反射式入流構件對重力油水分離器流動均勻性的影響及結(jié)構優(yōu)化

李 權王宗勇林茹亭李 航劉家棟

(沈陽化工大學機械與動力工程學院,沈陽 110020)

在重力分離器中,入流構件的作用是吸收進入分離器內(nèi)高速液流的動能,減小入流對設備內(nèi)流場的沖擊,同時具有促進入流初步分離的作用。 常用的入流構件有擋板式、碟式、離心式和孔箱式等。其中擋板式和蝶式主要利用碰撞原理使液流從擋板邊緣流向分離區(qū),防止入流直接沖擊分離區(qū)流場。 由于擋板后流場比較紊亂,流動條件差,不利于油水分離過程的進行,目前較少使用[1]。 離心式入流構件是利用離心原理,強化入流構件的預分離作用,因其處理量大、停留時間短、分離效率高、維護成本低而具有較大的應用潛力[2]。 但離心式入流構件存在動力消耗大、入流不均勻等缺點,在強調(diào)預分離作用的情況下,離心式入流構件是一種不錯的選擇。 孔箱式入流構件具有較好的穩(wěn)流、整流作用,但該構件結(jié)構復雜、占據(jù)有效空間大,預分離作用沒有離心式入流構件效果明顯。

隨著計算機技術的進步,數(shù)值模擬(CFD)法已成為入流構件設計的一種有力工具,可確定入流構件的最佳幾何形狀和尺寸[3]。 CFD 能夠獲得兩相行為特征的流場細節(jié),這是實驗方法難以提供的[4]。 Mahmood 等[5,6]采用Eulerian-Eulerian 模型,通過Fluent 軟件模擬研究了入口位置及入流方向?qū)Ψ蛛x器性能產(chǎn)生影響,發(fā)現(xiàn)改變?nèi)肓鞣较驅(qū)Ψ蛛x器性能影響較顯著,可使分離效率提高約8%;江朝陽等[7]利用Fluent 軟件的Realizablek-ε模型及響應面分析法研究了一種改進的圓孔分散式入口構件與分離器不均勻度Mf的關系,結(jié)果表明:射流圓孔面積比(P1)、球面封頭面積比(P2)、側(cè)面孔口距離比(P3)對Mf的存在相互影響,最適宜組合為P1=0.030,P2= 0.100 和P3= 0.036;呂宇玲等[8]應用Standardk-ε模型和混合物模型,以水和白油為工質(zhì)模擬了分離器內(nèi)倒T 形和耙形入口構件,結(jié)果表明后者具有更好的油水分離特性;王曉靜等[9]利用Fluent 軟件的Standardk-ε模型和混合物模型分析了分離器內(nèi)具有不同開孔率的液盒式入口構件,確定開孔率30%的入口構件具有較好的油水分離特性;周曉君等[10]利用Fluent 軟件對比分析了分離器在3 種入口構件工況下的流動特性,得到結(jié)論為孔箱式入口構件的流動特性最好;王熙等[11]應用Fluent 軟件的Standardk-ε模型和混合物模型對加入3種入流擋板的油水分離器進行了模擬分析,表明下孔箱式入口結(jié)構能夠有效降低流場出現(xiàn)渦旋及返混現(xiàn)象,進而提高油水分離效率。

上述研究表明性能優(yōu)良的入流構件可有效改善分離器內(nèi)流場的分布狀況,減緩入流對分離器內(nèi)流體的沖擊,使分離器內(nèi)部流場更接近柱塞流動,更有利于油水兩相的分離[12,13]。 流速分布的均勻性不僅反映了入流構件的性能,也表征了分離器的分離能力。

工程應用結(jié)果表明反射式入流構件具有結(jié)構簡單、穩(wěn)流效果好、安裝方便、制造成本低等優(yōu)點。同時該入流構件體積小,可顯著增大油水分離區(qū)域,特別適用于小直徑重力分離器。 盡管該種入流構件在工程上常有應用,但對其研究卻鮮有報導,其安裝方式和結(jié)構參數(shù)對流場的影響不是很清晰,影響了該種入流構件進一步的工業(yè)化應用,因此有必要對其進行深入研究。 本研究旨在通過流速均勻性這一與分離效果密切相關的參數(shù),對反射式入流構件的各結(jié)構參數(shù)進行評價,并以其為目標進行響應面優(yōu)化,得到該種類型入流構件的優(yōu)化結(jié)構,為反射式入流構件的設計提供技術支持。

