

Nageswararao K. (2000) “A critical analysis of the fish hook effect in hydrocyclone classifiers,” Chemical Engineering Journal, 80, 251–256

Puprasert, C.,G. Hebrard, L. Lopez and Y. Aurelle, (2004)“Potential of Using Hydrocyclone and Hydrocyclone Equipped with Grit Pot as A Pre-Treatment in Run-Off Water Treament,”Chemical Engineering and Processing,43,67-83

Svarovsky, L. (1990) “Solid-Liquid Separation,” 3rd ed., Butterworths, London

Slack, M. D., Del Porte, S., and Engelman, M. S. (2004) “Designing automated computational fluid dynamics modeling tools for hydrocyclone design,” Minerals Engineering, 17, 705–711

Sripriya, R., Kaulaskar, M. D., Chakraborty, S., and Meikap, B. C. (2007) “Studies on the performance of a hydrocyclone and modeling for flow characterization in presence and absence of air core,” Chemical Engineering Science, 62, 6391–6402

Wang, B., Chu, K.W., and Yu, A. B. (2007) “Numerical Study of Particle-Fluid Flow in A Hydrocyclone,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 4695-4705
Wang, Z. B.,Y. M., and Jin, Y. H. (2011) “Simulation and experiment of flow field in axial-flow hydrocyclone.” chemical engineering research and design, 89, 603–610

Yoshioka, N., and Hotta, Y., (1955) “Liquid Cyclone As A Hydraulic Classifier,” Chemical Engineering Japen, 19(12),623

Yoshida Hideto, Taniguchi Satoru and Fukui Kunihiro (2004) "Effect of Apex Cone on Particle Classification Performance of Cyclone Separator,"
J. Chin. Inst. Chem. Engrs., 35,1,41-46 

趙慶國和張明賢(2003) “水力旋流器分離技術”，化學工業出版社

任連城、梁政、梁利平和龍道玉(2005) “過濾式水力旋流器方案設計”，西南石油學院學報，27(1)，82–85

李建明 (1997) “水力旋流器固液兩相流動數值模擬及分離機理研究＂，博士學位論文，成都四川聯合大學化學工程學院

薛瑋勝 (2004) “水旋風分離器之粉粒體分級機構＂， 碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系

呂信毅 (2006) “改進複合型水旋風分離器之分離效率”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系

許智淵 (2008) “水旋風分離器之研究與薄膜水旋風分離之發展”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系

陳怡任 (2009) “水旋風分離器流場測量與模擬暨新型水旋風分離器之研究”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系