葉片型空穴射流清洗器結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

郭玉婷,郝惠娣,吳煜斌，張　潤(rùn)，張雅婷

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安　710069; 2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安　710069;3.吉林石油工程建設(shè)管理有限公司，吉林 松原　138000)

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·化學(xué)與化學(xué)工程·

葉片型空穴射流清洗器結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究

郭玉婷1,郝惠娣1,吳煜斌1，張潤(rùn)2，張雅婷3

(1.西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安710069; 2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安710069;3.吉林石油工程建設(shè)管理有限公司，吉林 松原138000)

根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型與工業(yè)參數(shù)對(duì)葉片張開(kāi)型清洗器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)使用 CFX軟件對(duì)該清洗器進(jìn)行流場(chǎng)的模擬計(jì)算,對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行分析,綜合比較、探究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù),即葉片的最優(yōu)組數(shù),葉片組間的最優(yōu)距離,以及葉片與管壁的最佳距離,對(duì)空化效果的影響。結(jié)果證實(shí)葉片的最優(yōu)組數(shù)為2組,得到了組距與葉片垂直高度的最佳比,并發(fā)現(xiàn)葉片與管壁的間距越小,負(fù)壓越明顯。對(duì)葉片空穴射流清洗器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

葉片型空穴射流清洗器;結(jié)構(gòu)參數(shù);數(shù)值模擬

空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是在液體中,由于某點(diǎn)壓力低于空氣分離壓,從而產(chǎn)生負(fù)壓區(qū),使得溶于液體中的氣體脫離出來(lái),產(chǎn)生氣泡。當(dāng)氣泡流到壓力較高的部位與物體表面發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)立即潰滅,使體積突然減小而形成真空,周圍流體迅速流過(guò)來(lái)補(bǔ)充?？栈张莸钠屏押?破裂點(diǎn)附近發(fā)生劇烈擾動(dòng),在極短的時(shí)間內(nèi),局部流體會(huì)產(chǎn)生大幅度的激波和微射流,并產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中,由于大量的空泡破裂產(chǎn)生的壓力重復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致局部壁面疲勞失效和表面材料的分離和剝落。

目前在原油等輸送管道中,結(jié)垢是一個(gè)普遍情況,常規(guī)的清洗方法難以清除,經(jīng)常需要更換堵塞管線,給生產(chǎn)造成很大損失?？昭ㄉ淞髑逑词亲鳛橐环N高效清潔的新技術(shù),何治武、楊全安等人對(duì)長(zhǎng)慶油田輸油管線進(jìn)行的7次清垢的管線統(tǒng)計(jì)中,證實(shí)了其清垢過(guò)程具有安全、徹底、高效、環(huán)保等特點(diǎn),適合推廣應(yīng)用到對(duì)油田管線的清垢處理[1]。李曉東、李勃、趙軍強(qiáng)設(shè)計(jì)了一種新型可變徑空穴射流清洗器,除垢率達(dá)到 98% 以上[2]。姜艷威等人自主設(shè)計(jì)了葉片型空穴射流清洗器,參考工業(yè)結(jié)構(gòu),通過(guò)模擬得出入口壓力越高空化效果越劇烈,但是對(duì)清洗器具體結(jié)構(gòu)以及影響都沒(méi)有深入研究[3]?？昭ㄉ淞髑逑雌鞯膽?yīng)用前景十分廣泛,相比其他清洗技術(shù)更加安全和高效。對(duì)比如表1所示。本文對(duì)空穴射流清洗器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究模擬,從而達(dá)到優(yōu)化的目的。

表1空穴射流清洗技術(shù)與其他技術(shù)參數(shù)對(duì)比

Tab.1Cavitation cleaning technology and other technology in the long-distance pipeline when the parameters of the contrast

1　數(shù)值模擬

1.1數(shù)學(xué)依據(jù)

假設(shè)一個(gè)半徑為R(t)的球形空泡,液體密度ρL為常量,動(dòng)力黏度恒定且均勻,空泡內(nèi)容物是均質(zhì)的,并且空泡內(nèi)部的溫度和壓力pB總是均一的。當(dāng)不考慮通過(guò)交界面的質(zhì)量傳輸時(shí),單位面積上的合力為0。得到廣義的空泡動(dòng)力學(xué)Rayleigh-Plesset方程為