1 模型和邊界條件

1.1 幾何結(jié)構的建立

本研究對象為小直徑管式重力油水分離器,該分離器的幾何模型利用Solidworks 建立,為能夠準確反映入流構件自身對流動特性的影響,分離器內(nèi)未設置整流構件和聚結(jié)構件,分離器幾何結(jié)構如圖1 所示,其結(jié)構參數(shù)如表1 所示。

表1 管式重力油水分離器結(jié)構參數(shù)Table 1 Structural parameters of tubular gravity oil-water separator

本研究的入流構件是一個“J”形彎管,根據(jù)彎管在垂直方向安裝方位的不同,可分為上裝和下裝2 種,其中,上裝方式指彎管的直段部分與分離器筒體頂部連接固定即圖1 中顯示方位,而下裝方式則是指彎管的直段部分與分離器筒體底部連接固定即圖1 中彎管垂直對稱方位(圖1 中未顯示)。 待分離流體流出彎管后沖擊到封頭壁面上,在封頭壁面的作用下反向流向分離器內(nèi)部。 表征入流構件的結(jié)構參數(shù)主要包括3 個,分別為射流距離(d)、入流角度(θ)和入流口垂直位置(h)。 本研究重點針對上述3 個參數(shù)分析其在上裝和下裝情況下對分離器流動特性的影響規(guī)律。

圖1 管式重力油水分離器幾何結(jié)構Fig.1 Geometric structure of tubular gravity oil-water separator

1.2 理論分析

本工作所研究的管式重力油水分離器內(nèi)流體的動力學控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程。

連續(xù)性方程:

式(1)中:ρm為油水兩相混合液的密度,ρm=vm為混合液的質(zhì)量平均速度,vm=; 其中αf、ρf和vf分別是第f相的體積分數(shù)、密度和速度。

動量守恒方程:

式(2)中:F是質(zhì)量力;μm是混合流體的動力黏度:為f相的漂移速度。

為準確分析入流構件對分離器內(nèi)流動特性的影響,引入均勻性評價指標Uh,該指標可反映分離器整個通流截面的流體軸向速度分布特性,具有可比性強、使用范圍廣的特點。Uh越大,表示流體在截面處的速度均勻程度越好,流場差異性越小。Uh的計算公式為[14]:

式(4)中:Uh值域范圍為[0,1];ui和-u分別為測量截面上各點軸向速度和軸向平均速度。

1.3 計算模型的設置

本研究模擬工質(zhì)為油水混合液,其中連續(xù)相采用T=298 K 時的液態(tài)水(ρw=998.2 kg·m-3,μw=1.003×10-3Pa·s),分散相為相同溫度下的柴油(ρo=730 kg·m-3,μo=2.4×10-3Pa·s)作為分散相,油相的體積分數(shù)為10%。

為了表征混合流體在入流管內(nèi)的流動狀態(tài),令其在入口管內(nèi)的雷諾數(shù)Rei=ρmuid1/μm,其中,ρm和μm為入流混合流體密度和黏度,ui為混合流體在入口管內(nèi)的平均流速,d1為入流管內(nèi)徑。 由油水分離器的結(jié)構尺寸得分離器容積V=0.0575 m3,若入口流平均速度ui=0.265～0.440 m·s-1范圍內(nèi),則流體在油水分離器內(nèi)的停留時間約為4～7 min,相應的入口管雷諾數(shù)Rei=5640～9359,故在模擬計算時采用Fluent 計算軟件,分離器進口設為均勻速度進口邊界條件(Velocity-inlet)。 流體在入口管及其出口附近為湍流狀態(tài),模擬計算時選擇湍流模型(Standardκ-ε)。 多相流模型采用混合物(Mixture)模型;油/水出口選擇自由出流(Outflow)邊界條件,出油口/出水口的流量加權(Flow Rate Weighting)分別設置為0.1 和0.9;求解方法選取SIMPLEC 算法,離散格式選擇二階迎風。 呂玉玲[8]、王曉靜[9]、侯先瑞[15]等學者先后運用Fluent 中的Standardκ-ε模型和Mixture 模型研究內(nèi)構件對重力分離設備流動特性的影響,實驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好,說明所選擇的模型是合適的。

