油田過濾罐攪拌器葉片的數(shù)值模擬研究

李春穎，孟凡玉，魏 利，魏 東

(1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源建筑與工程學(xué)院，哈爾濱 150028；2.城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150090)

目前我國大部分油田采用注水驅(qū)油的方式進(jìn)行開采，隨著注水開發(fā)的進(jìn)行，以及地表水資源有限，采油污水處理后用于油田回注水[1]被廣泛應(yīng)用，污水處理也面臨著新的形勢[2-4].油田廢水的處理和循環(huán)利用，對于保證清潔經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，減少水污染，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義[5].過濾技術(shù)[6]被廣泛地應(yīng)用于世界各地的油氣田深度開采過程中.作為污水處理的一個重要環(huán)節(jié)，過濾結(jié)果與出水品質(zhì)具有直接關(guān)聯(lián)性.隨著過濾的持續(xù)進(jìn)行，過濾精度會逐漸降低，過濾速率也會有所下降、反沖洗難度不斷增加、濾料可能會被被沖走，最終導(dǎo)致過濾性能差，出水品質(zhì)低.過濾器反沖洗是實(shí)現(xiàn)濾料再生的有效途徑，反沖洗不當(dāng)會造成濾料流失、反沖洗效果差等[7]，反沖洗效果的好壞關(guān)系到過濾器的過濾效果和使用壽命[8].

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，應(yīng)用計算流體動力學(xué)(CFD)對流體流動現(xiàn)象進(jìn)行觀察研究，對攪拌過程進(jìn)行仿真分析，是一種非常有效的方法和技術(shù)手段[9]，通過模擬的結(jié)果對工藝參數(shù)優(yōu)化和設(shè)備的改進(jìn).蔡九茂等[10]基于Fluent軟件對砂石過濾器反沖洗過程流場分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬.侯宗宗等[11]對反沖洗過濾器在不同進(jìn)水流量下的流場進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果表明進(jìn)水口流量變化對過濾器流場影響不大.FOUKRACH等[12]對四種不同類型的攪拌器進(jìn)行數(shù)值模擬，研究表明一種發(fā)散三角形葉片渦輪(DTBT)可以很好地減小葉輪角度的渦旋大小.張海晟等[13]研究表明，通過改變攪拌器葉片的安放角度可以改善水體流態(tài)，優(yōu)化攪拌效果.

本研究主要是針對過濾反沖洗設(shè)備的旋轉(zhuǎn)葉輪，利用ANSYS FLUENT對反沖洗的攪拌過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究流速與壓力的變化情況，觀察攪拌槳對罐體內(nèi)部水體的影響，考察攪拌時的流體流動狀態(tài)以及攪拌效果，改進(jìn)旋轉(zhuǎn)葉片從而減少濾料流失，優(yōu)化反沖洗參數(shù)及方式，提高反沖洗效果.

1 數(shù)值模擬

1.1 研究對象

控制體積法[14]常常被用于求解偏微分方程，作為介于有限單元法和有限差分法的中間方法的控制體積法[15]，屬于采用局部近似的離散方法，易處理復(fù)雜網(wǎng)格，故用控制體積法對計算區(qū)域進(jìn)行離散化，既可以保證計算速度又可以保證求解精度.

本研究模擬計算的主體為旋轉(zhuǎn)葉輪攪拌槳.反沖洗裝置的實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 反沖洗裝置實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Physical drawing and structural diagram of backwash device

1.2 幾何模型的建立

為了模擬計算的順利進(jìn)行，對模型作了如下假設(shè)：

1)水流經(jīng)過濾料層后，罐體內(nèi)部整個橫截面上水流流速是均勻的；

2)反沖洗過程中，被水流帶走的少量石英砂顆粒忽略不計；

3)遠(yuǎn)離攪拌區(qū)域的圓角、倒角等一些非主要模型細(xì)節(jié)忽略不計.

基于上述假設(shè)，通過ANSYS Design Modeler模塊建立了圖2所示的簡化三維模型.攪拌器葉片是通過AutoCAD生成的空間螺旋線在ANSYS Design Modeler模塊中加工生成的，其半徑為0.2 m，長度為1.8 m，寬度為0.05 m，厚度為0.005 mm，旋向?yàn)樽笮?

圖2 過濾器幾何模型Figure 2 Filter geometry model

1.3 網(wǎng)格操作

在ANSYS Meshing模塊中對已經(jīng)創(chuàng)建好的模型生成網(wǎng)格.網(wǎng)格質(zhì)量與后續(xù)的計算效率以及結(jié)果收斂性[16]具有直接關(guān)聯(lián)性，網(wǎng)格劃分的原則主要考慮網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格類型兩方面，網(wǎng)格過密會降低計算速度，增加計算規(guī)模，網(wǎng)格過疏會降低計算精度，因此應(yīng)該在關(guān)鍵計算區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，同時適當(dāng)?shù)臏p少次要區(qū)域的網(wǎng)格；另一方面是選擇網(wǎng)格類型，六面體網(wǎng)格則應(yīng)用在幾何結(jié)構(gòu)簡單的區(qū)域，四面體網(wǎng)格適合對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行快速高效的網(wǎng)格劃分.結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量易控制，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對復(fù)雜模型的自適應(yīng)性好，故本研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分[17].

反沖洗裝置的攪拌葉片是主要模擬區(qū)域且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要在該區(qū)域劃分足夠多的網(wǎng)格，所以采用的是四面體網(wǎng)格；罐區(qū)則是幾何結(jié)構(gòu)簡單的區(qū)域，網(wǎng)格的數(shù)量可以適當(dāng)?shù)販p少，故采用六面體網(wǎng)格來劃分.網(wǎng)格劃分如圖3所示，計算區(qū)域總的網(wǎng)格數(shù)量為1.84×106，其中1.37×106為攪拌區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)，剩下的4.7×105是其他區(qū)域網(wǎng)格總數(shù).

