入口參數(shù)對(duì)軸流式油氣分離器性能的影響

陳 偉，馮健美，韓濟(jì)泉，彭學(xué)院

（西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西西安710049）

1 引言

在噴油壓縮機(jī)系統(tǒng)油氣分離器以及其它氣液分離器中，入口設(shè)計(jì)常常采用碰撞分離進(jìn)行初步分離，以分離出大粒徑液滴，提高分離器整體分離效率。本文提出在軸流式油氣分離器入口處安裝擋板構(gòu)件，以對(duì)進(jìn)入分離器的油氣混合物進(jìn)行初步的碰撞分離，使進(jìn)入后續(xù)離心分離段的油氣混合物含油量降低，提高離心分離效率，進(jìn)一步提升軸流式油氣分離器的分離效率。圖1為帶擋板的軸流式油氣分離器主剖視圖，油氣混合物從分離器入口進(jìn)入分離器后，經(jīng)擋板第一步碰撞分離出大粒徑油滴，隨后氣流由外側(cè)環(huán)形空間進(jìn)入旋流葉片，經(jīng)離心分離后氣體從出口排出。

圖1 帶擋板的軸流式油氣分離器主剖視圖

目前已有學(xué)者對(duì)分離器入口擋板進(jìn)行了研究。張靜[1]等人研究了不同相對(duì)曲率的擋板對(duì)分離器入口局域流場(chǎng)流體力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著擋板相對(duì)曲率的降低，擋板受到的沖擊力下降，入口局域阻力下降，凹柱面能夠限制射流的擴(kuò)展，凸柱面有利于射流的擴(kuò)展。對(duì)圓形射流沖擊平板的研究表明[2-3]，若沖擊間距在入口管直徑d的2~10倍范圍內(nèi)，徑向和法向最大時(shí)均速度會(huì)隨著沖擊間距的增加而降低，并且最大脈動(dòng)速度也會(huì)降低，射流半寬值增加。在過(guò)去幾年中，已經(jīng)進(jìn)行了各種軸流式旋風(fēng)分離器的研究。例如，Zhiyi Xiong等[4]優(yōu)化了渦流探測(cè)器的配置，以提高分離效率并降低旋風(fēng)分離器的壓降，發(fā)現(xiàn)回流錐和螺旋間隙配合具有最佳的分離性能。Ta-Chih Hsiao等[5]評(píng)估了軸流式旋風(fēng)分離器的顆粒收集效率，其具有以50lpm氣溶膠流速操作的8種不同幾何構(gòu)型。該研究表明，軸向流動(dòng)模式的最佳配置受渦流探測(cè)器長(zhǎng)度的影響很大。郭穎等[6]對(duì)不同導(dǎo)流錐和排塵結(jié)構(gòu)參數(shù)下的純氣流流場(chǎng)及顆粒濃度場(chǎng)的分布特性進(jìn)行了對(duì)比分析。研究表明：在一定范圍內(nèi)采用減小導(dǎo)流錐下端內(nèi)徑、采用排塵側(cè)縫的單錐排塵結(jié)構(gòu)有利于旋風(fēng)管內(nèi)顆粒物的分離。張慶國(guó)等[6]采用CFX數(shù)值模擬對(duì)軸流導(dǎo)葉式旋流管內(nèi)部的流動(dòng)特性及不同旋流數(shù)對(duì)旋流管分離性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：徑向流速是影響分離效率的重要因素，旋流管的徑向流速峰值會(huì)隨旋流數(shù)的增加而降低，液體攜量也降低。Luis D.Peréz Guerra等[7]人對(duì)弧形導(dǎo)流葉片的流通面積以及葉片出口的切向速度進(jìn)行了推到，并且得到了計(jì)算公式。R.Thundil Karuppa Raj等人[8]研究了導(dǎo)葉角度和葉片數(shù)對(duì)漩渦強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)漩渦會(huì)產(chǎn)生壓力梯度，且會(huì)形成內(nèi)循環(huán)區(qū)。Hobbs[9]模擬了導(dǎo)流葉片的幾何參數(shù)對(duì)分離效率以及壓降的影響，發(fā)現(xiàn)出口角度越小，分離效率就越高，但同時(shí)壓降也會(huì)越大。黃龍等人[10]利用數(shù)值模擬研究了葉片扭轉(zhuǎn)角度對(duì)分離性能的影響，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角越大，分離效率就越高，壓降也越大。

