W式溢流管對水力旋流器分離效率的數(shù)值模擬

樊玉光，余曉月

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

液液水力旋流器是20世紀70年代問世的用于油水分離的分離器，以其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、無運動部件、運行可靠受到了化工、環(huán)保部門及各大油田的重視。人們原先是通過試驗來研究旋流器的分離效率，周期長且費用高，隨著CFD仿真技術(shù)的日趨成熟，數(shù)值模擬已成為研究的一種重要手段，不僅計算快，而且可以較全面地揭示流場的特性。

水力旋流器的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定其分離性能的重要因素[1]。但在其設(shè)計過程中，溢流管這一重要結(jié)構(gòu)對旋流器分離性能的影響往往被忽視，導(dǎo)致了不管旋流器的其他結(jié)構(gòu)形式和操作參數(shù)如何變，溢流管結(jié)構(gòu)基本不變的現(xiàn)象，這對旋流器的分離性能造成了不好的影響。溢流管是分離后的輕分散相排出的地方，具有穩(wěn)定旋流器內(nèi)油核的作用，是水力旋流器分離時不可缺少的一個重要通道[2]。溢流管的結(jié)構(gòu)形狀直接影響了短路流的存在及其流量大小，也會影響水力旋流器的出口能量損失。溢流管的直徑與處理液含油濃度具有一定的匹配關(guān)系，從而會影響旋流器的分離效率，溢流管直徑對脫水效率也有顯著的影響。所以，溢流管的結(jié)構(gòu)尺寸對旋流器分離性能具有重要的影響[3]。

1 W式溢流管的工作原理及模型的建立

1.1 W式溢流管的工作原理

水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)見圖1，主要由圓柱段、大椎段、小椎段、溢流管、尾管進口組成。其中圓柱段使流體形成渦流，大錐段可以使流體獲得極大的加速度，并形成螺旋流動，小錐段使流體速度不斷地增大，尾管利用流體的恒速，可以對上部分形成一定的回壓，以利于被分離出來的油從溢流口排出。

圖1 除油水力旋流器結(jié)構(gòu)圖

W式溢流口水力旋流器工作原理和常規(guī)的水力旋流器一樣，是將流體的靜壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的旋轉(zhuǎn)運動力，利用受約束渦流產(chǎn)生離心力。在離心力場中，不同粒徑的液滴均會以一定的規(guī)律沿著旋流器的半徑方向運動。由于油水兩相密度的差異，密度大的水相在離心力作用下貼近器壁不斷旋轉(zhuǎn)向下，從下游的底流口排出；而油相則被推向中心低壓部位，并朝旋流器上游的溢流口移動，呈現(xiàn)出雙螺旋運動軌跡。W式溢流管的溢流管已插入旋流器的圓柱段，此設(shè)計可以避免短路流的形成和發(fā)展，有利于提高旋流器的分離效率，并且W式溢流管傾角的設(shè)計對混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，避免混合液與溢流器壁相撞時損失過大[4]。

本文所探討的旋流器基本尺寸如表1所示。

表1 旋流器基本尺寸 /mmTab.1 Basic size of Hydro cyclone

1.2 W式溢流管模型

W式溢流管是將旋流腔頂部靠近溢流管的外壁，切出一個倒的圓臺，并在此基礎(chǔ)上將入口上部的旋流腔切除，在溢流管直徑和伸入長度不變的前提下，逐漸增大 W式溢流管的傾斜角度θ。傾角θ分別為 0°、7°、14°、21°和 30°（圖 2）。

圖2 W式溢流管模型圖

2 計算模型及方法

2.1 邊界條件

旋流器入口為油與水的混合液，水的體積分率較大，將其設(shè)為連續(xù)相；油的體積分率較小，將其設(shè)置為分散相。根據(jù)旋流器的實際情況定義如下的邊界條件：

1）入口油相體積分數(shù)為5%，分流比（溢流口流量與入口流量之比）為8%，溢流口和底流口設(shè)定為自由出口，入口面方向速度分量為10m·s-1，其他兩個方向速度分量為0；

2） 油水兩相的物性參數(shù)：水的密度為998.2kg·m-3，黏度為 1.003mPa·s；油的密度為834.1kg·m-3，黏度為 2.223mPa·s。

