基于RSM 模型的油-水旋流器單相流場特性模擬研究

艾賢明，華衛(wèi)星，張起欣，李 江，管金發(fā)，周 毅

（1.中國航空油料西北公司，西安710082；2.陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系，重慶401311）①

旋流器是油水分離的主要設(shè)備，旋流器內(nèi)流場的流動屬于強(qiáng)湍流運(yùn)動［1］。目前，對湍流的理論研究還不能和層流相比，只能通過模型假設(shè)來對旋流器的流場進(jìn)行預(yù)測［2-4］。為了確定粒子在旋流器內(nèi)的運(yùn)動軌跡，探明速度、壓力等流場特征，本文采用RSM 模型，對油-水旋流器的單相流流場的特征進(jìn)行模擬研究。

1 模型的建立

1.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，得到高質(zhì)量網(wǎng)格的原則為：網(wǎng)格單元的穩(wěn)定性好，即在三維空間里，六面體的數(shù)量和質(zhì)量較高；網(wǎng)格的正交性好且較為光滑；在湍流度強(qiáng)、雷諾數(shù)高的地方要有充分的網(wǎng)格點(diǎn)，避免出現(xiàn)漏選的情況發(fā)生［5-8］。

采用前處理軟件Gambit對旋流器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分決定了計(jì)算的精度，分別對0.1、0.5和1.0等不同網(wǎng)格尺度進(jìn)行嘗試，最終得到了一個(gè)合適的模型。該模型包括353 421 個(gè)節(jié)點(diǎn)、988 612個(gè)網(wǎng)格和2 114 010個(gè)面，如圖1所示。

圖1 旋流器網(wǎng)格劃分

1.2 初始邊界條件

通過設(shè)置初始邊界條件，與選用的模型相結(jié)合，可以使方程組成為定解問題。初始邊界條件的設(shè)置要盡量與實(shí)際情況相關(guān)，尤其是在這種復(fù)雜的流動情況下，要求更加嚴(yán)格。本文采用時(shí)均方程，只需對邊界條件進(jìn)行設(shè)置，通過改變邊界條件，可以得到不同情況下的模擬結(jié)果，相比試驗(yàn)而言，具有方便、高效的優(yōu)點(diǎn)。旋流器初始邊界條件主要有入口、出口和壁面等［9-11］。

1.2.1 入口邊界條件

旋流器入口采用速度入口邊界，來流流體為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的水，假設(shè)入口處的湍流已經(jīng)充分發(fā)展，入口處湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，按式（1）計(jì)算［12-14］。

式中：I為入口湍流強(qiáng)度；u′為湍流脈動速度；u 為平均流速；ReDH為管流雷諾數(shù)。

由于來液流動方向與進(jìn)口邊界垂直，采用速度入口。

式中：k為紊流脈動動能；ε為紊流脈動動能的耗散率；Cμ為黏性系數(shù)；lm為水力直徑。

1.2.2 出口邊界條件

假設(shè)流體在出口處湍流已達(dá)充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，出口邊界選用壓力出口邊界，采用第二邊界條件為0，作為出口邊界條件［15］。

式中：ur為流體線速度；uθ為流體角速度；uz為流體軸速度。

出口的邊界條件一般由于與外界大氣直接相通，可以作為自由出流條件來進(jìn)行計(jì)算。

1.2.3 近壁面條件設(shè)置

1.3 模型假設(shè)

通過對數(shù)學(xué)模型的分析和物理模型的選擇，進(jìn)行以下假設(shè)：①水相為連續(xù)穩(wěn)定的，不存在任何密度和狀態(tài)的變化；②油相為均勻分布的球狀顆粒，可以受到離心力作用，沒有發(fā)生團(tuán)聚、破碎和乳化的現(xiàn)象；③分離過程中外界的溫度不變；④分離過程中，

湍流是一種黏性有旋流動，在壁面上切向速度為0，液體與壁面無滑移；在法線方向上，液體速度都為0。尤其在近壁面根據(jù)邊界層理論，由于黏性力的作用，對于本文所選的水，設(shè)定為無滑移條件，壁面邊界條件為［16］：各組分的尺寸沒有發(fā)生變化。

1.4 模擬過程及分析

選擇雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行模擬，在邊界條件設(shè)置好的情況下，殘差數(shù)量級設(shè)為10-6，經(jīng)過1 800步的迭代，方程收斂。殘差收斂過程如圖2所示。

由圖2可知，各個(gè)參數(shù)隨著迭代次數(shù)的不斷增加，殘差也不斷減小，并且下降曲線也比較平滑，證明了模擬過程較為合理，能反映真實(shí)的流動情況。