沖擊間距和擋板的結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的分布起決定性作用，對(duì)碰撞分離效率影響較大，合理的擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于提升軸流式油氣分離器分離效率。為了比較不同結(jié)構(gòu)的擋板對(duì)粗分效率的影響，本文建立了平面擋板、90°擋板和180°擋板3種類型的數(shù)值模擬模型，并對(duì)這3種類型的分離器在不同沖擊間距以及入口流速下的流場(chǎng)、壓力損失和油滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬分析。

2 物理模型

本文的研究對(duì)象為帶擋板的軸流式油氣分離器入口碰撞分離段，因此在建立物理模型時(shí)對(duì)分離器進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省去了旋流葉片，使整個(gè)分離器內(nèi)部沒(méi)有離心分離，只進(jìn)行初步的碰撞分離，圖2為優(yōu)化的物理模型主剖視圖以及本文所研究的3種不同結(jié)構(gòu)擋板的入口局部視圖，本文研究了30 mm、40 mm、50 mm和60 mm 4種不同的沖擊間距L以及7.2 m/s、10.8 m/s和14.5 m/s 3種不同的入口速度。

3 網(wǎng)格劃分

對(duì)所研究的帶擋板的軸流式油氣分離器流域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用切分和分區(qū)劃分網(wǎng)格的方法，如圖3所示，除弧面擋板區(qū)域外，其余部分均為六面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格的扭曲度均低于0.8，大部分網(wǎng)格扭曲度在0.5以下，有效提高了網(wǎng)格質(zhì)量，保證了計(jì)算精度。

以帶有180°擋板的分離器流域模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，劃分了3種不同密度的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為55萬(wàn)、97萬(wàn)和185萬(wàn)。通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種密度的網(wǎng)格壓損差異不超過(guò)5%，可以認(rèn)為繼續(xù)增大網(wǎng)格數(shù)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響，因此本文選擇的網(wǎng)格數(shù)為55萬(wàn)。

圖2 物理模型及入口結(jié)構(gòu)局部圖

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

4 數(shù)值計(jì)算方法

由于本文所研究重點(diǎn)為入口參數(shù)的影響，故模型中去掉了旋流葉片，從而分離器中流場(chǎng)沒(méi)有強(qiáng)烈的旋流，因此本文的數(shù)值模擬計(jì)算中氣相流場(chǎng)計(jì)算采用k-epsilon模型。液滴相的體積分?jǐn)?shù)小于10%，可以忽略液滴體積分?jǐn)?shù)對(duì)氣相流場(chǎng)的影響，因此采用離散相模型（DPM）對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤模擬，DPM模型選擇非耦合計(jì)算，即不考慮液滴和流場(chǎng)之間的相互影響，在模擬計(jì)算時(shí)先計(jì)算連續(xù)相氣相流場(chǎng)，然后加載離散相，直接計(jì)算液滴的軌跡。采用的方程離散格式如表1所示。邊界條件設(shè)置為速度入口邊界以及壓力出口邊界，入口氣流速度為7~13 m/s。出口設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)置為4bar，為保證計(jì)算精度，模型中排氣管的長(zhǎng)度是排氣管當(dāng)量直徑的十倍長(zhǎng)。同時(shí)，在用DPM對(duì)油滴軌跡進(jìn)行跟蹤模擬的時(shí)候，分離器內(nèi)壁面設(shè)置為捕捉（trap），出口處設(shè)置為逃逸（escape）。

5 結(jié)果分析

5.1 流場(chǎng)分布

圖4為3種不同結(jié)構(gòu)分離器在入口速度的7.2 m/s時(shí)的入口局部流場(chǎng)圖，從圖中可以看出，帶有180°擋板的分離器在分離器下部會(huì)存在特別強(qiáng)烈的旋渦，這會(huì)導(dǎo)致流體能量的損失，同時(shí)會(huì)使大量油滴在分離器下部懸浮，再次被氣流攜帶。而其他兩種結(jié)構(gòu)形成的旋渦不是特別強(qiáng)烈，更有利于油滴的分離。

表1 控制方程的離散格式

5.2 壓力損失

圖5為帶有3種不同結(jié)構(gòu)擋板的分離器在沖擊間距為30 mm時(shí)不同的入口速度下的壓力損失，從圖中可以看出帶有平面擋板的分離器以及含有90°擋板的分離器壓力損失差別很小，而含有180°擋板的分離器壓力損失明顯高于其他兩種，這是由于含有180°擋板的分離會(huì)形成強(qiáng)烈的旋渦，導(dǎo)致流體能量損失增加，從而壓損增大。