1.4 網(wǎng)格獨立性驗證

為驗證模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的非相關性,本研究對各種結(jié)構參數(shù)下的分離器進行了不同網(wǎng)格數(shù)量的獨立性驗證。 其中,以上裝入流構件(h=0.3D,d=0.075D,θ=60°)的參數(shù)為例,對分離器采用ICEM CFD 工具分別進行了8 組不同數(shù)量的網(wǎng)格劃分。 考察x=8/61L、x=40/183L截面處速度均勻度Uh隨網(wǎng)格數(shù)量變化情況,其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 軸向速度均勻度Uh 隨網(wǎng)格數(shù)量的變化Fig.2 The variation of axial velocity uniformity Uh with the number of grids

由圖2 可知,當網(wǎng)格數(shù)量超過1.05×106時,變化曲線趨于水平,x=8/61L、x=40/183L截面上速度均勻度Uh不再隨網(wǎng)格數(shù)量的增加而產(chǎn)生明顯變化,因此在進行數(shù)值模擬過程中,采用不低于1.05×106的網(wǎng)格數(shù)進行模擬計算,在計算速度和計算精度之間得到良好的權衡。 適合的網(wǎng)格數(shù)量和良好的網(wǎng)格質(zhì)量將有助于快速收斂和提高計算結(jié)果的精確性[16]。

2 CFD 模擬結(jié)果與分析

2.1 入流構件對分離器內(nèi)部流場的影響

為了更直觀地分析單因素結(jié)構參數(shù)對分離器流場均勻性的影響,求出分離器輕重相分離核心區(qū)域[x0,x1] =[1/6L,5/6L]的均勻度平均值N,其可表示為公式(5)。

分離器前1/6L長度范圍為混合液入口段,兩相還沒有開始分離,僅是在為分離作準備;而5/6L以后的長度范圍為油水兩相的出口段,到達該段的油水混合物經(jīng)過重力沉降等作用已經(jīng)達到分層狀態(tài)。而[1/6L,5/6L]區(qū)域通常為聚結(jié)構件所處的范圍,為輕重兩相進行重力沉降、油滴聚結(jié)、油層上浮并最終完成兩相分離的關鍵區(qū)域。 此范圍的N可以表征分離器的分離能力,為此選用該參量分析入流構件結(jié)構參數(shù)對流場的影響更有價值。

本研究選擇在混合液入口流速ui=0.39 m·s-1,入流管內(nèi)雷諾數(shù)Rei=8297 條件下,運用控制變量法分析入流構件對分離器流場的整體影響,探究不同安裝方式入流構件結(jié)構參數(shù)對流場的影響規(guī)律。

為分析入流口垂直位置h,射流距離d、入流角度θ對分離器流動均勻性的影響。 取h=0.3D,d=0.075D為定值,改變θ的大小,計算不同安裝方式下N隨θ的變化情況,如圖3 所示;取h=0.3D,θ=60°為定值, 在d= 0.025D～ 0.150D范圍內(nèi)以0.025D為增量改變d的大小,計算不同安裝方式下N隨d的變化關系如圖5 所示;取d=0.075D,θ=60°為定值,改變h的大小(h= 0.175D、0.200D、0.225D、0.250D、0.275D和0.300D),計算不同安裝方式下N隨h的變化關系,如圖7 所示。 同時,為清楚顯示分離器內(nèi)部流場渦旋變化情況,分別取h= 0.30D,d= 0.075D,θ= 90°;h= 0.30D,d=0.075D,θ=60°;h=0.25D,d=0.075D,θ=60°結(jié)構參數(shù)下的上裝和下裝入流構件入口段(0～1/3L)處的渦量云圖及流線進行對比,如圖4、圖6 和圖8所示。

圖3 均勻度平均值N 隨θ 的變化Fig.3 Average value of axial velocity uniformity N with θ variation

由圖3 可知,入流構件下裝和上裝結(jié)構入流角度θ與N呈先增大后減小的變化規(guī)律,當θ=90°時,2 種結(jié)構的N最大。 入流角度決定了入射流體經(jīng)過封頭壁面反射后,流體的流動方向,比如上裝方式,當θ<90°時,反射流呈現(xiàn)斜向下流動趨勢,如圖4 所示,致使分離器內(nèi)流體特別是靠近入流構件附近流體產(chǎn)生一定大小的豎直方向速度分量,該速度分量隨θ的增加而減小,在θ=90°時到達最小,因此在該角度時分離器均勻度最好。 下裝方式入流構件也會產(chǎn)生與上裝相似的流動現(xiàn)象,不同之處主要在于當θ<90°時,反射流呈斜向上流動趨勢,該流動需克服自身重力和流體阻力相互作用,而上裝方式流體重力對向下流動起促進作用,所以入口流速相同的情況下,下裝方式的豎直速度分量要遠小于上裝方式,因此在絕大多數(shù)角度范圍內(nèi)下裝N值要好于上裝方式。

