規(guī)整填料表面氣速對氣液混流的影響研究*

王 懿 陳永峰 王晟旻 劉秋實

（1.西安交通大學(xué)能動學(xué)院；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司）

0 引言

分離器是石化工業(yè)領(lǐng)域常規(guī)的設(shè)備之一，傳統(tǒng)分離器是采用內(nèi)置絲網(wǎng)或者格柵的重力分離器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于加工制造，但分離效果不理想。隨著現(xiàn)實生產(chǎn)的需要，對分離器的分離效率和處理能力的要求越來越高，填料式分離器開始應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。由于規(guī)整填料具有比表面積大、壓降小、停留時間短、加大分離速度等優(yōu)點，其在工業(yè)分離器中的應(yīng)用及研究更為廣泛。楊帆[1]針對重力式分離器內(nèi)規(guī)整填料的油水分離特性進行了實驗研究，分別比較了陶瓷、聚丙烯孔板、聚丙烯絲網(wǎng)、聚丙烯六角蜂窩斜管、不銹鋼、不銹鋼孔板、不銹鋼絲網(wǎng)等七種規(guī)整波紋填料板的分離性能。許松林等[2]針對福建省南平市榕昌化工有限公司的分離器分離效果不佳而提出改造方案，分別在臥式和立式分離器內(nèi)布置疏水性能好的塑料波紋板規(guī)整填料，使分離裝置的處理能力提高40%。倪玲英等[3]人對放置了聚結(jié)填料的臥式分離器進行實驗研究，認為聚結(jié)填料對小液滴有較好的聚結(jié)合并作用，能顯著提高油水分離效果。

分離器填料表面的流動過程為多相流動[4]，以分離器內(nèi)的流動模擬為研究對象的研究文獻有限，但已有很多研究人員對填料塔內(nèi)的流動過程進行研究。張鵬[5]將填料塔內(nèi)液體視為非連續(xù)介質(zhì)，同時引入多孔介質(zhì)理論，假設(shè)填料塔內(nèi)的填料構(gòu)成多孔介質(zhì)，借助PHOENICS流體力學(xué)軟件對規(guī)整填料塔內(nèi)的氣、液單相流和氣、液兩相流的宏觀流動情況進行了模擬。Iliuta[6]等人采用了經(jīng)體積平均化之后的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和雙狹縫模型近似法聯(lián)立，建立了預(yù)測氣、液兩相流逆流塔內(nèi)兩相流壓力降和總持液量的兩相流模型，并將模擬結(jié)果與收集的規(guī)整填料塔內(nèi)的實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型的有效性。Spiegel等人[7]采用整體平均CFD法，對規(guī)整填料塔內(nèi)的氣相單相流過程進行模擬，研究了塔內(nèi)的流體分布問題和傳質(zhì)分離效率問題。陳亞平等[8]采用折板形式作為波紋板的近似物理模型，計算了波紋板槽道谷底和波峰兩側(cè)液膜傳熱的綜合效果。

本文以立式分離器內(nèi)布置的板式規(guī)整填料為研究對象，研究規(guī)整填料表面氣液混合流動時，氣速對液體降膜流動的影響。對于氣液混合流動數(shù)值模擬而言，描述方法和確定相界面是最為關(guān)鍵的問題。目前常用的方法有VOF、水平集法（Level Set）和相場法（Phase-Field）[4]。與其他方法相比，相場法是最新的一種氣液相界面追蹤技術(shù)，它將氣液之間表面張力直接引入相場方程，更加適合應(yīng)用在無法忽略表面張力的兩相流界面追蹤中。本文根據(jù)不可壓Navier-Stokes方程和相場方法建立了垂直平板規(guī)整填料上氣液兩相流CFD模型，其中氣相選取為濕空氣，液相為液體水，并利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件對規(guī)整填料板上的氣液混合流動過程進行數(shù)值模擬。本文對不同氣速下液體的流動狀態(tài)進行研究，重點討論了氣速對液體在降膜流動過程以及氣體流動狀態(tài)的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型

