油泥清洗器內液固兩相流的數值模擬研究

李介普， 趙 斐

（北京航天試驗技術研究所， 北京100047）

0 引言

在石油行業(yè)中，石油在開采、煉制等過程中會有大量的油泥產生，油泥[1]的組成充分很難明確定義，是一種多相的混合物，主要的成分為原油、污水、油砂等。油泥既是生產中的廢物，又是可以循環(huán)利用的二次能源，需要一套完整的油泥清洗裝置，其中油泥清洗器的作用是將油水固三相充分混合，通過攪拌器的攪拌，使流體得到動勢能，在攪拌槽形成合適預期效果的流場[2-4]。本文采用CFD 方法，研究了得到油泥清洗器攪拌槽內的局部流動狀態(tài)和混合狀況，對于油泥清洗器中攪拌器的設計提供了一定的參考。

1 數學模型

1.1 理論模型

本論文采用基于歐拉-歐拉模型下的歐拉兩相流模型，根據實際工藝參數，罐內實際為油水固三相，由于含油量較少，將水和泥沙作為液-固兩相。 兩相初始狀態(tài)簡化為固體泥沙沉于清洗罐底，泥沙沉底高度為1200mm。兩相動量交換系數選用Gidaspow 模型，湍流模型采用標準k-ε模型[5]，模型的湍動能k 和湍動耗散率ε 方程如下式：

式中：Gk—由速度梯度變化而產生的湍流動能；Gb—受浮力的作用產生的湍流動能；YM—可壓縮流體中的脈動膨脹對耗散率的作用；μl—湍流粘性系數。在Fluent 里，作為默認值，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；湍流普朗克數分別為σε=1.3，σk=1.0。

液固兩相流的模擬求解方法采用基于非穩(wěn)態(tài)的隱性非耦合算法求解，壓力與速度之間的耦合采用Phase Coupled SIMPLE 算法，動量方程、湍動能方程等方程全部按一階迎風的格式進行離散[6]。

1.2 計算模型

設備采用平底、平蓋攪拌罐，為常壓容器，體積75m3，容器直徑4000mm，容器高度6000mm，攪拌器為三段槳葉式攪拌器，兩瓣槳葉，槳葉長度3000mm，槳葉高度和槳葉寬度的尺寸分別為0.1 和0.01 倍槳葉長度的尺寸， 最下一層槳葉離罐底200mm，每一層相距1400mm，攪拌轉速18r/min。

本文采用滑移網格模型進行網格劃分?；凭W格模型在計算時，將計算流域分為兩大部分：一個區(qū)域包含運動的槳葉和下半部分攪拌軸，即轉子區(qū)；另一區(qū)域包靜止的容器和上半部分攪拌軸，即定子區(qū)；兩個區(qū)域之間有網格分界面。 模型采用非結構化網格進行劃分，采用TGrid 類型的三面體網格，同時為了保證網格質量，在動區(qū)域的槳葉的網格先進行面網格劃分，后采用結構化的四邊形網格，攪拌罐的網格劃分圖如圖1 所示。

圖1 攪拌罐的網格劃分圖Fig.1 Geometric diagram of stirred tank

1.3 物料參數

工藝參數為含固10%進料，油水固三相進料，物料停留時間3 小時，含油量較少可忽略。 各物料的質量流量分別為：水19662kg/h，固體（泥沙）2280kg/h。 固體的相體積分數為90%。取泥沙顆粒粒徑約為111μm，密度2500kg/m3，粘度0.001003Pa·s。

2 模擬結果分析

2.1 攪拌器垂直截面的速度云圖和速度矢量圖

圖2 所示為三層槳葉式攪拌器垂直截面的速度云圖和速度矢量圖。由速度云圖可知，攪拌器葉片周圍的流體速度最大，槳葉端部的速度比槳葉中心靠近攪拌軸的地方大。兩個槳葉間的區(qū)域速度較小，最上層的槳葉上部有集中的高亮區(qū)域，此處的吸入速度較大，葉片噴射的液流進入低速的流體中，卷吸周圍的流體，隨后沿著徑向擴散。由速度矢量圖可知，在槳葉的上方和下方均形成了一個渦旋流動，三層槳葉附近均出現雙渦旋環(huán)流場結構，槳葉與槳葉間有相互作用， 流體在葉輪端部的出口處有很強烈的徑向運動，徑向速度較大。

圖2 垂直截面速度云圖和速度矢量圖Fig.2 Velocity contours and velocity vectors of vertical section

在葉輪區(qū)域，葉輪旋轉直接推動流體流動，形成主流，流動特征具有射流特征，射流出去的流體撞得攪拌槽壁，分成兩個分支，分別向上、下流動，在遠離葉輪的區(qū)域，射流流體卷帶周圍的流體形成次流。 在葉輪區(qū)域的三個速度分量中，主要是徑向速度和軸向速度為主。槳葉下方靠近攪拌軸中心的區(qū)域，流體出現反向的流動，這個區(qū)域叫誘導錐形區(qū)，該區(qū)域附近的流體速度很小，容易出現攪拌混合不均勻現象。

2.2 攪拌器的軸向速度云圖和徑向速度云圖

圖3 所示為軸向速度云圖和底層槳葉的徑向速度云圖。由軸向速度云圖可知，槳葉端部上下兩側的軸向速度較大，上下兩側的軸向速度方向相反。由于頂層槳葉上方無槳葉區(qū)域的環(huán)流渦旋現象較明顯，最頂層槳葉上端區(qū)域的軸向速度最大，液固兩相混合較充分。由底層槳葉的徑向速度云圖可知，沿著攪拌器的旋轉方向，葉輪的端部的徑向速度最大，槳葉兩側的流體徑向速度分布較為均勻，整體形成一個大環(huán)流， 攪拌器的周圍比攪拌槽邊壁處的徑向速度大，有利于液固兩相流混合。

圖3 垂直截面的軸向速度云圖和底層槳葉徑向速度云圖Fig.3 Axial velocity contours of vertical section and radial velocity of bottom blade

3 結論

油泥清洗器攪拌漿葉周圍的流體速度最大， 葉片附近的流動具有射流特征，槳葉上下方出現雙渦旋環(huán)流場結構，有利于兩相流混合。 在槳葉下方靠近攪拌軸中心的誘導錐形區(qū)，流體速度很小，容易出現攪拌混合不均勻現象。

受環(huán)流渦旋的影響， 槳葉端部上下兩側的軸向速度較大，葉輪的端部的徑向速度最大，槳葉兩側的流體徑向速度分布較為均勻，有利于液固兩相流混合。