旋風(fēng)分離器流場結(jié)構(gòu)模擬研究

韓夢媛（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司 山東 東營 257026）

引言

旋風(fēng)分離器是一種以離心分離技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)的高效分離設(shè)備，在石油、化工行業(yè)的氣固、氣液分離領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。分散相固體顆粒和液滴隨氣流切向進(jìn)入分離器產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，由于密度差異，分散相會(huì)脫離原有的運(yùn)行軌道被甩向分離器邊壁產(chǎn)生分離。分離器內(nèi)流場是一種高度復(fù)雜的三維非定常的不規(guī)則流場，數(shù)學(xué)上很難進(jìn)行解析描述，CFD方法近十幾年來在旋流器的流場研究中發(fā)展迅速，本文將基于文獻(xiàn)[5]提出的旋流分離器流場模擬優(yōu)化方法，對柱—錐旋風(fēng)分離器流場進(jìn)行分析，旨在對分離器流場進(jìn)行深入認(rèn)識，指導(dǎo)進(jìn)行旋風(fēng)分離器流動(dòng)分離機(jī)理研究。

一、幾何模型與計(jì)算策略

1.分離器模型

圖1 柱錐旋風(fēng)分離器

圖1 所示為旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖，z軸原點(diǎn)位于出口面中心線上，向上為正，其各部分a、b、H 、h、Dc、D、B、S的值分別為：102、41、820、307、102、205 、74、102 mm，分離器分區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。

2.邊界條件與計(jì)算方法

入口邊界為速度入口邊界，速度為19 m/s，頂部出口邊界為自由出流邊界，底流口邊界為固壁邊界，底流泄流量為零，具體模型與計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[5]。

二、結(jié)果與分析

1.流場分布云圖

圖2 靜壓力場

圖3 縱向截面流場

圖2 所示為分離器入口截面的靜壓力場，從圖中可以看出，在流體進(jìn)入分離器之前，靜壓力分布在管道中較為穩(wěn)定均勻，當(dāng)單相流體進(jìn)入分離器之后，靜壓力場發(fā)生變化，沿分離器徑向由外向內(nèi)，靜壓值逐漸減小，這說明旋轉(zhuǎn)流動(dòng)是靜壓向動(dòng)壓的轉(zhuǎn)化過程，轉(zhuǎn)化程度越大，旋流強(qiáng)度越大。

圖3為分離器縱向截面的流場分布云圖，從圖中可以看出，流場在整個(gè)分離空間并不是完全的軸對稱，而是存在一定的搖擺性，這是由分離器單向入口的幾何不對稱性以及旋流不穩(wěn)定性的固有存在造成的，宋健斐等人[6]對此有詳細(xì)的論述。先前的諸多文獻(xiàn)由于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，對分離器數(shù)值模擬進(jìn)行了軸對稱假設(shè)，只進(jìn)行二維簡化計(jì)算，這對正確理解分離器的流場結(jié)構(gòu)是不充分、不全面的。

2.分離空間流場分布

圖4為分離器整個(gè)分離空間在不同軸向位置上的切向速度分布，從圖中可以看出，旋風(fēng)分離器切向速度場是典型的“蘭金渦”分布，在分離器外部，切向速度沿徑向向內(nèi)不斷增大；在分離器內(nèi)部，切向速度沿徑向向外逐漸增大，在某一徑向位置存在一個(gè)切向速度最高點(diǎn)。以最高切向速度點(diǎn)為界，分為外側(cè)的準(zhǔn)自由渦與內(nèi)側(cè)的準(zhǔn)強(qiáng)制渦。從圖中同樣可以看出，由于錐形截面的收縮作用，使旋流產(chǎn)生加速，不同橫截面的切向速度并沒有因?yàn)楸诿婺Σ翐p失的影響而產(chǎn)生衰減，這也是柱錐旋風(fēng)分離器能保持較高分離效率的原因。

圖4 不同截面切向速度

圖5 不同截面軸向速度

圖5 為分離器整個(gè)分離空間不同軸向截面的軸向速度分布，從圖中可以看出，軸向速度在分離器的外側(cè)運(yùn)動(dòng)方向向下，隨著半徑逐漸減小，軸向向下的速度逐漸減小，隨半徑進(jìn)一步減小，軸向速度為零進(jìn)而反向向上進(jìn)行上行流動(dòng)，并逐漸增大。在分離器軸心位置，由于排氣管內(nèi)旋流耗散，造成分離器中心整個(gè)軸線上的靜壓從上到下逐漸減小，軸心位置的流體產(chǎn)生滯留甚至產(chǎn)生回流。沿分離器軸向向下，軸向速度逐漸減小，這是由分離器三維流場所決定的，分離器在螺旋下行的同時(shí)，也不斷由于徑向流動(dòng)而進(jìn)入到內(nèi)旋流當(dāng)中，導(dǎo)致下行的流量越來越小，軸向速度也就越來越小。

結(jié)論

通過對典型旋風(fēng)分離器進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對其內(nèi)部流場分布有了一個(gè)全方位的認(rèn)識，具體結(jié)論如下：

1.旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)是一個(gè)靜壓向動(dòng)壓逐步轉(zhuǎn)化的過程，靜壓向動(dòng)壓的轉(zhuǎn)化程度越大，旋流強(qiáng)度也就越大；

2.旋流分離器內(nèi)流場并不是軸對稱分布的，具體表現(xiàn)為流場在整個(gè)縱向截面產(chǎn)生搖擺性；

3.分離器截面切向速度分布是蘭金渦結(jié)構(gòu)，分為外側(cè)的準(zhǔn)自由渦與內(nèi)側(cè)的準(zhǔn)強(qiáng)制渦，柱錐結(jié)構(gòu)可以保證旋流強(qiáng)度不產(chǎn)生衰減。軸向速度沿軸向向下不斷衰減，軸向速度在軸心存在回流。

[1]黃星瑋,錢付平.旋風(fēng)分離器入口結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其對“短路流量”的影響[J].過濾與分離,2008,18(1):8-10.

[2]曹晴云,姬廣勤,金有海,王建軍.不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下旋風(fēng)分離器氣相流場的數(shù)值研究[J].流體機(jī)械,2008,36(6):34-38.

[3]馬全,陳建義.旋風(fēng)分離器芯管結(jié)構(gòu)改進(jìn)的試驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械,2007,34(5):241-245.

[4]李紅,熊斌.不同入口高寬比旋風(fēng)分離器內(nèi)氣固流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2010,30(8):567-572.

[5]陳建磊,何利民,羅小明等.旋流分離器流場模擬研究方法優(yōu)化選擇[J].過程工程學(xué)報(bào).2013,13(5):721-727.

[6]宋健斐,魏耀東,時(shí)銘顯.蝸殼式旋風(fēng)分離器內(nèi)氣相流場非軸對稱特性分析[J].化工學(xué)報(bào).2007(58):1091-1096.