圖6為帶有3種不同結(jié)構(gòu)擋板的分離器在入口速度為10.8 m/s時(shí)不同沖擊間距下的壓力損失，可以看出隨著沖擊間距的增加，3種結(jié)構(gòu)的分離器壓力損失都在降低，這是由于沖擊間距增加導(dǎo)致氣流碰撞到擋板上的速度降低，從而損失減小。同時(shí)，帶有180°擋板的分離器隨著沖擊間距的增加，壓損下降幅度明顯大于其他兩種結(jié)構(gòu)，這是由于沖擊間距增加后，帶有180°擋板的分離器底部形成的旋渦會(huì)減弱，從而壓損明顯降低。

圖4 3種結(jié)構(gòu)在入口速度為7.2 m/s時(shí)的局部流場(chǎng)圖

圖5 3種結(jié)構(gòu)在沖擊間距為30 mm時(shí)不同入口速度下的壓力損失

圖6 3種結(jié)構(gòu)在入口速度為10.8m/s時(shí)不同沖擊間距下的壓力損失

5.3 最小分離粒徑

本文采用離散相模型（DPM）對(duì)油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤模擬，得到3種結(jié)構(gòu)分離器在不同入口速度下能夠分離出的最小油滴粒徑。以帶有180°擋板的分離器，沖擊間距為30 mm，入口速度為7.2 m/s為例，改變射入的油滴粒徑，得到不同粒徑油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示。可以看出，當(dāng)油滴粒徑超過(guò)26μm時(shí)，將沒(méi)有油滴從出口管逃逸。

圖8為3種不同結(jié)構(gòu)分離器在沖擊間距為30 mm時(shí)3種入口流速下的最小分離粒徑，從圖中可以看出帶有90°擋板的分離器最小分離粒徑遠(yuǎn)小于其他兩種結(jié)構(gòu)的分離器，分離效果最好。帶有180°擋板的分離器最小分離粒徑較大，碰撞分離效果不明顯。

圖9中顯示了3種結(jié)構(gòu)的分離器在入口速度為10.8 m/s時(shí)不同沖擊間距下的最小分離粒徑，可以看出不管沖擊間距如何變化，帶有90°擋板的分離器能夠分離出的最小油滴粒徑都遠(yuǎn)小于其他兩種結(jié)構(gòu)。同時(shí)，帶有平面擋板的分離器隨著沖擊間距的改變，最小分離粒徑?jīng)]有變化。

圖7 各粒徑油滴軌跡

圖8 沖擊間距為30 mm時(shí)不同入口速度下的最小分離粒徑

圖9 入口速度為10.8 m/s時(shí)不同沖擊間距下的最小分離粒徑

6 結(jié)論

本文提出了在軸流式油氣分離器入口設(shè)置碰撞擋板以使其增加初步的碰撞分離，提高分離效率，并對(duì)帶不同結(jié)構(gòu)的擋板以及不同的沖擊間距的分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了壓力損失以及最小碰撞分離粒徑，結(jié)果表明：

（1）在相同的沖擊間距下，3種結(jié)構(gòu)形狀的擋板在碰撞分離段所能分離出的最小油滴粒徑，均隨著入口速度的增大而不斷減小，分離效率提高，但同時(shí)在分離器入口段所產(chǎn)生的壓損也隨之增加。

（2）在入口速度不變的情況下，隨著沖擊間距的增加，3種結(jié)構(gòu)形狀的擋板在入口段所產(chǎn)生的壓損均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，180°擋板下降幅度最大。在不同的沖擊間距下，平面擋板以及90°擋板所能分離出的最小油滴粒徑基本不變，180°擋板所能分離出的最小粒徑會(huì)隨著沖擊間距的增加有小幅度的增加。

（3）從數(shù)值模擬流場(chǎng)圖中可以看出，180°擋板會(huì)使得分離器底部形成較為強(qiáng)烈的旋渦，導(dǎo)致流體能量損失，壓力損失增加，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分油滴懸浮在分離器下部，又被隨后的氣流重新攜帶，降低分離效率。在3種結(jié)構(gòu)形狀的擋板中，90°擋板在碰撞分離段所能分離出的最小油滴粒徑要明顯小于平面擋板以及180°擋板，同時(shí)壓力損失也相對(duì)較低。因此，在本文所研究的3種結(jié)構(gòu)形狀的擋板中，90°擋板有著最優(yōu)的碰撞分離性能。