切流式旋流器內(nèi)兩相流場的模擬

王振波,馬 藝,金有海

(中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營 257061)

切流式旋流器內(nèi)兩相流場的模擬

王振波,馬 藝,金有海

(中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東東營 257061)

將雷諾應(yīng)力模型與歐拉分析方法相結(jié)合,對切流式單、雙入口旋流器內(nèi)的單相和兩相流場進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明:與雙入口旋流器比較,單入口旋流器內(nèi)流場存在明顯偏心現(xiàn)象,并且速度分布和湍流參數(shù)均存在偏差,流場很不穩(wěn)定;對于油水兩相流場,雙入口旋流器的油相和水相體積分?jǐn)?shù)徑向變化梯度更大,油相更傾向于向軸心移動形成油核;雙入口旋流器的工作性能優(yōu)于單入口旋流器;試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性。

水力旋流器;油水分離;數(shù)值方法;模擬;Fluent軟件

水力旋流器的大多數(shù)應(yīng)用場合中,流體流動呈高雷諾數(shù)下的湍流狀態(tài)(水力旋流器的進(jìn)口雷諾數(shù)高達(dá) 105～108)[1-2]。旋流器內(nèi)湍流的存在不僅會引起分散相顆粒的湍流擴(kuò)散,對分離性能產(chǎn)生不利影響,而且會造成旋流器內(nèi)能量的損耗。近年來,利用數(shù)值模擬技術(shù)預(yù)測旋流器的流場和性能受到重視,但是數(shù)值模擬研究主要是針對旋流器內(nèi)三維速度場,分析切向、軸向及徑向速度,而對于反映旋流器內(nèi)湍流流動的各項特征參數(shù)如湍動能和湍能耗散率等研究較少,另外旋流器內(nèi)的油水分離過程也有待加強(qiáng),從而更好地為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。因此,筆者應(yīng)用 Fluent軟件,將湍流模型與多相流歐拉分析方法相結(jié)合,對切流式旋流器內(nèi)油水分離過程進(jìn)行三維模擬,分析旋流器內(nèi)流場的分布規(guī)律和油水兩相的分離特性,進(jìn)行分離效率預(yù)測,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 湍流模型

湍流模型是油水分離 CFD數(shù)值模擬計算的核心[3]。對于水力旋流器來說,其內(nèi)部流動規(guī)律復(fù)雜,呈現(xiàn)強(qiáng)湍流現(xiàn)象,而基于渦黏性假設(shè)的 k-ε模型及其修正模型都采用各向同性的湍動黏度來計算湍流應(yīng)力,難于考慮旋轉(zhuǎn)流動及流動方向表面曲率變化的影響,相應(yīng)地,模擬結(jié)果有很大的局限性。雷諾應(yīng)力模型RS M直接建立 Reynolds應(yīng)力微分方程,并通過對方程中各項進(jìn)行?；忾],直接求解出流場中各項流動參數(shù)的分布情況,更適合于復(fù)雜強(qiáng)旋流場的計算。因此本文中采用RS M模型作為基本的湍流模型對旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬。相對應(yīng)的方程有[4]:

式中,DL,ij為分子黏性擴(kuò)散項;pij為剪應(yīng)力產(chǎn)生項; Fij為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生項;DT,ij為湍流擴(kuò)散項;φij為壓力應(yīng)變項;εij為黏性耗散項。

補(bǔ)充 k和ε方程如下:

這樣就構(gòu)成了三維湍流流動問題的基本控制方程組。

考慮到目前用于研究多相流的方法有歐拉 -拉格朗日方法和歐拉 -歐拉方法[5],對于第二相比較多的情況,可把第二相當(dāng)成連續(xù)相,一般采用歐拉 -歐拉方法,可用的多相流模型有VOF模型、混合模型和歐拉模型。根據(jù) FLUENT用戶指南,認(rèn)為采用混合模型(M IXTURE)模擬比較合適。具體控制方程及處理方法可參見文獻(xiàn)[6]。

2 計算模型及相關(guān)設(shè)置

2.1 幾何模型、網(wǎng)格劃分

圖 1 切流式單入口旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structures of single-inlet tangential hydrocyclone

2.2 相關(guān)設(shè)置

材料設(shè)置:混合物采用油水混合液,主相為水,次相為油。水的物性參數(shù)直接取 Fluent數(shù)據(jù)庫中的值,ρw=998.2 kg·m-3,μw=0.001003 Pa·s,油的物性參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)取得:ρo=850 kg·m-3,μo=0.050 Pa·s。相間的拖拽力為 Schiller-Naumann模型,滑移速度為Manninen-at-al模型,質(zhì)量傳輸函數(shù)為 constant。

