液-液旋流分離器分離特性數(shù)值模擬

鄭小濤，徐 成，喻九陽(yáng)，林 緯，龔 程

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

水力旋流分離器(Hydrocyclone)是一種利用兩相或多相之間的密度差，在高速旋轉(zhuǎn)的流體中產(chǎn)生不同的離心力而分離的設(shè)備.水力旋流分離技術(shù)是一種較為成熟的分離技術(shù)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、生物制藥、煤礦、環(huán)保等行業(yè)[1].液-液旋流分離器是水力旋流分離器的一種，其分離介質(zhì)為兩相或多相不相溶的液體.液-液旋流分離器研究起步較晚，并且通常液-液兩相的密度差較小，因此分離較固-液或氣-液旋流分離器困難.由于液-液旋流分離器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高速旋轉(zhuǎn)的流體運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部流場(chǎng)通常較為復(fù)雜，并且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以得到清晰的液-液兩相分離過程.本文將采用CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)，對(duì)液-液旋流分離器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到其流場(chǎng)分布和液液兩相分離過程.

1 分析模型

鑒于目前液-液旋流分離器的應(yīng)用情況和研究進(jìn)展，選用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為權(quán)威的Martin Thew[2]型液-液旋流分離器.圖1為液-液旋流分離器的模型圖，基本由圓柱段、大錐段、小錐段、底流管、溢流口和入口組成，其入口為對(duì)稱切向雙入口，各部分的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示，其基準(zhǔn)尺寸Ds為20 mm，底流管長(zhǎng)度Lu為235 mm.

圖1 Martin Thew型液-液旋流分離器模型Fig.1 The model of liquid-liquid Hydrocyclone by Martin Thew

Ds/mmD/mmDo/mmDi/mmDu/mmLc/mmα/(°)β/(°)2040471040201.5

2 數(shù)值模擬方法

2.1 網(wǎng)劃劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

采用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，Gambit2.4.6軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分.綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)旋流分離的數(shù)值模擬的研究，采用六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分圖如圖2所示.

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The grids of model

為了保證數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，將對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，將不同網(wǎng)格密度的分離器計(jì)算結(jié)果與Martin Thew[3]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為58萬(wàn)時(shí)，其計(jì)算分離效率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差為10%以內(nèi)，而當(dāng)網(wǎng)格進(jìn)一步加密到95萬(wàn)時(shí)，計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)為58萬(wàn)相差不大，為了提高計(jì)算效率，本文將采用網(wǎng)格數(shù)為58萬(wàn)的模型進(jìn)行分析.

圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.3 The independence verify of grids

2.2 計(jì)算模型

由于旋流分離器的非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)特征，因此湍流模型采用適于流線強(qiáng)烈彎曲和旋轉(zhuǎn)三維流動(dòng)的雷諾應(yīng)力模型(RSM)[4].

多相流模型選擇的是適用于強(qiáng)烈耦合的各向同性多相流模型Mixture模型[5].對(duì)流項(xiàng)離散格式選擇的是在復(fù)雜網(wǎng)格條件下具有良好收斂性的二階迎風(fēng)格式，壓力插補(bǔ)格式采用的是PRESTO[6]格式，壓力-速度耦合算法采用的Simple算法[7].

2.3 介質(zhì)物性及邊界條件

入口采用速度入口，速度為6 m/s，入口含油率為5%，油的密度為850 kg/m3,黏度為3.32 cP；溢流口和底流口均為充分發(fā)展出口邊界條件，其流量比分別為15%和85%；壁面采用無(wú)滑移條件[8].

分離效率：E=1-αu/αin

其中；αu為底流口含油溶度；αin為入口含油濃度.

3 計(jì)算結(jié)果分析

將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT軟件中，設(shè)計(jì)邊界條件和計(jì)算控制模型，得到液-液旋流分離器數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果.

3.1 流場(chǎng)分析

圖4為圓柱段和大錐段處的流場(chǎng)分布圖，從圖4可以看出：液-液旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)中向底流口流動(dòng)的外旋流，向溢流口流動(dòng)的內(nèi)旋流分布明顯；在圓柱段頂部及器壁處，由于流體的粘性作用存在短路流；在圓柱段，有大量的循環(huán)流存在，循環(huán)流的存在會(huì)影響油滴向中心的遷移，降低分離效率.