規(guī)整填料片上的液膜流動過程是一種比較復(fù)雜的降膜流動現(xiàn)象。為了便于直觀的顯示出氣體速度對規(guī)整填料上液體流動過程的影響，本文忽略規(guī)整填料板結(jié)構(gòu)的變化，以垂直放置的平板填料作為研究對象，物理模型如圖1所示。

圖1 平板填料的物理模型/mmFig.1 Physical Model of packing panel/mm

在進行模擬時，考慮到氣體在填料層內(nèi)流動的速度并不是很大，可將空氣密度假設(shè)為常量，這樣液體與空氣均視為不可壓縮流體，可以使用不可壓縮N-S方程求解問題。此外，本文采用相場法來追蹤氣液相界面，因此，本文研究的控制方程為：

1.1.1 不可壓縮N-S方程

式中，u?為速度矢量；p為壓力；I I為單位向量；η為動力粘度系數(shù)；F?為體積力矢量。

1.1.2 相場方程[10]

在氣液兩相流模擬中，準確追蹤到相界面隨時間的變化過程是研究的關(guān)鍵，考慮到表面張力對液膜的流體有很重要的影響，需要采用方便處理表面張力的方法進行相界面追蹤。相場方法基本思想是相界面的形狀要保證系統(tǒng)有最小的自由能，而表面張力恰恰反映了由局部濃度梯度引起的表面自由能的大小，因而相場方法能夠很好的解決了這一問題。

相場方法用帶有相場函數(shù)的偏微分方程作為界面變量的輸運方程，并且將自由能的變化引入方程中；相場函數(shù)在區(qū)間（-1,1）內(nèi)光滑連續(xù)的變化，并且通過相場函數(shù)的值可以計算出單元格內(nèi)的體積分率。這種方法允許通過整合來解決所有系統(tǒng)的偏微分方程組同時求解，從而避免單獨處理界面上的邊界條件所帶來的困難。相場方程的表達式為

式中，φ為相場函數(shù)；Ψ為輔助變量；γ為遷移率；λ為混合能量密度；ε為界面厚度；fext為自由能[11]。

1.1.3 動量源項[12]

在處理液膜、氣泡、液滴等流動過程時，由于氣液界面曲率半徑很小，由表面張力引起的附加壓力相當可觀，因此不能被忽略。此外，重力也不應(yīng)忽略，因此用簡單的線性關(guān)系描述N-S方程中的動量源項：

式中，δ為Delta函數(shù)，其作用是使表面張力在界面附近取值，在遠離界面的時候為零；κ為界面曲率。

1.1.4 物性參數(shù)

“書刊印刷有歷史延續(xù)性，我們覺得，要把中科印刷發(fā)展起來，還是應(yīng)該按照市場經(jīng)濟的模式，按照企業(yè)自身的特性來制定發(fā)展規(guī)劃?！痹谥锌朴∷?，一方面，出資人要對企業(yè)負有直接責任，其經(jīng)營決策和自己的利益直接掛鉤；另一方面，中國科學(xué)院在企業(yè)的經(jīng)營模式轉(zhuǎn)換上，起到?jīng)Q定的作用，確定企業(yè)實行股權(quán)社會化，即進行企業(yè)社會化的改造。有了政策的支持，2015年，中科印刷便在市場大河中尋找到了國彩，兩家企業(yè)重組合并，進行資金與社會資源的雙結(jié)合，產(chǎn)生了1+1的效應(yīng)。

方程中的物性參數(shù)由系統(tǒng)的兩相共同確定，如氣-液混合流中的流體密度 ρ、粘性系數(shù)μ可用式（6）和（7）來表示。

式中，Vf,l為單元格內(nèi)液體的體積分率。

本研究中氣體和液體的密度和粘性系數(shù)分別選取溫度為20℃相對濕度為0.8的濕空氣和溫度為20℃液體水對應(yīng)的物性參數(shù)[13]。

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算區(qū)域。由于液膜流動屬于近壁面流動，受液膜粘性底層的影響，同時考慮到液膜流動時可能會因氣速與液速不同而在界面處受到氣體的影響，而且液體與氣體在進入模擬區(qū)域時，會因流通面積的變化而使流動特征發(fā)生變化，因此在劃分網(wǎng)格時對液膜區(qū)域及靠近氣、液進口處的邊界附近進行了網(wǎng)格加密，這樣即能保證計算精度又能節(jié)省計算時間。