圖2 殘差收斂過程

為了增加模擬結(jié)果的直觀和分析的方便性，分別取溢流段、圓柱段、大椎段、小錐段和底流段上的截面作為分析對象，如圖3所示。

圖3 旋流器的數(shù)據(jù)采集截面

2 單相流流場模擬

2.1 流場的運(yùn)動軌跡

旋流器的內(nèi)流場的運(yùn)動軌跡如圖4所示。

從圖4可知，在旋流器內(nèi)的流場中，隨著流體的流動，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流，并在旋轉(zhuǎn)力場的作用下，自動地分為內(nèi)外2個(gè)螺旋，外螺旋方向向下，內(nèi)螺旋方向向上；大部分的流體都從外螺旋中經(jīng)底流口流出，只有少部分的流體從內(nèi)螺旋經(jīng)溢流口流出。

圖4 旋流器內(nèi)流場流線云圖

2.2 速度場特征

以上述旋流器作為模擬對象，設(shè)置入口速度為17 m／s，旋流器中x=0和z=0.005截面上的速度矢量如圖5～6所示。

圖5 x=0和z=0.005截面上的速度矢量云圖

圖6 旋流器的三維速度矢量云圖

從圖5中可以看出，因?yàn)閱稳肟谠斐傻牟粚ΨQ性，在流場中不同區(qū)域的流動也不同，特別是在圓柱段和大錐段，可以清晰地看出，內(nèi)流場并不沿著旋流器的幾何軸心對稱。從圖6中可以得到，入口處的速度場數(shù)值明顯大，且所占的區(qū)域廣。隨著在旋流器中的流動，數(shù)值不斷減小，影響區(qū)域也減小，從而在截面中留下了近似橢圓形狀的速度等值圖。

2.3 切向速度

在旋流器的流場中，切向速度是離心力場產(chǎn)生的，而且數(shù)值也遠(yuǎn)大于其他兩向的速度。從理論上講，旋流器內(nèi)的切向流動應(yīng)該等同于理想流場中的強(qiáng)制渦與自由渦的組合運(yùn)動，但是由于流動空間的受限，以及特殊結(jié)構(gòu)的影響，旋流器內(nèi)僅在外圍區(qū)域形成了準(zhǔn)自由渦流動，而在軸心附近則可視為強(qiáng)制渦。

旋流器內(nèi)流場各位置段的切向速度如圖7～10所示。

圖7 溢流口與圓柱段切向速度對比

從圖7可以看出，在溢流口處的流體切向速度數(shù)值較小，在2 m／s以下，且從軸心向器壁方向，切向速度先增大后減少，但是整體情況比較平穩(wěn)，說明了溢流口內(nèi)的流體在流出旋流器時(shí)，基本上已經(jīng)進(jìn)入了比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在圓柱段的流體切向速度數(shù)值就比較大，最大值達(dá)到了12 m／s，而且隨著徑向位置的變化，數(shù)值變化也比較大，從軸心向器壁方向，切向速度先增大后減小，再增大至最高值，最后變?yōu)?，說明了流體在圓柱段的運(yùn)動比較復(fù)雜，受到的各種作用力也比較多，導(dǎo)致運(yùn)動速度的變化也比較大。

圖8 圓柱段與大錐段切向速度對比

從圖8可以看出來，大錐段內(nèi)的流體切向速度相對較小，基本上都在10 m／s以下，且隨著半徑的增加，切向速度先增大，在快接近壁面時(shí)達(dá)到最大值，最后迅速減小到最小值，說明了大錐段內(nèi)的流體切向運(yùn)動是對稱的，沿著固定的規(guī)律運(yùn)動。與圓柱段相比，流體的切向運(yùn)動就比較規(guī)律，且運(yùn)動的范圍和劇烈程度都有所下降。

圖9 大椎段與小錐段切向速度對比

圖10 小錐段與底流段切向速度對比

從圖9中可以看出，小錐段內(nèi)的流體切向速度較小，最大值未達(dá)到3 m／s，特點(diǎn)也是沿著軸心到壁面的方向先增大后減小，比較對稱，說明了流體在此處的切向運(yùn)動已經(jīng)比較平穩(wěn)。與大錐段相比，流體的切向運(yùn)動除了在范圍和數(shù)值上比較小，其他都較為相似。

從圖10可以看出，底流段內(nèi)的流體切向速度比較平穩(wěn)，基本上在2 m／s以下，隨著半徑的變化也沒有太大的波動，說明流體在這里已經(jīng)進(jìn)入了平穩(wěn)階段，正常流出底流口。與小錐段相比，流體切向運(yùn)動大大減小，變化趨勢也更加微弱，底流段的流體主要是軸向運(yùn)動，與實(shí)際情況比較一致。

3 結(jié)論

1） 旋流器內(nèi)流場在不同位置的切向速度是呈緩慢地變化，隨著軸向位置的下降，切向速度受徑向位置的變化影響越來越大。

2） 流場的對稱性對旋流器的工作效率也有很大影響。雙入口旋流器流場在對稱性和分離效率上要好于單入口旋流器，但是迫于成本、安裝等問題，單入口的旋流器應(yīng)用更加廣泛。

3） 在溢流口下的區(qū)域內(nèi)，流場的對稱性比較好；在錐段下半部分和接近底流口的位置，對稱性就比較差，其原因可能是由于流道變化導(dǎo)致的湍動能加強(qiáng)造成的。