圖4 圓柱段及大錐段處流場(chǎng)分布圖Fig.4 The flow field distribution of cylindrical section and big cone section

圖5為大小錐結(jié)合處附近的流場(chǎng)分布圖，從流體的流線可知，在小錐段上端依然存在明顯向上的內(nèi)旋流，并且由外旋流向內(nèi)旋流遷移的流線非常明顯，證明小錐段上端依然是油水的分離區(qū)域，并對(duì)油水的分離有一定作用.在大小錐結(jié)合處也存在明顯的循環(huán)流，說明無(wú)論是圓柱段、大錐段還是小錐段，都存在著循環(huán)流.

圖5 大小錐結(jié)合處流場(chǎng)分布圖Fig.5 The flow field distribution of the juncture of small cone section with big small cone section

3.2 速度分布分析

為分析液-液旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布，將在分離器各部分截取截面，從其各截面速度分布角度分析其流場(chǎng)及分離機(jī)理，截面截取示意圖如圖6所示.

圖6 截面及坐標(biāo)系定位Fig.6 The localization of coordinates and sectiion

圖7為各截面的切向速度分布圖，切向速度是提供離心力的主要?jiǎng)恿υ?由圖7可知，各截面切向速度均呈組合渦[9]特征，在外旋流為自由渦，內(nèi)旋流為強(qiáng)制渦，并且在圓柱段和大錐段組合渦特征更為明顯，與理論分析[10]相一致.從各截面切向速度數(shù)值比較來看，切向速度沿著中心軸向下依次減小，但是在內(nèi)旋流區(qū)域下降梯度相等，這也是液-液旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精妙所在.

圖7 各截面切向速度分布圖Fig.7 The tangential velocity of different sections

圖8為各截面軸向速度分布，由于液-液旋流分離有兩個(gè)出口，軸向速度分布能夠反映流體向各個(gè)出口的流動(dòng)情況.由圖8可知，圓柱段和大錐段的軸向速度分布呈3波峰形式，在外旋流區(qū)域存在波峰，此現(xiàn)象是由于圓柱段和大錐段的循環(huán)流導(dǎo)致的流體波動(dòng)所致.從數(shù)值比較進(jìn)行分析，在圓柱段和大錐段內(nèi)旋流區(qū)域向上的軸向速度較大，所以此區(qū)域中心處流體向溢流口流動(dòng)，而在小錐段上端軸向速度依然大于零，說明小錐段上端也為油水分離區(qū)域.

圖8 各截面軸向速度分布Fig.8 The axial velocity of different sections

3.3 基于DPM模型油滴分離軌跡分析

DPM模型是一種粒子隨機(jī)軌道模型，即將油滴看作為固體顆粒，由于本文所分析的初始條件中含油率為5%，因此可以忽略油滴對(duì)流場(chǎng)的影響.圖9為分離成功時(shí)油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡.由圖9可知油滴進(jìn)入液-液旋流分離器后，在圓柱段形成穩(wěn)定的旋流軌跡，并向底流口運(yùn)動(dòng)，在外旋流區(qū)域隨著流體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并且旋轉(zhuǎn)半徑不斷減小，油滴顆粒到達(dá)小錐段上端時(shí)，進(jìn)入沿溢流口流動(dòng)的內(nèi)旋流，并隨著外旋流做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)最后由溢流口排出.

圖9 分離成功油滴運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 The trail of the successfully separated oil droplets

圖10為分離失敗時(shí)油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，與圖9相比，其不同在于油滴在達(dá)到小錐段上端后并沒有進(jìn)入向溢流口流動(dòng)的內(nèi)旋流，而是隨著流體向底流口排出.

圖10 分離失敗油滴運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.10 The trail of the unsuccessfully separated oil droplets

4 結(jié) 語(yǔ)

a.液-液旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布特征明顯，在圓柱段、大錐段和小錐段處存在大量的由循環(huán)流導(dǎo)致的漩渦.

b.針對(duì)旋流分離器各截面的速度分布研究，發(fā)現(xiàn)其切向速度和軸向速度分布規(guī)律明顯,并與理論分析相一致.切向速度分布中在圓柱段、大錐段和小錐段上端組合渦特征明顯，軸向速度在圓柱段和大錐段由于循環(huán)流的存在呈現(xiàn)雙W形式.

c.采用DPM模型對(duì)油滴分離軌跡進(jìn)行追蹤，進(jìn)一步驗(yàn)證小錐段上端也為分離區(qū)域，油滴是否更夠分離出來，其關(guān)鍵在于油滴是否能夠在分離區(qū)域內(nèi)進(jìn)入向上的內(nèi)旋流.

致 謝

本文研究工作得到湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012FFB04707)、武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CX201226,CX2013080)的資助，在此一并表示衷心的感謝.

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