入口角度對(duì)油氣分離器分離效率的影響

林家祥，薛金鑫，楊曉奇，劉 卓

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545000）

1 引言

油氣分離器的分離效率是作為評(píng)價(jià)空壓機(jī)的關(guān)鍵性指標(biāo)，不僅影響潤(rùn)滑油的使用效率，更決定了壓縮空氣的純凈度，進(jìn)而直接影響空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景[1]。因此，只有不斷探究制約分離效率的因素，不斷優(yōu)化油氣分離器的結(jié)構(gòu)，提升其分離效率，才能提高壓縮空氣的品質(zhì)。

本文將基于CFD技術(shù)，采用PumpLinx軟件對(duì)螺桿壓縮機(jī)的油氣分離器進(jìn)行分析研究。將油氣分離器入口角度從徑向到切向共劃分10個(gè)角度梯度，（即0～90°每10°為一梯度），建立相應(yīng)3D模型，然后導(dǎo)入PumpLinx在一定的工況條件下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，并對(duì)得到的兩相流的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度分布、油滴顆粒的體積分布等特點(diǎn)，得出油氣分離器入口角度對(duì)油氣分離效率的影響。

2 物理模型

螺桿壓縮機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，空氣混合物、在外力的作用下以一定的速度進(jìn)入油氣分離器。在工程實(shí)際中，油氣分離通常采用兩級(jí)分離。即經(jīng)過(guò)離心分離和油細(xì)分離芯兩次過(guò)濾。

本文主要研究入口角度對(duì)分離效率的影響，因此在對(duì)螺桿壓縮機(jī)的油氣分離器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的油氣分離器物理模型作了一定的簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其幾何參數(shù)為：油氣分離器總高為835 mm，油氣罐內(nèi)徑為450 mm，入口內(nèi)徑76 mm，氣液體出口內(nèi)徑63.5 mm。

3 控制方程

在油氣混合物中，流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程

3.1 連續(xù)方程

3.2 動(dòng)量方程

3.3 能量方程

式中 ρ——流體密度

F——離散相粒子對(duì)氣流的作用力

k——導(dǎo)熱系數(shù)

E——總能

Sh——油滴通過(guò)對(duì)流換熱和輻射換熱向氣流傳遞的熱量[3]

4 數(shù)值模擬

4.1 網(wǎng)格劃分及計(jì)算

在PumpLinx軟件中新建一個(gè)實(shí)驗(yàn)界面，并輸入油氣分離器簡(jiǎn)化后的三維模型，由于簡(jiǎn)化后的油氣分離器依舊不是規(guī)則幾何體，所以在劃分網(wǎng)格之前先將整個(gè)油氣分離器分割為10個(gè)部分，然后在對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于建立了10個(gè)不同角度入口的油氣分離器模型，所以劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量處于7431～11188之間，徑向入口的網(wǎng)格劃分如圖2所示。由于PumpLinx采用的是笛卡爾坐標(biāo)系，在導(dǎo)入模型后進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到二叉樹(shù)笛卡爾網(wǎng)格。此網(wǎng)格具有適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、數(shù)量準(zhǔn)確、收斂性好等特點(diǎn)。

采用k-ε模型模擬，利用SMPLE算法求解，差分格式為迎風(fēng)格式離散，離散后的線(xiàn)性方程解法為共軛梯度法計(jì)算。

4.2 邊界條件

（1）首先選擇湍流模塊，并添加Streamline模塊用以追蹤兩相流的動(dòng)態(tài)過(guò)程；

（2）確定油氣出入口，并給定速度為13.5 m/s、壓力為7 MPa，密度設(shè)為理想氣體狀態(tài)方程（最小壓力0.1 Pa、分子量28.97、缺省溫度300 K）動(dòng)力粘度設(shè)為常動(dòng)力粘性系數(shù)，壁面均為光滑；

（3）在研究過(guò)程中不考慮蒸發(fā)影響以及粒子間的相互作用。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤及分析

圖1 油氣分離器剖面尺寸圖

通過(guò)應(yīng)用PumpLinx軟件對(duì)從不同角度進(jìn)入油氣分離器兩相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，追蹤不同角度進(jìn)入油氣分離器兩相流的路徑，得到從不同角度進(jìn)入的兩相流的軌跡追蹤左視圖，如圖3所示（其中徑向用0°表示、切向用90°表示）。

