氣液旋流分離器內(nèi)部流場數(shù)值模擬分析

吳允苗 朱朝鴻

(泉州師范學院化工與材料學院， 福建 泉州 362000)

旋流分離器在工業(yè)生產(chǎn)中的應用相當普遍，因其操作簡便、經(jīng)濟實用的優(yōu)點而受到諸多青睞。雖然旋流分離器結構簡單，但其內(nèi)部的流場分布非常復雜，直接影響到最終的分離效果。對于內(nèi)部流場的分析，單純依靠實驗研究難以完成，需耗費大量的人力、物力和時間成本。數(shù)值模擬技術具有經(jīng)濟省時的優(yōu)越性，則很好地彌補了此缺陷；同時，通過數(shù)值模擬可全面分析旋流分離器內(nèi)部流場的分布情況，有助于旋流分離器分離性能提高研究[1-7]。

1 模型的建立

應用Fluent軟件進行模擬計算，所采用的氣液旋流分離器結構如圖1所示。氣液旋流分離器的尺寸大小、計算模型及邊界條件等參照文獻[8]進行設計。各計算參數(shù)的殘差值數(shù)量級設置為10-3，迭代計算進行到2 000步收斂。

圖1 氣液旋流分離器結構示意圖

2 內(nèi)部流場分析

為了更好地展現(xiàn)氣液旋流分離器的內(nèi)部流場情況，除了分析整體軸向截面流場情況之外，還在旋流分離器軸向截面沿y軸方向自上而下截取了4個截面, 分別對其氣相體積分數(shù)、速度大小和總壓分布進行分析。這4個截面所處的位置，分別表示為y=25 mm，y=-16 mm，y=-50 mm，y=-90 mm。

2.1 氣相體積分布

觀察氣液旋流分離器軸向截面的氣相分布云圖(見圖2)，可明顯看出，氣液旋流分離器的氣相體積分數(shù)在經(jīng)過分離之后，大體沿中心軸線對稱分布；同時，氣相體積分布由溢流管向下逐漸減小。圖標上顏色的深淺對應表示所在區(qū)域的氣相體積分數(shù)：顏色深，表示氣相體積分數(shù)越大；顏色淺，表示氣相體積分數(shù)小。其中，作為旋流分離主要場所的圓柱形筒體，氣相體積分數(shù)較大，氣相物質(zhì)含量整體較高。

經(jīng)過筒體到達錐部這一段，隨著旋流分離的持續(xù)進行，圖中深色區(qū)域逐漸減退，表明氣相物質(zhì)的含量逐漸下降；最后剩下的液相物質(zhì)經(jīng)由錐部下面所連接的底流管分離出去，至此旋流分離操作即完成。溢流管口的氣相體積分數(shù)為92%左右，表明大部分氣相物質(zhì)是經(jīng)由溢流管口離開操作體系。

根據(jù)氣液旋流分離器各截面的氣相體積分布(見圖3)，4個截面上的氣相體積分布曲線大致上呈對稱分布。

y=25 mm截面位于溢流管的上半部分，由于大部分的氣相通過此位置分離出去，因此，截面上的氣相體積分數(shù)總體保持較高水平。在橫向坐標x=3.5 mm 附近，氣相體積分數(shù)達到峰值。

y=-16 mm截面位于入口管附近，氣液兩相混合物從這里進入旋流分離器。密度較小的氣相往內(nèi)旋流形成內(nèi)旋流，而液相則形成外旋流，因此大體上筒體邊緣部分的氣相體積分數(shù)低于中間部分。此處是旋流分離的主要場所，氣液兩相所形成的旋流在這里交匯分離。

y=-50 mm截面位于圓柱形筒體臨近錐部的位置，氣液兩相在這里繼續(xù)完成分離。隨著旋流分離的不斷進行，筒體內(nèi)部的流場逐漸趨于穩(wěn)定，絕大部分氣相往筒體中間的溢流管位置匯攏并分離出去。

圖2 氣液旋流分離器軸向截面的氣相分布云圖

圖3 氣液旋流分離器各截面的氣相體積分布曲線圖

y=-90 mm截面靠近錐部的中間部分，經(jīng)過前面筒體內(nèi)的旋流分離之后，余下的部分混合物將在這里完成分離。此時，大部分的氣相已經(jīng)通過溢流管離開操作體系。通過曲線圖觀察可知，氣相體積分數(shù)的分布具有較好的對稱性，截面所處的流場趨于穩(wěn)定。