式中：S為表面張力。

對(duì)于不可壓縮的牛頓懸浮流體,連續(xù)性方程為

只要不是在均勻定常的流束中,任何運(yùn)動(dòng)的粒子都會(huì)受到流體加速的作用,采用位于粒子中心的加速度坐標(biāo)系,得到非定常勢(shì)能流動(dòng)的Navier-Stokes方程為

式中：壓力P與實(shí)際壓力p之間的關(guān)系為

1.2工業(yè)操作

葉片型空穴射流清洗器的工業(yè)理想化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　空穴射流管道清洗裝置Fig.1　Cavitation jet pipe cleaning device

注水時(shí)清洗器在水流作用下高速旋轉(zhuǎn)并隨管道前進(jìn)(0.4～1.2m/s),高速流動(dòng)的液體在通過(guò)葉片間隙(10～15m/s)時(shí)速度陡升,裝置前后產(chǎn)生壓力差,引起高頻的劇烈震蕩,和疊加震蕩激勵(lì),急速旋轉(zhuǎn)的渦流和低壓區(qū)發(fā)生在清洗裝置周圍。清洗裝置向前移動(dòng),低壓區(qū)跟著向前移動(dòng)，低壓區(qū)發(fā)生汽化,產(chǎn)生的汽泡,在水流高壓的推進(jìn)下,又迅速破裂,產(chǎn)生沖擊波,擊碎污垢,并送至其前8～10m處。液體運(yùn)轉(zhuǎn)速度比清洗器快1.5～2倍,所以沉積物通常在設(shè)備運(yùn)行過(guò)來(lái)之前已經(jīng)排出,而不至于發(fā)生堵塞。

1.3邊界條件

工作流體入口以均勻的速度為入口邊界,以給定靜壓出口壓力為出口邊界,由于不研究推進(jìn)過(guò)程，固簡(jiǎn)化使清洗器只發(fā)生旋轉(zhuǎn)但不向前移動(dòng),固壁邊界無(wú)滑移速度,平整堅(jiān)實(shí)的壁面, 標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

1.4物料性質(zhì)

清洗原料為水,通過(guò)高壓噴射到達(dá)葉片,其中:進(jìn)料溫度25℃;進(jìn)口速度15m/s均勻速度邊界;出口壓力0.1MPa。

1.5計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks軟件進(jìn)行繪圖,參考工業(yè)用清洗器的幾何結(jié)構(gòu),葉片結(jié)構(gòu)為傘狀,兩兩交錯(cuò)疊加在一起,尺寸如圖2所示。葉片間隙尺寸為0.8mm,再由中心桿件連接而成。中心桿件、橡膠片及彈簧結(jié)構(gòu)與研究相關(guān)性不大,所以簡(jiǎn)化處理為圓柱桿件。

圖2　葉片結(jié)構(gòu)(mm)Fig.2　blade structure (mm)

后導(dǎo)入ANSYS軟件,模擬管道液體填充,如圖3所示。利用CFX進(jìn)行模擬,基于有限元的有限體積法,采用mesh里的非結(jié)構(gòu)四面體對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分,如圖4。對(duì)該葉片及域交界面的網(wǎng)格劃分進(jìn)行了加密處理,提高其精度,從而達(dá)到收斂。

圖3　管內(nèi)三維模型Fig.3　Tube 3d model

圖4　網(wǎng)格劃分Fig.4　Meshing

2　結(jié)果分析

2.1葉片的組數(shù)對(duì)空穴射流清洗器性能的影響

工業(yè)上的空穴射流清洗器通常選擇以2組葉片為單位,現(xiàn)對(duì)不同葉片組數(shù)的清洗情況進(jìn)行模擬,保持進(jìn)口速度、操作參數(shù)和邊界條件不變,清洗器的其他部件相對(duì)位置及尺寸不變,管徑為84mm,葉片組間距離為50mm,改變組數(shù),分別為1組,2組,3組,對(duì)其進(jìn)行模擬。