圖4 h=0.30D,d=0.075D,θ=90°條件下的渦量云圖及流線Fig.4 Vorticity cloud diagram and streamlines when h=0.30D, d=0.075D, θ=90°

由圖5 和圖6 可知,入流構件下裝和上裝結(jié)構射流距離d與N均呈先增大后減小的趨勢,在d=0.075D時,N取得極大值。d值大小反映封頭壁面對射流流動的影響程度,當該值較小時,流體沖擊到壁面過程中流體黏性作用影響較小,流體在壁面作用下幾乎沿入流管徑方向流出,速度衰減較小,所以會產(chǎn)生較大的豎直方向速度分量,致使N值較小;隨著射流間距的增大,流體黏性作用增強,速度均勻性變好;但當射流間距增大到一定程度后,反射壁面附近的流速有所下降,同時由于速度方向改變消耗的能量也在逐漸減小,更多入流能量分布在分離器較長的長度范圍內(nèi),致使較大區(qū)域存在一定豎直分量,所以當射流間距達到一定程度后,速度均勻性開始下降。

圖5 均勻度平均值N 隨d 的變化Fig.5 Variation of average value of axial velocity uniformity N with d

圖6 h=0.30D,d=0.075D,θ=60°條件下的渦量云圖及流線Fig.6 Vorticity cloud diagram and streamlines when h=0.30D, d=0.075D, θ=60°

入流口垂直位置h反映射流沖擊點位置,決定流體反射后分離器內(nèi)流速場高度,對于整體速度分布具有較大影響。 由圖7 和圖8 可看出對于上裝和下裝N值隨h值具有相同的變化規(guī)律,但下裝入流構件的速度均勻度要明顯優(yōu)于上裝方式。 其主要原因是,在射流距離d和入射角度θ固定的情況下,改變h,會導致流體沖擊點處封頭壁面曲率產(chǎn)生變化,進而會引起反射流體出流角度發(fā)生變化,在h較小時,沖擊點會更加靠近橢圓封頭中心,封頭經(jīng)線曲率較小,反射后的流體更加靠近豎直方向,致使后方流體具有較大豎直速度分量,所以軸向速度均勻性較差;隨著h的增大,反射流體方向更加趨于水平,所以軸向速度均勻性逐漸變好;但與此同時,隨著h的繼續(xù)增大,射流沖擊點更加遠離分離器軸線,流體斜向上或斜向下流動的區(qū)域變長,致使N值反而變差,所以當h達到一定值時,沖擊點速度方向和斜向流動區(qū)域的影響達到一種平衡,產(chǎn)生了在單參數(shù)下的最適宜入流口位置,本模擬條件下的最適宜位置對于2 種安裝方式均為h=0.25D。

圖7 均勻度平均值N 隨h 的變化Fig.7 Variation of average value of axial velocity uniformity N with h

圖8 h=0.25D,d=0.075D,θ=60°條件下的渦量云圖及流線Fig.8 Vorticity cloud diagram and streamlines when h=0.25D, d=0.075D, θ=60°

在以上單因素分析中分別得到各結(jié)構參數(shù)的極值,將各極值組合分析分離器軸向方向速度變化規(guī)律。 本研究截取θ=90°,d=0.075D,h=0.25D條件下沿分離器軸向坐標軸(x軸)3 個不同位置上的截面(x= 1/6L,1/3L,1/2L)速度云圖進行對比分析,如圖9 所示。 由圖9 可知,入流構件上裝和下裝結(jié)構沿著軸向坐標軸(x軸)方向的速度大小逐漸減小,但下裝方式減小的程度要優(yōu)于上裝方式。 在入射流沖擊封頭壁面之后,下裝結(jié)構因流體流動而產(chǎn)生的壓差較大,產(chǎn)生的混合流體高速區(qū)域較大。 當入射流到達中心區(qū)域之前,入流構件下裝結(jié)構消除入射流高速區(qū)域的能力明顯優(yōu)于上裝結(jié)構,這一發(fā)現(xiàn)通過對比截面(x=1/2L)處的速度云圖可知。

圖9 2 種結(jié)構不同截面處的速度云圖對比Fig.9 Comparison of velocity cloud diagrams at different cross-sections of two structures

