近年来，随着环境挑战的加剧以及工业界对高效过滤和多相分离系统的需求增加，对先进分离技术的需求变得日益迫切。旋风分离器是一种有前景的分离颗粒污染物与气体和液体流体的方法。这类设备基于纯几何原理工作，通过产生离心力来实现分离。与传统方法相比，旋风分离器具有诸多优势，如无需旋转部件、在化学腐蚀性和高温条件下仍能保持稳定运行，且维护成本相对较低。旋风分离器的性能通常通过两个关键指标进行评估：设备内的压降及其去除进入流中颗粒的有效性[1]。提升旋风分离器性能的努力主要遵循两种方法：主动方法和被动方法。主动方法包括应用静电力[2]、使用声波[3]、引入磁场[4]以及优化操作参数（如入口速度）[5]。
分离效率、截止直径以及切向和轴向速度等关键流动特性受到旋风分离器各部件几何设计的显著影响。在被动增强策略中，重点在于修改旋风分离器的物理结构以提升性能。因此，大量研究探讨了各种几何改动，这些改动大致可分为三类：入口部分的修改、涡流导向器的调整以及旋风分离器主体的设计变更。
针对传统旋风分离器（尤其是Stairmand型）的入口几何形状进行了大量研究。研究表明，最佳的入口长度与宽度比在0.5到0.7之间，且入口宽度的变化对截止直径的影响大于入口长度的变化[6]。流体进入旋风分离器的角度也对压降的确定起着关键作用。实验表明，当入口角度为零度（即垂直于旋风分离器主体）时，压降最低[7]。Misiula等人[8]研究了螺旋形顶盖和入口配置对旋风分离器性能的影响，发现增加螺旋角度会导致截止直径增大，从而降低分离效率。此外，入口数量和排列方式也受到了广泛研究[9],[10]。例如，Safikhani等人[11]提出了一种新的旋风分离器几何结构，去除了圆锥形部分，并研究了入口数量对内部流场的影响；Babaoglu等人[9]分析了入口截面形状对标准旋风分离器性能的影响。
在针对涡流导向器的几何改动中，多项研究强调了其对旋风分离器性能的关键影响。Kumar等人[10]将传统的圆柱形涡流导向器替换为双曲面形状，发现分离性能有所提升。Dehdarinejad等人[12]研究了收敛-发散型涡流导向器的配置，对其对流场和效率的影响进行了探讨；Elsayed[13]则研究了非标准形状涡流导向器的性能影响。进一步的发展包括在涡流导向器内表面开设螺旋槽以改变涡流并减少损失[14]，以及旨在提升空气动力性能的几何优化策略[15]。Yao[16]、Pervaz[17]和Barar[18]研究了相对于旋风分离器主轴偏心放置的涡流导向器，发现其对流动对称性和颗粒分离效率有显著影响。涡流导向器直径与旋风分离器主体直径的比值（特别是在切向入口设计中）会影响流动稳定性和涡核形成[19]。另一项研究评估了涡流导向器长度和直径的组合效应，进一步突显了流动行为对几何参数的敏感性[20]。其他改进措施还包括减少内部能量损失和压降，例如在涡流导向器内添加整流器可最小化涡流相关损失[21]，在涡流导向器壁上设置穿孔图案能有效降低压降而不影响分离性能[22]。Misiula等人[23]在涡流导向器内加入了消旋器，并通过最小化压降进行了形状优化，为被动性能提升提供了有前景的方法。
为了进一步提升分离性能，还对旋风分离器主体进行了多种几何改动。这些改动包括调整圆锥部分的角度和尺寸[24]、改变上部（涡流）出口的尺寸和形状[25]、在旋风分离器腔体内或除尘器区域插入中央锥体[27]，以及在入口处增加额外弯道[28]。Nasaj等人[30]还提出了在入口处设置导流通道的方案。
对旋风分离器主体进行的最重要的改动之一是旨在改善设备内部流动引导的几何调整。Dehdarinejad等人[31]在传统Stairmand型旋风分离器主体上添加了不同圈数的螺旋挡板，以改善内部流动控制。他们的结果表明，这些挡板不仅提高了切向和轴向速度，还随着圈数的增加导致压降升高。此外，螺旋挡板显著提升了颗粒分离效率，尤其是对细颗粒的分离效果更为明显。Yang等人[32]在标准Stairmand型旋风分离器中加入了具有圆形、三角形和方形截面的扭曲带状鳍片，发现这些鳍片提高了切向速度、减小了截止直径并提升了分离效率。同时，鳍片的存在增强了流动稳定性并显著降低了湍流动能。
本研究采用数值方法对一种新型紧凑型旋风分离器的性能进行了显著提升。尽管在传统旋风分离器设计中应用导流叶片是一种成熟的技术，但将其应用于这种具有独特几何特性的新型紧凑型旋风分离器尚未有过相关报道。该旋风分离器具有较高的入口与截面积比以及较长的入口和圆柱形部分高度，使其能够处理几乎两倍于传统旋风分离器的体积流量，同时保持对微米级颗粒的高分离效率。与传统的Stairmand型旋风分离器不同，这种紧凑型旋风分离器没有长圆锥部分，从而形成了更加集成和封闭的流动结构。这种紧凑且连贯的几何结构使内部流场能更有效地响应导流叶片，从而提升了基于叶片的流动控制策略的效果。为了进一步优化其性能，本研究系统地将不同深度和螺距的导流叶片融入旋风分离器结构中。与大多数以往研究不同，以往研究中叶片深度通常局限于靠近壁面的浅叶片或覆盖整个径向方向的叶片，而本研究探索了更广泛的叶片深度范围，包括靠近外壁的浅叶片以及延伸至接近入口宽度的中等深度叶片。主要目标是通过优化内部流场来提高颗粒分离效率。通过全面的参数分析评估了叶片几何形状对流动行为及作用在颗粒上的力的影响，以精确确定最佳叶片配置，从而推动这种先进旋风分离器设计的性能极限。
首先介绍了紧凑型旋风分离器的几何结构及相关的导流叶片，随后阐述了控制方程和数值方法。接着展示了计算网格及网格独立性测试的结果。为确保模拟结果的可靠性，将预测的流场和分离效率与实验数据进行比对验证。结果部分分析了叶片几何形状对旋风分离器性能、内部流动行为和颗粒轨迹的影响，并对不同叶片配置在分离效率和压降方面的表现进行了比较评估。最后总结了研究的主要发现。