邊界條件:入口邊界采用速度入口,入口流量為3 m3·h-1;出口邊界按照湍流流動充分發(fā)展處理;壁面邊界采用無滑移邊界條件。同時設(shè)定油相體積比為10%。

數(shù)值解法:采用有限體積法控制方程的離散,選取QU ICK的差分格式,對流動時均控制方程組的數(shù)值求解采用 SI MPLEC算法,壓力差補(bǔ)格式為 PRESTO!格式。

計算策略:先計算單相流體的流動情況,首先利用 RS M模型進(jìn)行定常情況下的計算,之后改為非定常至計算穩(wěn)定,然后在此基礎(chǔ)上再運(yùn)用M IXTURE模型加入第二相進(jìn)行油水兩相流場的計算。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 入口部分流體流動

旋流器的入口結(jié)構(gòu)對后續(xù)流場的分布有直接影響,所以有必要對旋流器的入口部分的流場變化進(jìn)行分析。圖 2為切流式單入口旋流器的入口截面矢量及入口流線圖 (圖 2(a)中心空白位置為溢流管外壁)。由圖 2(a)可以看到,流體沿切向進(jìn)入分離空間,在圓柱腔內(nèi)產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流場,以便在超重力場下進(jìn)行兩相分離。同時可以看出,旋流器入口側(cè) (X軸下方)的速度矢量分布密度要明顯大于另一側(cè),即入口截面部分的流場已表現(xiàn)出了不均勻性,總體的旋轉(zhuǎn)是偏向入口一側(cè)的,流體流動的旋轉(zhuǎn)中心無法與腔體的物理中心相重合。這一點(diǎn)可以通過入口部分的流線(圖 2(b))進(jìn)一步證明,顯然也不可避免地會作用于旋流器內(nèi)主要分離空間的流場。

圖 2 切流式單入口旋流器入口截面矢量圖及入口部分流線圖Fig.2 Section vectors and stream line of inlet section in single tangential hydrocyclone

3.2 入口部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖 3 切流式雙入口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic di agram of structure of double tangenti al inlets

流場的不對稱性顯然是由旋流器的單入口結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的,還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。賀杰等[7]曾經(jīng)針對液 -液水力旋流器對單入口和雙入口兩種情況下旋流器的分離性能進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)雙入口的分離性能要大大優(yōu)于單入口的。因而在此基礎(chǔ)上提出了切流式雙入口進(jìn)料的概念,其基本入口形式如圖3所示,其他結(jié)構(gòu)不變。顯然兩入口在空間上呈對稱分布,從結(jié)構(gòu)上避免了偏心現(xiàn)象的發(fā)生。進(jìn)一步通過模擬主要分離空間的流場分布規(guī)律來比較單入口與雙入口旋流器內(nèi)的流動穩(wěn)定性與分離效果。

3.3 主要分離空間的流場

以旋流器入口頂部截面為基準(zhǔn) (z=0),選取錐段中部截面 z=-350 mm作為研究截面。

圖 4為兩種旋流器切向速度、軸向速度、湍動能和湍能耗散率的分布。由圖 4可以看到,兩種旋流器的切向速度分布規(guī)律基本相同,呈現(xiàn)出明顯的組合渦形式,基本趨勢為從邊緣向中心不斷增大,在達(dá)到最大值(r=10 mm附近)后又迅速降低,并以此最大值為界分為準(zhǔn)自由渦區(qū)和強(qiáng)制渦區(qū),但是相對來說,顯然雙入口結(jié)構(gòu)的切向速度最大值 (10.1 m/s)要大于單入口結(jié)構(gòu)的切向速度最大值 (8.95 m/s),相應(yīng)地產(chǎn)生的離心力更大,流體的分離效果也更優(yōu)。同時單入口結(jié)構(gòu)的切向速度呈現(xiàn)出了明顯的非軸對稱性,切向速度的最小值處于 r=1.29 mm處,與旋流器的中心軸線有較大偏離。