氣液進口均設(shè)為速度邊界條件；氣液出口均設(shè)為壓力邊界條件，取出口表壓為零；平板壁面設(shè)為無滑移壁面邊界條件；對稱邊界設(shè)為對稱邊界條件。

2 模擬結(jié)果及討論

考慮到液體成膜后，液體速度與氣速不再一致，氣速與液速分別給定；為了探尋氣液混合流動時的各種不同狀態(tài)，例如尋找出液膜成膜的臨界點，算例中所給定的氣速和液速與實際運行工況存在偏差。

2.1 氣速對液體是否成膜的影響

為體現(xiàn)不同氣速下液體的流動特點，選取液速為0.04m/s，氣速分別為0.5m/s，0.3m/s和0.1m/s三種情況進行討論，本部分所選取的時間截圖不以時間等距為取圖標準，而是以能充分反映流動特征為依據(jù)來取圖。

圖2是氣速為0.5m/s、液速為0.04m/s時的流動液體流動過程。由圖2可以看出，液體在平板上無法形成覆蓋全板的液膜。液體流入平板后最初能形成較為平緩的小段液膜；之后，受表面張力的作用，液膜前端有液量聚集，受重力作用而與連續(xù)液膜發(fā)生斷裂，形成液滴向下流動。因液體連續(xù)從進口流進，來流不斷在液膜前端聚集，在氣體的吹掃、重力以及表面張力的共同作用下，液膜前端不斷從液膜部分脫離，使得平板上的某一位置成為液膜流和滴狀流的分割點。

圖2 氣速0.5m/s液速0.04m/s的液體流動過程Fig.2 Liquid flow condition at gas speed of 0.5m/s,liquid speed of 0.04m/s

當氣速減小到0.1m/s時，如圖4所示，最初的液體流動狀態(tài)依然是在靠近出口處形成液膜，然后液膜斷

圖3 氣速0.3m/s液速0.04m/s的液體流動過程Fig.3 Liquid flow condition at gas speed of 0.3m/s,liquid speed of 0.04m/s

綜上可以看出，氣速為0.5m/s和0.3m/s時，由于氣液之間的相互作用，液體均不能在板面上形成穩(wěn)定的連續(xù)液膜。當氣速降為0.1m/s時，氣體對液體的吹掃作用減弱，液體能在平板上形成穩(wěn)定連續(xù)的液膜。

2.2 氣速對液膜厚度的影響

為了比較氣速對液膜厚度的影響，選取可穩(wěn)定成膜時的液速0.08m/s及其所對應(yīng)的三個不同氣速（0.1m/s、0.5m/s和0.9m/s）的流動情況加以對比。三種氣速下，液膜的厚度都非常小，且隨著氣速的增大，液膜厚度逐漸變薄。氣速為0.1m/s時，液膜厚度為1.974mm，當氣速增大到0.5m/s時，液膜厚度減小為1.972mm，當氣速再裂，液膜長度迅速減小，但是當液膜再次流動到出口處時，便不再發(fā)生斷裂，雖然有表面張力的作用存在，使液膜在出口處的厚度在短時間內(nèi)處于變化狀態(tài)，但氣體速度的減小使得吹掃作用減弱，出口處的液膜逐漸趨于穩(wěn)定，平板上的液體最終將以穩(wěn)定連續(xù)液膜的形式流動。增大到0.9m/s時，液膜厚度進一步減小為1.971mm。這種變化是由于氣速的增大，使得氣體對液膜的吹掃作用相應(yīng)增大，最終導(dǎo)致液膜相對變薄。不過這種變化非常小，最厚液膜與最薄液膜之間僅相差0.003mm，可以認為氣速對液膜厚度的影響很小，可忽略不計。

圖4 氣速0.1m/s液速0.04m/s的液體流動過程Fig.4 Liquid flow condition at gas speed of 0.1m/s,liquid speed of 0.04m/s