圖5　1,2,3組葉片的壓力云圖(左為2組) Fig.5　1, 2, 3 groups of blade pressure cloud group (left is 2 group)

圖6　壓力曲線(對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度如圖5)Fig.6　Pressure curve (corresponding length as shown in figure 5)

不同葉片組數(shù)的模擬壓力云圖如圖5所示,可以看出,液體在到達(dá)葉片前由于受到阻力壓力升高,通過(guò)葉片后壓力急劇降低,并在前方形成低壓區(qū)。2組葉片清洗器和3組葉片清洗器都在最后一組葉片處壓降達(dá)到最低值,且都發(fā)生在葉尾。

圖6為沿z軸方向距離壁面1mm處的壓力曲線?？梢钥吹?葉片組數(shù)越多,初始?jí)簭?qiáng)越大,隨后逐級(jí)降低。1組葉片清洗器的液體流過(guò)葉片后,壓力降低但并沒(méi)有達(dá)到負(fù)壓。2組和3組都能形成負(fù)壓,而2組葉片達(dá)到的壓強(qiáng)最低點(diǎn)要低于3組葉片,負(fù)壓的加強(qiáng)直接提高了空化強(qiáng)度。所以，兩組葉片組是空穴射流清洗器的最佳選擇,這與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用情況相符。

2.2葉片組間的距離對(duì)空穴射流清洗器性能的影響

通過(guò)模擬,證實(shí)葉片組數(shù)為2時(shí)葉片邊緣產(chǎn)生的負(fù)壓比較顯著,現(xiàn)以2組葉片為研究對(duì)象,保持進(jìn)口速度、操作參數(shù)和邊界條件不變,其他部件相對(duì)位置及尺寸不變,管徑為84mm,改變2組葉片間的組間距離L,分別對(duì)L為20,30,40,50,60mm對(duì)反應(yīng)器的性能的影響進(jìn)行模擬。由于負(fù)壓作用發(fā)生在第二個(gè)葉片處,所以，選取近壁面第二個(gè)葉片段的速度值和壓力值,得到圖7所示曲線。

圖7　速度曲線 Fig.7　speed curve

圖8　壓力曲線Fig.8　Pressure curve

可以看出,除了葉片組間距離為20mm時(shí)速度曲線呈現(xiàn)波動(dòng)上升外,30mm及以上的葉片組間距,液體流速都是在經(jīng)由第二個(gè)葉片的葉尾處達(dá)到峰值,然后緩慢降低。組距達(dá)到40mm時(shí)流速最高,之后緩慢回落,整體趨勢(shì)相同。

圖8所示的壓降曲線可以看到,不同組間距的變化趨勢(shì)比較一致，均為先降低后升高至平緩,可見(jiàn)壓降的變化原因與液體流速并沒(méi)有直接線性關(guān)系。流體流經(jīng)葉片,要穿過(guò)縫隙,通道突然變窄導(dǎo)致速度提高,振動(dòng)與渦流使壓降迅速降低,形成負(fù)壓區(qū),在葉尾處壓強(qiáng)達(dá)到最低值,之后壓強(qiáng)逐漸上升達(dá)到穩(wěn)定負(fù)壓值段。

比較不同的葉片組件距離,可以看出,隨著距離的增加,曲線逐漸下移,葉尾處的壓降逐漸降低,在L為50mm時(shí)達(dá)到最低值。距離繼續(xù)增加,達(dá)到L為60mm時(shí)壓強(qiáng)最低點(diǎn)并沒(méi)有繼續(xù)降低,且出現(xiàn)回升和偏移。

設(shè)計(jì)采用的葉片型空穴射流清洗器葉片垂直高度h為52mm,葉片組距離L為50mm時(shí)達(dá)到的負(fù)壓峰值最低,負(fù)壓范圍最大,分離的氣泡越多,氣泡潰滅產(chǎn)生的沖擊越強(qiáng),從而達(dá)到最佳的清洗管道的效果。L為50mm是清洗器達(dá)到最低壓降的最佳葉片組間距離,此時(shí)組距與葉片垂直高度之比約為L(zhǎng)/h=1。