兩種旋流器的軸向速度分布規(guī)律也基本相同,呈近壁下行流和近軸上行流分布,在軸心處達(dá)到最大值,在邊壁附近存在最小值,并在約二分之一半徑處存在零點(diǎn)。單入口與雙入口兩種結(jié)構(gòu)旋流器的軸向速度在數(shù)值上相差不大,其中雙入口結(jié)構(gòu)的軸向速度最大值和最小值的平均值分別為 1.86 m/s和-1.72 m/s,單入口結(jié)構(gòu)則為 2 m/s和 -1.83 m/s。然而,相比雙入口結(jié)構(gòu)旋流器對稱性良好的軸向速度分布,單入口旋流器的軸向速度在軸心兩側(cè)的最小值相差較大,左側(cè) r=-14 mm處為 -2.44 m/s,右側(cè) r=-13.9 mm處為 -1.22 m/s,表現(xiàn)出了明顯的速度分布不均現(xiàn)象。

兩種旋流器的湍動能分布均是在邊壁附近最大,之后隨著半徑的減小而迅速減小。以雙入口旋流器為例,湍動能在 r=16 mm處達(dá)到最大值 1.38 m2/s2,之后在軸心附近 r=1.35 mm處已減為 0.45 m2/s2,這是因?yàn)橥膭幽苤饕獊碓从跁r均流,通過雷諾切應(yīng)力做功給湍流提供能量,也說明湍流在水力旋流器的邊壁附近區(qū)域從時均流中提取的能量較多。通過湍動能表達(dá)式 k=1.5(ˉuI)2可以進(jìn)一步看出湍動能 k與時均流速 ˉu和湍流強(qiáng)度 I的平方成正比。這也是雙入口旋流器的湍動能總體上要大于單入口旋流器的原因。

湍能耗散率的分布規(guī)律與湍動能分布規(guī)律類似,即湍動能較大的地方湍能耗散率也較大,反之亦然。顯然,湍動能和湍能耗散率的較大值一般出現(xiàn)在流態(tài)變化復(fù)雜,渦旋活動劇烈的強(qiáng)湍流區(qū),具體表現(xiàn)為在旋流管器壁附近。這表明,旋流管內(nèi)湍流能量的產(chǎn)生和耗散與流體狀態(tài)的變化程度密切相關(guān)。對于兩種旋流器來說,雙入口旋流器的湍能耗散率 也更大。

圖 4 旋流器內(nèi) z=-350 mm處的流動參數(shù)分布Fig.4 Flow parameters distribution on section-350 mm of hydrocyclone

通過對兩種旋流器主要分離空間的主要流動參數(shù)分布進(jìn)行比較分析,可以發(fā)現(xiàn)單入口旋流器內(nèi)流場存在明顯的偏心現(xiàn)象,并且速度分布與湍流參數(shù)均與雙入口旋流器存在偏差,以至于一方面流體流動不穩(wěn)定,整個旋流器工作狀況變差,內(nèi)旋流的流體也不能很好地從溢流口流出,并且容易產(chǎn)生渦流與返混,另一方面流體所受離心力偏小,分離情況也會隨之減弱。所以,從旋流器內(nèi)流場來看,雙入口旋流器的工作性能要優(yōu)于單入口旋流器。

3.4 主要分離空間的兩相濃度分布

為了進(jìn)一步了解旋流器的分離性能,更真實(shí)地分析油水兩相的分離情況,在單相流場基礎(chǔ)上加入油相進(jìn)行兩相流動的模擬研究。其中入口油相體積分?jǐn)?shù)為 10%,仍然選取 z=-350 mm截面為研究截面。兩種旋流器在此截面上的油相與水相濃度分布如圖5所示。

圖 5 旋流器內(nèi) z=-350 mm處的兩相體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 Two-phase volume fraction distribution on section-350 mm in hydrocyclone

因?yàn)檫M(jìn)入旋流器的油水混合液受到離心力作用,油相向中心聚集,而水相則向邊壁移動,所以由圖 5可以看出,兩種旋流器的兩相分布規(guī)律是相似的,均是隨著半徑的減小,油相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增加趨勢,而水相體積分?jǐn)?shù)則逐漸減小。但是,相對來說,在軸心附近雙入口旋流器的油相體積分?jǐn)?shù)要大于單入口旋流器的,而在邊壁附近則相反,這就意味著雙入口的油相體積分?jǐn)?shù)徑向變化梯度更大,油相更傾向于向軸心移動,形成油核,分離效果更好。對于水相體積分?jǐn)?shù)來說,則相反。這一結(jié)果驗(yàn)證了單相流場的比較結(jié)果。

