不同入口流速下新型水力旋流器內(nèi)部流場分析

張蓓蓓， 蔣明虎，邢 雷，盧秋羽， 慎英才

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶市環(huán)境保護局，黑龍江 大慶 163312；3.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500)

不同入口流速下新型水力旋流器內(nèi)部流場分析

張蓓蓓1、2， 蔣明虎1，邢 雷1，盧秋羽1， 慎英才3

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶市環(huán)境保護局，黑龍江 大慶 163312；3.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500)

水力旋流器較多地應(yīng)用在選礦、采礦、化工、石油、生物工程、食品、醫(yī)藥、紡織等多個部門，屬于工業(yè)行業(yè)應(yīng)用中的分離設(shè)備之一，近些年又較多應(yīng)用在環(huán)保領(lǐng)域的工業(yè)污水分離處理作業(yè)中。本文以一種新型水力旋流分離結(jié)構(gòu)為目標載體，主要分析入口流速度對其內(nèi)部流場特性的影響。本文首先通過Meshing軟件對新型水力旋流器流體域模型進行網(wǎng)格劃分，再采用fluent軟件在入口流速不同的情況下對旋流器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，最后得到結(jié)論為：該水力旋流器油相出口的油相分布呈單峰分布，油相體積分數(shù)與入口流速呈正比關(guān)系，由于水力旋流器內(nèi)存有軸向零速過渡區(qū)，因此隨著入口流速的不斷增加，軸向速度值也在不斷地增高。但是軸向零速過渡區(qū)大小和位置基本不發(fā)生變化。

旋流器；流場；分離；流速

0 引言

液-液水力旋流器的理論研究基本上是從20世紀80年代開始的。液滴在旋流腔內(nèi)部的運動相比固體顆粒要復雜很多，不能確定其形狀，并且在高速的旋轉(zhuǎn)中也比較容易破碎。截止目前關(guān)于旋流器內(nèi)部流場分布規(guī)律的研究分析仍處于起步階段，對影響旋流器內(nèi)部流場分布的各種因素進行探索，對旋流分離裝置的進一步應(yīng)用以及發(fā)展有著重要的意義[1-7]。本文以一種新型水力旋流分離結(jié)構(gòu)為目標載體，主要分析入口流速度對其內(nèi)部流場特性的影響，初步探索出了該種結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場分布規(guī)律。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

相比于其他的分離設(shè)備，水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效果好等優(yōu)點。但是由于其復雜的分離過程，并且結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力旋流器分離性能影響較大。因此，確定某參數(shù)與旋流器性能的關(guān)系是十分重要的。本文所涉及的新型水力旋流器如圖1中所示，來液由切向入口進入，經(jīng)過多級分離，實現(xiàn)油水高效分離，旋流器內(nèi)部設(shè)有增壓原件對液體進行加速。

圖1 新型水力旋流器流體域模型

通過Meshing軟件對新型水力旋流器流體域模型進行網(wǎng)格劃分，最終得出如下所示網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格單元總數(shù)為163800萬，網(wǎng)格有效利用率為98.6%。

2 物性參數(shù)及邊界條件

2.1 物性參數(shù)

主相(水)：密度ρ=998.2 kg/m3，運動黏度μ=1.003g(m·s)；離散相(油)密度ρ=889kg/m3，運動黏度μ=1.06 Pa·s，油滴粒徑設(shè)置為0.35 mm。

2.2 邊界條件

采用速度入口為入口邊界條件，速度分別設(shè)置為10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s，入口的油相體積分數(shù)為20%；出口邊界均設(shè)置為自由流出口，軸向油相出口的分流比為40%；假設(shè)無滑移壁面邊界、不可滲漏條件。湍流模型采用雷諾應(yīng)力(Reynold-Stress)模型，采用傳統(tǒng)的SIMPLE算法用于壓力-速度耦合計算，采用QUICK格式離散動量方程的對流相。

3 模擬結(jié)果分析

采用fluent軟件在入口流速不同的情況下對旋流器內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，分析其流場內(nèi)分離過程流體運動規(guī)律與分離性能。按照如下速度參數(shù)對新型旋流分離器的結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬計算。通過對比不同的入口速度條件，分析得出新型旋流分離結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場規(guī)律。

表1 實驗方案表

針對水力旋流器內(nèi)的流場情況，設(shè)置各邊界參數(shù)及初始條件對模型進行求解分析。數(shù)值模擬實驗將來液設(shè)為油、水兩相混合液，如圖3所示。

圖3 觀測分析結(jié)果截面

3.1 入口流速對切向速度的影響

Ex1、2、3、4分別對應(yīng)的為入口流速10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s的試驗，對不同流速情況下的內(nèi)流場進行分析。

圖4 (a) B截面不同入口流速下的切向速度分布；(b) C截面不同入口流速下的切向速度分布

圖4為在不同的入口速度下，B截面和C截面沿徑向方向的切向速度分布曲線圖。隨入口的流速增大，其切向速度的分布情況并沒有改變，但切向速度值整體呈現(xiàn)增大趨勢，旋流器內(nèi)流場的強度也隨之增大。

3.2 入口流速對軸向速度的影響

圖5 (a) B截面不同入口流速下的軸向速度分布；(a) C截面不同入口流速下的速度分布

圖5為在不同的入口速度下，截面B和截面C沿徑向方向的軸向速度分布曲線圖?？梢钥闯鏊俣纫?guī)律基本相同，隨入口流速增加，軸向速度值增大，對軸向零速過渡區(qū)位置和大小并未形成明顯的影響。

3.3 入口流速對油相體積分數(shù)的影響

圖6 (a) A截面不同入口流速下的油相體積分數(shù)；(b) D截面不同入口流速下的油相體積分數(shù)

水力旋流器結(jié)構(gòu)共有兩個油相出口，分別為A截面和D截面，從圖中可以看出隨著入口流速的增加，油相體積分數(shù)的曲線高度也在增大。入口流速增加會影響油相出口的油相分布，速度越大油相分布越集中于軸心。

4 結(jié) 論

該水力旋流器油相出口的油相分布呈單峰分布，油相體積分數(shù)與入口流速呈正比關(guān)系，即入口流速增大時油相體積分數(shù)更集中，但油相體積分數(shù)的分布形式并不發(fā)生變化。水力旋流器內(nèi)存在軸向零速過渡區(qū)，隨著入口速度的增大，軸向速度值增高，但是軸向零速過渡區(qū)大小和位置基本不發(fā)生變化。

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[責任編輯：崔海瑛]

張蓓蓓(1984-)，女，黑龍江大慶人，工程師，主要從事油田污水處理技術(shù)及不互溶介質(zhì)多相分離技術(shù)研究。

國家863項目“井下油水分離及同井回注技術(shù)與裝備”(2012AA061303)；東北石油大學培育基金“旋流場內(nèi)離散相粒子運移規(guī)律及分離動力學研究”(NEPUPY-1-15)；東北石油大學青年基金項目“旋流場作用下非均相非牛頓流體的流變特性研究”(2013NQ117)。

TQ051.8

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2095-0063(2016)06-0094-03

2016-09-28