2.2 速度分布

圖4所示氣液旋流分離器軸向截面的速度分布云圖，展現(xiàn)了旋流分離器軸向截面的速度分布情況。可以看出，入口管與筒體連接部分處的速度最大。圖上，顏色深，表示速度值大；顏色淺，表示速度值小。相對器壁而言，旋流分離器中間段區(qū)域的速度值較小，筒體兩側(cè)的內(nèi)壁都各有一個速度較大值的分布區(qū)。

圖4 氣液旋流分離器軸向截面的速度分布云圖

y=25mm截面臨近溢流管的氣相出口處，經(jīng)過旋流分離出來的氣相借助內(nèi)旋流的推動，已經(jīng)從溢流管口離開了操作體系，此時速度的變化不大，并趨向穩(wěn)定。

y=-16 mm截面正好包括了進口管與筒體的接口以及溢流管深入筒體內(nèi)部的部分，位置比較特殊。外旋流往器壁方向運動，與器壁的摩擦碰撞程度較嚴重，所損耗的動能也多，速度曲線兩端的變化較為顯著。相比之下，內(nèi)旋流的帶動使得大部分氣相往溢流管位置靠攏，與器壁的摩擦碰撞程度較輕，所損耗的動能較少，速度曲線中間部分較為平穩(wěn)，變化較小。

y=-50 mm截面在筒體的下部，沒有了溢流管的影響，并且經(jīng)過上一截面位置的旋流分離，多數(shù)氣相已被帶離分離器，余下的混合物在旋流的過程中與器壁繼續(xù)發(fā)生碰撞，速度繼續(xù)下降，變化已沒有上面的位置明顯。

y=-90 mm截面臨近錐部的中間部分。此時，大部分氣液混合物已通過旋流分離出去，同時也損耗掉了大部分動能；余下的混合物旋流趨緩，速度變化減小。

2.3 總壓分布

觀察氣液旋流分離器軸向截面的總壓分布云圖(見圖6)，可以看出，分離器內(nèi)中心區(qū)的總壓低于壁面處的總壓，這主要由旋流產(chǎn)生的離心作用力所引起。

圖6 氣液旋流分離器軸向截面的總壓分布云圖

觀察氣液旋流分離器各截面的總壓分布(見圖7)，可看出內(nèi)部總壓整體上呈對稱分布，入口處最大。

在y=25 mm截面，由于靠近溢流管的氣相出口處，大部分的氣相由此分離出去，導致此處截面相比于其他3個截面，整體總壓較低。

在y=-16 mm和y=-50 mm截面，壓力震蕩程度較明顯。外旋流所在的圓柱形筒體和錐部的器壁兩側(cè)區(qū)域，壓力較高；中心內(nèi)旋流所在區(qū)域壓力較低，并且整個旋流分離器中心區(qū)域的總壓均為最低。而且，在y=-16 mm截面，經(jīng)過旋流分離之后，其溢流管中心處集聚了絕大部分氣相，此時壓力變化趨于穩(wěn)定。有少部分液相被內(nèi)旋流夾帶上去，集中在溢流管的外部，因而兩側(cè)壓力稍高于中間。

在y=-90 mm截面，仍有一部分混合物在進行分離。此時壓力震蕩幅度減緩，流場波動也沒有之前劇烈。大部分液相在這里匯集，并經(jīng)由錐部下方的底流管分離出去。

圖7 氣液旋流分離器各截面的總壓分布曲線圖

3 結 語

筒體作為主要的旋流區(qū)域，氣液混合物從入口管切向進入后，筒體與入口管的連接處形成了一個不穩(wěn)定的流場。此位置的湍流強度較大，壓強也大于分離器內(nèi)部其他部位。由于此時旋流分離尚未充分進行，混合物與器壁的碰撞接觸較少，因此出現(xiàn)了速度最大值。

從4個不同截面的曲線圖來看，溢流管氣相出口處(y=25 mm截面)作為氣相分離的通道，流場分布較穩(wěn)定，各因素的波動較為平緩。筒體(y=-16 mm和y=-50 mm截面)和錐部(y=-90 mm截面)的各因素變化趨勢較為明顯。尤其是筒體部分，內(nèi)外旋流在這里交錯，與器壁發(fā)生激烈的碰撞，混合物的大量動能都被消耗掉，速度迅速下降。