3.5 分離性能對比

分離效率是衡量分離性能的重要指標(biāo)。在得到旋流器內(nèi)流場、各相體積分?jǐn)?shù)分布后,便可估算出旋流器的分離性能。水力旋流器的分離效率定義為

式中,下標(biāo) i,o,u分別代表來流入口處及頂部出口、底部出口處的參數(shù);α為油相體積率;Q為流量。

為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性和更深一步了解分離性能,這里對兩種旋流器分別進(jìn)行性能試驗(yàn),其試驗(yàn)流程如圖6所示。

因?yàn)榱髁亢鸵缌髀适怯绊懛蛛x效率的重要參數(shù),所以在此分別考慮溢流率為 10%時流量對分離效率的影響和流量為 3 m3/h時溢流率的影響。兩種旋流器的試驗(yàn)值與模擬值的對比如圖 7所示。

圖 6 旋流器性能試驗(yàn)流程圖Fig.6 Experi ment flow diagram of separation performance of hydrocyclone

圖 7 旋流器的分離效率曲線Fig.7 Separation efficiency curves of hydrocyclone

從圖 7中可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)研究結(jié)果比較接近,基本分布規(guī)律一致:①隨著流量增大,切向速度和離心加速度都增大,分離效率也逐漸增加,但在流量大于 3 m3/h時,試驗(yàn)值開始呈現(xiàn)下降趨勢,這是由分散相液滴受到的剪切應(yīng)力過大而發(fā)生破碎,不利于分離而導(dǎo)致的,而模擬值則仍在增大,這是因?yàn)樵谀M過程中,很難完全考慮液滴的聚結(jié)破碎等因素,這也導(dǎo)致了模擬值整體上要略大于試驗(yàn)值;②隨著溢流率增加,分離效率也在增加,但是可以看到與入口流量相類似,溢流率也存在一個合理工作區(qū),當(dāng)溢流率大于 15%時,雖然能耗有所減小,但是分離效率也開始下降,所以一般工業(yè)應(yīng)用的溢流率值比較小。

從圖 7可以看到,雙入口旋流器的分離效率均大于單入口旋流器的,這充分說明了雙入口旋流器的分離性能優(yōu)于單入口旋流器的,所以在空間滿足要求的條件下,在工業(yè)上采用雙入口旋流器進(jìn)行油水分離為更好的選擇。

4 結(jié)束語

切流式單入口旋流器流動不均勻,流場很不穩(wěn)定,提出雙入口旋流器以進(jìn)行入口數(shù)目優(yōu)化。對于單相流場來說,單入口旋流器的主要分離空間內(nèi)流場存在明顯偏心現(xiàn)象,并且速度分布和湍流參數(shù)均存在偏差,而雙入口旋流器流場則呈現(xiàn)很好的軸對稱分布。對于兩相流場來說,雙入口旋流器的油相和水相體積分?jǐn)?shù)徑向變化梯度更大,油相更傾向于向軸心移動,相應(yīng)地分離效率也更大,雙入口旋流器的工作性能優(yōu)于單入口旋流器的。

[1] 金有海,馬艷杰,許偉偉,等.排氣芯管結(jié)構(gòu)對導(dǎo)葉式旋風(fēng)管內(nèi)流場影響的數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,33(6):87-90.

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(編輯 沈玉英)

Si mulation of two-phase flow field in tangential hydrocyclone

WANG Zhen-bo,MA Yi,J IN You-hai
(College of Electrom echanical Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China)

RS M and Eulermethod were combined to study the single-phase and two-phase flow field in tangential hydrocyclones.The results show that compared with double-inlet hydrocyclone,single-inlet hydrocyclone had eccentricity in the flow field,and there were differences in velocities and turbulent parameters,and the flow field was unstable.For the oil-water flow,the radial gradients of volume fractions of oil and water in double-inlet hydrocyclone were larger.The oilwasmore inclined to move to the axis and formed oil-core.Thework performance of double-inlet hydrocyclonewas better than thatof single-inlet hydrocyclone,and the correctness of the simulation was verified.

hydrocyclone;oil-water separation;numericalmethods;simulation;Fluent software

TQ 051.8

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.027

1673-5005(2010)04-0136-05

2009-12-03

國家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA09Z318)

王振波(1971-),男(漢族),山東壽光人,副教授,博士,主要從事石油化工過程裝備、多相流分離技術(shù)的教學(xué)、科研及設(shè)計工作。