綜上分析,對本研究的封頭反射式入流構件而言,下裝和上裝方式對流場的影響各有不同之處,實際工程應用中這2 種入流構件結(jié)構均可使用,但在考慮消除混合流體高速區(qū)域的能力方面,下裝方式優(yōu)于上裝方式。 對于輕重相分離起關鍵作用的軸向中心區(qū)域,在該區(qū)域范圍內(nèi)加設整流構件也許可得到更適宜的速度均勻性。

2.2 入流雷諾數(shù)(Rei)對分離器內(nèi)部流場的影響

為探究入流構件在不同雷諾數(shù)(Rei為入流管位置處)條件下對分離器內(nèi)部流場的影響,本研究選用下裝入流構件(h= 0.25D、d= 0.075D和θ=90°)在Rei=5640～9359 范圍內(nèi)選擇8 種不同Rei,分析其對均勻度平均值N的影響,相應關系如圖10所示。

圖10 均勻度平均值N 隨Rei 的變化Fig.10 Variation of average value of axial velocity uniformity N with Rei

由圖10 可知,在所研究的入口雷諾數(shù)范圍內(nèi),N隨著Rei增大整體呈現(xiàn)下降趨勢,即軸向速度均勻性在不斷下降。 形成這種規(guī)律的原因是,隨著Rei的增大,入流管內(nèi)流體流速增大,對壁面的沖擊作用在增強,流體反射后的斜向速度分量也同步增大;同時Rei增大,代表進入分離器的流體動能增加,流體經(jīng)壁面反射后斜向流動區(qū)域會更長,以上2方面因素最終導致速度均勻性隨雷諾數(shù)增大而變差。

2.3 與孔箱式入口構件對比

為了橫向評價本研究的封頭反射式入流構件的工作性能,本研究將該構件下的流場均勻性與管箱式入口構件進行對比。

周曉君[10]利用Fluent 軟件對重力式油水分離器內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬,除油水兩相混合液入口速度為0.46 m·s-1不同之外,與本研究選擇的邊界條件設置類似。 本研究選取上裝入流構件(h=0.3D,d=0.075D,θ=60°)的參數(shù)為例,改變油水兩相混合液入口速度為0.46 m·s-1與文獻[10]的下管箱式入流構件在軸向速度分布的不均勻度M(M=1-Uh)與截面位置的曲線圖進行對比,如圖11 所示。

圖11 模擬數(shù)據(jù)結(jié)果對比Fig.11 Comparison of simulation data results

由圖11 觀察可知:2 條曲線整體變化趨勢相似,但本研究的封頭反射式入流構件相比于下管箱式入口構件,具有十分明顯的速度均勻性,流場穩(wěn)定性更好。 通過對比可間接證明本研究模擬方法和模擬結(jié)果的有效性和可靠性。

2.4 均勻度平均值與油水分離效率的關系

分離效率η是衡量分離設備優(yōu)良的重要參數(shù),其定義如公式(6)所示[17]。 本研究選用下裝入流構件d= 0.3D,θ= 60°為定值,在h= 0.175D～0.300D范圍內(nèi)以0.025D為增量計算油水分離效率η和均勻度平均值N隨h的變化關系,如圖12所示。

圖12 分離效率η 和均勻度平均值N 隨h 的變化Fig.12 Changes of separation efficiency η and uniformity average N with h

式(6)中:wout代表水出口含油率,min代表混合相進口含油率。

由圖12 可知,隨著入流口垂直位置h的增大,均勻度平均值N曲線與油水分離效率η曲線均呈先增大后減小的變化規(guī)律。 表明分離效率和均勻度平均值存在對應的關系,當N最大時,油水分離效率η也最大。

3 入流構件優(yōu)化

響應面分析法,即響應曲面設計法(Response Surface Methodology,RSM),采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應值之間的函數(shù)關系,通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù),RSM 是解決多變量問題的一種方法[18]。

通過第2 節(jié)內(nèi)容的分析,在單一參數(shù)為變量的情況下,無論是射流間距d、入流角度θ還是入流口垂直位置h,均能得到各自的最適宜參數(shù)。 但各自的最適宜參數(shù)綜合在一起,不一定代表會得到最好的速度均勻度。 為了對下裝入流構件進行綜合結(jié)構參數(shù)優(yōu)化,本研究運用Design-Expert 軟件進行響應面試驗設計分析。 分別以各因素在單因素試驗中得到的適宜值為中心,圍繞最適宜值上下各取1個水平作為響應面水平。 響應面分析與多項式回歸能深入比較分離器結(jié)構參數(shù)(h,d,θ)之間的復雜關系[19]。 以均勻度平均值N為響應值,根據(jù)Box-Behnken 中心組合試驗設計法,以h,d,θ為影響因素,采用3 水平設定17 組響應面試驗點進行分析,以得出N的最佳理論值,在此條件下該入流構件的工作性能為最佳。