2.2 數(shù)值解法

因旋流器內(nèi)部流體是進行旋流的湍流運動，采用Reynolds切應(yīng)力模型可以較好地模擬流體在高速旋轉(zhuǎn)下的流動，同時采用多相流模型Mixture進行聯(lián)合求解，模擬出油水兩相的流動，非定常算法可以觀察油相遷移過程，用非平衡壁面處理近壁面。對旋流器采用六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格數(shù)約為12萬。離散格式選為QUICK格式，因其對于非直流線的流動現(xiàn)象，預(yù)報的結(jié)果較為貼近真實的物理狀態(tài)。旋流器模擬的解法采取兩步走，第一步模擬水的單相流場，采用PISO算法，第二步模擬油水兩相的混合相流場，采用SIMPLEC算法[5]。

3 W式溢流管模擬結(jié)果及分析

3.1 速度和角度對進出口壓降的影響分析

對于油水分離水力旋流器來說，壓力損失是旋流分離的主要能量損失，包含進口與底流口、進口與溢流口兩部分壓降表示的壓力損失。因此研究壓降時，通常包含有兩個壓降，即溢流壓降和底流壓降，分別表示進口與溢流口、進口與底流口之間的壓降，并且用流量加權(quán)平均來表示總的能量損失。分析模擬結(jié)果所得的不同角度的壓降圖如圖3所示。

圖3 壓力降隨速度的變化曲線

圖3 為壓力降隨速度的變化曲線。當(dāng)角度θ為0°時，W式溢流管就是直筒式溢流管。從圖3可以看出，整體來說，W式溢流管水力旋流器和直筒式溢流管水力旋流器的壓力降變化趨勢相似，隨著速度的增加壓力降大幅度提高，這是由于入口流量的增加導(dǎo)致流體切向入口速度增加，旋流器內(nèi)的離心力場增強所致。如圖4所示，隨著角度的增大，旋流器的溢流壓降和底流壓降都會降低，并且角度越大，壓降越小，所以改變結(jié)構(gòu)后的 W式溢流管水力旋流器壓力損失略小，且傾角θ越大，壓力損失越小。

圖4 不同角度的壓降圖

圖5 W式溢流管不同角度對分離效率的影響

3.2 速度和角度對分離效率的影響分析

分離效率是檢測旋流器的最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，分離效率為溢流口處油的質(zhì)量流量占入口處油的質(zhì)量流量的比例分率。由所得的模擬數(shù)據(jù)，用origin畫成的曲線圖如圖5所示。由圖5可知，W式溢流管水力旋流器較直筒式溢流管水力旋流器分離效率高，且隨著傾角θ的增大，分離效率增加，當(dāng)傾角θ為 14°和21°時，分離效率最高，之后隨傾角θ的增大而降低，可見分離效率隨θ傾角的變化為先增加后降低。并且在不同速度下，分離效率曲線的趨勢是一樣的，所以對分離效率起到了驗證的作用。W式溢流管傾角的設(shè)計對混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，減小了油水混合液與溢流壁的碰撞，從而減小了能量損失，對分離性能的提高起到了一定作用。

4 結(jié)論

1）通過以上對 W式溢流管的數(shù)值模擬分析可知，與直筒式溢流管相比，W式溢流管對分離效率的提高有一定的作用，如 W式溢流管水力旋流器的速度場比直筒式溢流管的旋流器更加穩(wěn)定。

2）W式溢流管角度為14°和21°的時候，分離效率達到最大，溢流處流場穩(wěn)定；W式溢流管角度為30°的時候，旋流器分離效率開始下降。W式溢流管的壓降隨著角度的增大而降低，可知當(dāng)角度為14°和 21°時，能耗也較低。

3）傾角的設(shè)計對混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，避免混合液與溢流器壁相撞時損失過大，對旋流器分離性能的提高起到了一定作用。

[1] 任相軍，王振波，金友海.軸流式氣液旋流分離器分離性能試驗研究[J].石油化工設(shè)備，2009，38(3)：16-20.

[2] 龔險峰.溢流口結(jié)構(gòu)對除油旋流器分離性能影響的試驗[J].油氣田地面工程，2002，21(4)：127-128.

[3] 丁旭明，王振波，金有海.兩種入口結(jié)構(gòu)旋流器性能對比試驗研究[J].化工機械，2005，32(2)：69-71.

[4] 賀杰，蔣明虎.水力旋流器[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[5] 韓占忠，王敏，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M] .北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.