從圖3中可看出入口速度越接近切向，流場(chǎng)的旋向越穩(wěn)定，且越集中于油氣分離器的芯部；這就有利于提升油氣分離芯與流體平穩(wěn)接觸，提升其過(guò)濾效率且降低了渦流對(duì)油氣分離芯的損耗。

5.2 速度矢量及分析

在應(yīng)用PumpLinx軟件對(duì)從不同角度進(jìn)入油氣分離器兩相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算后，得到不同角度入口截面的速度矢量圖，如圖4所示。

根據(jù)入口處截面速度矢量圖可以明顯看出，各區(qū)域的速度分布情況，以及隨著角度的偏移，速度的變化情況，其中在入口偏離角度40°以前整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)比較混亂，渦流返混現(xiàn)象嚴(yán)重，在偏離角度到達(dá)50°以后，流動(dòng)方向逐漸一致，流動(dòng)也趨于穩(wěn)定。

再結(jié)合整體云圖分析可以看出，偏離角度50°以前流場(chǎng)芯部的速度比較復(fù)雜，在偏離角度到達(dá)60°以后，流場(chǎng)的芯部的流動(dòng)基本呈現(xiàn)出均勻的同向的平面流動(dòng)，且穩(wěn)定范圍逐漸增大。反向的運(yùn)動(dòng)幾乎完全被抑制，返混渦流的現(xiàn)象也從中部消失。

圖2 油氣分離器網(wǎng)格劃分圖

圖3 兩相流運(yùn)動(dòng)軌跡圖

由此可得入口角度越接近90°即越接近切向，則油氣分離器芯部的流場(chǎng)越趨于均勻、單向，則油氣分離芯的分離效率也隨之大大提升。因此隨著入口偏角越接近切向油氣分離效率越高。

圖4 入口截面的速度矢量圖

5.3 各相體積分布及分析

通過(guò)應(yīng)用PumpLinx軟件對(duì)從不同角度進(jìn)入油氣分離器兩相流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同角度入口截面的Cells′Volumes圖像，即在入口截面各相所占的體積分?jǐn)?shù)分布圖，如圖5所示。

圖5 不同角度入口截面的Cells＇Volumes圖

根據(jù)不同角度入口截面的Cells′Volumes圖像，通過(guò)對(duì)比對(duì)應(yīng)各圖中的色標(biāo)尺可以看出，在絕大多數(shù)的圖像中，隨著偏離角度的增大，各相的體積分?jǐn)?shù)有明顯向芯部收斂的現(xiàn)象，對(duì)于圖5中（e）、（f）、（h）也就是偏離角度為50～70°時(shí)出現(xiàn)的反常情況，經(jīng)過(guò)分析可能是偏離角度的改變已明顯影響開(kāi)始影響油氣分離器的內(nèi)的流場(chǎng)分布，但是這是流場(chǎng)內(nèi)粒子間的相互作用，出現(xiàn)返混，渦流等使得圖像呈現(xiàn)異常，但從整體來(lái)看，隨著偏移角度的增大各相的體積分?jǐn)?shù)是逐漸向芯部轉(zhuǎn)移，且在70°后表現(xiàn)明顯。

通過(guò)進(jìn)一步利用PumpLinx軟件進(jìn)行模擬仿真，可以直觀的看到油氣分離器內(nèi)部的流動(dòng)情況，即兩相流體在油氣分離器內(nèi)做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)且偏離角度越接近切向，旋轉(zhuǎn)越均勻，且越集中于芯部，與實(shí)驗(yàn)相符，且符合實(shí)際，所以，改變油氣分離器的入口角度可以明顯影響油氣分離器的分離效率

6 結(jié)論

采用數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析結(jié)合的方法，對(duì)油氣分離器入口角度如何影響分離效率進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

（1）利用PumpLinx軟件進(jìn)行仿真模擬，得到的相體運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤圖以及入口處截面速度矢量圖，根圖像明顯看出，隨著油氣分離器入口角度逐漸接近切向，相體的運(yùn)動(dòng)的也出現(xiàn)規(guī)則化，芯部集中化、速度呈現(xiàn)趨于芯部勻速單向的特點(diǎn)，提升這利于芯部與流體充分接觸，進(jìn)而提升整個(gè)油氣分離器的分離效率；

（2）通過(guò)不同角度入口截面的Cells′Volumes圖像可以看出隨著入口角度接近切向，各相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)向芯部收斂的趨勢(shì)，同時(shí)也驗(yàn)證結(jié)論一。