入流構件響應面分析因素與水平如表2 所示;響應面分析方案與結(jié)果如表3 所示,編號1～12 是析因數(shù)值模擬計算結(jié)果,編號13～17 是中心數(shù)值模擬計算結(jié)果,通過增加網(wǎng)格數(shù)量重復5 次,以滿足對失擬項顯著程度的考察;回歸分析結(jié)果如表4 所示;Box-Behnken 響應面分析各因素間的交互作用如圖13～圖15 所示。

表2 入流構件響應面分析法因素與水平Table 2 Inlet component of factors and levels for response surface method

表3 入流構件響應面分析方案與結(jié)果Table 3 Inlet component of program and results for response surface method

表4 入流構件回歸分析結(jié)果Table 4 Regression analysis of inlet component

利用Design-Expert 軟件對A,B,C進行二次多項式擬合,結(jié)果如式(7)。

由表4 可知,回歸模型的決定系數(shù)為B、C、AC和BC,它們的P>F對均勻度平均值N影響顯著,說明該模型擬合度好。 從圖13～圖15 可以看出,結(jié)構參數(shù)(h,d,θ)對N的影響存在交互作用,在式(7)中體現(xiàn)為二次交叉項系數(shù)不等于0。 通過比較3 組圖曲線的彎曲程度也可看出,結(jié)構參數(shù)(h,d,θ)對N值的影響相差不大。 通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)當N理論最大值為0.354 時,A= 50.028 mm(h/D≈0.25D),B=14.034 mm(d/D≈0.07D),C=89.121°(≈90°),與入流構件下裝結(jié)構在單因素模擬中得到的最優(yōu)值基本吻合,說明對比研究對象單因素與綜合優(yōu)化分析差別不大。 本研究響應面分析結(jié)果和單因素結(jié)果相似,說明入流口垂直位置(h),射流距離(d)以及入流角度(θ)對于流動均勻性影響的相互關聯(lián)度很低。 形成這種結(jié)果的根本原因是由“J”形彎管和封頭結(jié)構決定的,即改變h,d,θ中的某一參數(shù),另外2 個參數(shù)變化微小,進而使流體特性變化取決于主動改變的參數(shù)。 比如,當改變θ時,由于入流管出口直段部分較短(D/32),致使其出口端面的垂直變化距離較小(<0.030D),致使h變化很小(最大的相對變化值小于15%);同時由于封頭壁面是1 個弧面,θ變化對于入口管出口端面與封頭壁面之間的距離d也影響很小。 分別改變其他2 個參數(shù)也會得到類似的結(jié)果。 所以2 種分析方法所得的結(jié)論差別不大。

圖13 N=F(A,B)的響應面Fig.13 Responsive surface of N=F(A,B)

圖14 N=F(A,C)的響應面Fig.14 Responsive surface of N=F(A,C)

圖15 N=F(B,C)的響應面Fig.15 Responsive surface of N=F(B,C)

4 結(jié)論

1)上裝與下裝反射式入流構件對于分離器內(nèi)速度均勻性隨著射流距離d、入流角度θ和入流口垂直位置h變化呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,2種結(jié)構的結(jié)構參數(shù)分別在d= 0.075D、θ= 90°、h=0.25D處均勻度平均值N取得極大值,且下裝入流構件的流場均勻性明顯優(yōu)于上裝構件;2)反射式入流構件隨著入流雷諾數(shù)(Rei)的增大,分離器流場均勻性逐漸變差,若要保證良好的分離性,需使Rei<7234,即增大油水混合物停留時間;3)下裝反射式入流構件的流場均勻性好于文獻公認的性能優(yōu)良的下管箱式入流構件,下裝結(jié)構的穩(wěn)流效果更顯著,分離器流場均勻性更好;4)對于反射式入流構件單參數(shù)下的優(yōu)化結(jié)果與響應面分析法結(jié)果差別不大,通過響應面分析得出,A(h)、B(d)、C(θ)的取值對N的影響存在交互作用,優(yōu)化結(jié)構參數(shù)分別為h= 0.25D,d= 0.07D,θ= 90°時,N理論最大值為0.354。