2.3 氣速對氣體流動的影響

在氣液混合流動過程中，氣速除了對液體的流動產(chǎn)生作用外，也會對氣體自身的運動狀態(tài)產(chǎn)生影響。為了比較不同氣速對氣體流動的影響，選取液速為0.08m/s，氣速分別0.1m/s、0.3m/s和0.5m/s時的三種流動狀態(tài)下的氣體流線和粒子追蹤圖進行對比（如圖5所示）。

圖5 液速0.08m/s時不同氣速下的流線和粒子追蹤圖Fig.5 Streamline and Particle tracking at liquid speed of 0.08m/s

圖5的每組圖中，左側(cè)為流線圖，右側(cè)為粒子追蹤圖。由圖5（a）可以看出，氣速為0.1m/s時，氣體大部分呈旋渦和波浪式流動，而且在流動空間內(nèi)要繞流很長時間才會從出口流出。這是由于液體的注入過程會占據(jù)了部分氣體的流動空間，導(dǎo)致氣體流通面積變小，并具有向?qū)ΨQ中心流動的趨勢，而此時流入氣體的速度小、吹掃作用弱，無法削弱氣體向?qū)ΨQ中心運動的趨勢，再加之氣體進口處的突擴作用，從而使氣體在流動空間內(nèi)形成部分旋渦。當氣速增加到0.3m/s時，氣體的吹掃作用開始顯現(xiàn)，流動空間內(nèi)的旋渦和波浪痕跡明顯減少，只出現(xiàn)在出口附近（如圖5（b）所示）。當氣速進一步增加到0.5m/s時，氣體向?qū)ΨQ中心流動的趨勢被較大流速的氣體打破，使得其在流動空間呈現(xiàn)出較為均勻的流線分布，對流動空間內(nèi)的氣體做無質(zhì)量粒子追蹤，粒子追蹤圖與流線圖相似，粒子運動路徑也呈現(xiàn)出較為均勻的類直線型（如圖5（c）所示）。

當流動空間內(nèi)的氣體出現(xiàn)旋渦式流動時，渦流氣體會對不斷流入的氣體產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致流入的氣體不能順暢的通過流動空間或者卷入渦流而在流動空間內(nèi)循環(huán)流動，使循環(huán)流動的氣體會出現(xiàn)反復(fù)與液體接觸的情況。此外，氣體旋渦的存在時有效流通面積減小，氣體流過旋渦處時，由于縮頸效應(yīng)的存在，流動速度增大，與液膜接觸的傳質(zhì)時間變短，影響分離效果。

3 結(jié)論

本文根據(jù)不可壓Navier-Stokes方程和相場方法建立了垂直平板填料氣液混合流動CFD模型，通過數(shù)值模擬研究了不同氣速對液體流動過程的影響，定性分析結(jié)果表明：

1）對于垂直平板上氣液混合流動過程，當液體速度較小時，氣速對液體在降膜流動過程中是否成膜有影響，會使液體在流動中分別呈現(xiàn)：①部分成膜、部分滴狀流動；②成膜時間短暫且液膜很薄，成膜后液膜迅速斷裂；③可以形成均勻連續(xù)液膜。

2）氣速對液膜厚度影響很小，基本可以忽略。

3）氣速對氣體流動狀態(tài)很大的影響，隨氣體速度的增加，氣體吹掃作用增大，會使氣體的流動形態(tài)分別呈現(xiàn)：①旋渦式流動；②出口附近旋渦式流動；③較為均勻的類直線型流動。

當液體也穩(wěn)定液膜形式存在時，氣體與液體的接觸表面積大，傳質(zhì)面積大，為實現(xiàn)更好的分離提供必要條件。另一方面，含液氣體只有在速度達到一定程度時，才能與液膜表面充分接觸實現(xiàn)傳質(zhì)過程；當氣速較小時流動空間內(nèi)會出現(xiàn)氣體旋渦，使氣體與液體的有效接觸過程減弱，傳質(zhì)分離過程被削弱。

由于實際應(yīng)用中，板式規(guī)整填料有很多種類，如波紋板、孔板、蜂窩板等多種形式，在不同類型的板式填料表面，氣液混合流動的流動性能及流動對分離的影響都會有所不同。為強化分離效果，仍需進一步的研究不同形式的規(guī)整填料板表面的流動情況。