2.3葉片與管壁的距離對(duì)空穴射流清洗器性能的影響

研究葉片與管壁的距離對(duì)空穴射流清洗器性能的影響。保持進(jìn)口速度、操作參數(shù)、邊界條件不變,葉片組數(shù)為2,葉片組間距離為50mm。為探究葉片與管壁的距離,令葉片長(zhǎng)度、傾斜角、底面圓周直徑d為80mm保持不變,只改變管徑的大小,分別對(duì)管徑D為82,84,86，88mm 進(jìn)行模擬。選取近壁面第2個(gè)葉片段的壓力值,得到圖9所示曲線。

圖9　不同管徑的壓力曲線Fig.9　Different pipe diameter of pressure curve

由圖中可以看出,隨著管徑的減小,葉片與管壁的距離縮小,負(fù)壓區(qū)負(fù)壓峰值也逐漸降低,在管徑D達(dá)到82mm時(shí),壓降驟然降低,降幅劇烈,此時(shí)葉片與管壁的距離為2mm。由分析可知,壓降越低,空化越強(qiáng)烈,此時(shí)的葉壁距離與管徑之比為2/82≈0.024。但是，存在離管壁距離過(guò)短導(dǎo)致空泡尚未發(fā)展就潰滅的情況,影響空蝕效果,具體還要結(jié)合實(shí)際情況分析。

3　結(jié)　論

1)通過(guò)比較,證實(shí)了兩組葉片組的產(chǎn)生的負(fù)壓值最低,是空穴射流清洗器的最佳選擇,與實(shí)際工業(yè)應(yīng)用情況相符。

2)葉片組件距離對(duì)壓降有影響,以2組葉片組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,在L為50mm時(shí)壓降達(dá)到最低值。 負(fù)壓區(qū)越大,空化效果相對(duì)越好,此時(shí)組距與葉片垂直高度之比約為L(zhǎng)/h=1。

3)葉片與管壁的距離對(duì)空穴射流清洗器性能也有很重要的影響,距離越近,負(fù)壓區(qū)峰值越低,葉壁距離與管徑之比約為0.024時(shí),降低效果最明顯,但具體空化效果還需要結(jié)合實(shí)際。

本文探究了模擬管道內(nèi)宏觀壓降的變化情況,對(duì)于空泡的震蕩以及破裂和微射流等微觀情況和變化還需要進(jìn)一步深入研究。

[1]何治武, 楊全安, 李應(yīng)軍, 等. 水力空穴射流在油田輸油管線清垢中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工, 2011, 40(10): 1051-1053.

[2]李曉東, 李勃, 趙軍強(qiáng). 空穴射流清洗技術(shù)在油田除垢中的應(yīng)用研究[N]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2009(26):106-108.

[3]孫紅鐿, 姜艷威, 呂端劍. 空穴射流清洗技術(shù)應(yīng)用及流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 28(6): 735-738.

[4]布倫南.空化與空泡動(dòng)力學(xué)[M].王勇，潘中永，譯.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社, 2013.

(編輯陳鐿文)

The numerical simulation research of the structure of blade cavitation jet cleaner

GUO Yu-ting1, HAO Hui-di1, WU Yu-bin1, ZHANG Run2，ZHANG Ya-ting3

(1.College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069，China；2.Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China；3.Jilin Oil Field Engineering Construction Spervision Co., LTD, Songyuan 138000, China)

The blade open type cleaner is structural designed on the basis of the existing mathematical model and industry parameters, and the influence of different structural parameters to the cavitation effect is well studies and contrasted, namely the optimal number of the blade groups, the optimal interval between every two groups of them, and the optimal distance between them and the pipe wall, through the simulated calculation of flow field of the cleaner by CFX software and the analysis of velocity field and pressure field. The results confirm that the optimal number of the blade group is 2, help conclude the best ratio of the group interval and blade vertical height, and show a more obvious negative pressure when the distance between the blades and the tube is smaller. The structure of the blade cavitation jet cleaner is optimized after the reaches.

blade cavitation jet cleaner; structural parameters; numerical simulation

2015-03-11

陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)基金資助項(xiàng)目(2011K10-21)；陜西省教育廳專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(11JK0619)

郭玉婷，女，陜西西安人，從事化學(xué)工程研究。

TE973

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-012