圖3 網(wǎng)格劃分Figure 3 The mesh generation

1.4 FLUENT數(shù)值計算

1.4.1 葉片模擬技術(shù)方法

該模擬分兩個步驟：1)攪拌器葉片不工作，穩(wěn)態(tài)計算模擬的是將工質(zhì)水通入到設(shè)備中的流動過程，迭代步數(shù)為1 200步，將穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果作為瞬態(tài)計算的初始化流場；2)基于此基礎(chǔ)，將葉片的旋轉(zhuǎn)作用耦合到模擬當(dāng)中，攪拌槳和反沖洗水流的相互作用使用滑移網(wǎng)格模型[18-19]來進(jìn)行模擬.在瞬態(tài)分析中，每個時間步的殘差在運(yùn)算10次左右即可達(dá)到收斂準(zhǔn)則，計算結(jié)果的可信度較高.

1.4.2 定義邊界條件和求解模型

水從模型下面的邊界以0.01m/s的速度均勻地流入，葉片轉(zhuǎn)速為30 r/min.由于水為工作介質(zhì)，且過濾罐高度較高，故需要將靜水壓力的作用考慮進(jìn)去，即Z向的重力作用.由于湍流作用的存在，故選用Realizablek-ε湍流模型[20].忽略空氣之間的熱交換和能量損失問題，所以不引入能量方程.具體求解控制方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

Realizablek-ε湍流模型方程：

湍動能k方程：

(5)

湍流耗散率ε方程：

(6)

速度入口邊界條件所采用的速度大小為0.01 m/s，壓力出口邊界條件所采用的靜壓為0 Pa.穩(wěn)態(tài)采用Simple算法，瞬態(tài)采用PISO算法.

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本研究關(guān)注的重點(diǎn)是反沖洗過程穩(wěn)定時的狀況，在瞬態(tài)模擬過程中，并沒有對整個反沖洗過程進(jìn)行模擬研究，對反沖洗再生過程的進(jìn)行情況的判斷方法是根據(jù)監(jiān)測的變量值.

2.1 攪拌工藝的狀態(tài)分析

由于可以在ANSYS FLUENT中監(jiān)控邊界面和內(nèi)部網(wǎng)格變量的變化，故本研究在器葉片區(qū)域設(shè)置了多個監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測反沖洗過程進(jìn)行的情況.

攪拌區(qū)域最大速度隨時間的變化情況如圖4所示，經(jīng)過25 s后，速度呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，認(rèn)為達(dá)到了周期性的穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 攪拌區(qū)域的最大速度隨時間變化曲線Figure 4 The maximum velocity of the stirring area varies with time

從圖5可以看出，攪拌器葉片工作5 s后，平均速度不再隨著時間的變化而變化，其速度大小約為0.34 m/s.通過判斷監(jiān)控點(diǎn)，可以得出在攪拌葉片運(yùn)行25 s后，內(nèi)部流動可視為周期性的穩(wěn)定狀態(tài).

圖5 攪拌區(qū)域平均速度隨時間變化曲線Figure 5 The variation curve of the average speed in the stirring area with time

2.2 仿真結(jié)果剖析

由于過濾罐反沖洗再生工藝歷時相對較長，故分析研究的是穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定流動后的第一個攪拌周期(60～62 s).

2.2.1 進(jìn)口的水流入量

由表1可以看出，該循環(huán)周期各位置的總進(jìn)口流量基本保持恒定，只有一些微小的變化.此外，還可以觀察到，攪拌器保護(hù)殼上部的四個開口水流入量最多，攪拌設(shè)備下部的進(jìn)水口流入量次之，上部的四個開口和攪拌器下方的進(jìn)口為主要進(jìn)水口；而從下半部四個進(jìn)水口流入的流量最少，是次要進(jìn)水口.

表1 60～62 s的各進(jìn)口流量變化Table 1 Each import part flow rate variation (60～62 s)

2.2.2 速度矢量分布云圖

圖6為t=60 s時，Y=0截面(XZ平面)上的速度分布，結(jié)果表明越靠近出口位置速度越大，最大速度為2.38 m/s.圖7為Z=0.9 m(攪拌器的1/2高度位置處)橫截面上的速度矢量圖，可以看出流體進(jìn)行的是旋轉(zhuǎn)流動，其旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r針方向；靠近中心位置處的旋轉(zhuǎn)線速度最小，越靠近輪緣位置處，旋轉(zhuǎn)線速度越大，最大的線速度大概是0.6 m/s.

圖6 t=60 s時，XZ平面的速度矢量圖Figure 6 The velocity vector of XZ section (t=60 s,Y=0)

圖7 Z=0.9 m截面高度處的速度分布圖Figure 7 The velocity distribution at Z=0.9 m section height

從圖8中可以看出，雖然攪拌區(qū)域內(nèi)的流線是雜亂無章的，但是其形態(tài)與葉片基本一致.由于攪拌效應(yīng)，極大的不穩(wěn)定性顯現(xiàn)在流體的流動狀態(tài)中，不同時刻的流線發(fā)生較大的變化，攪拌區(qū)域最大速度也發(fā)生了較大的變化.流線呈現(xiàn)出一定程度的湍流，對于塊狀過濾介質(zhì)的碎裂、分散是有利的，從而促進(jìn)過濾介質(zhì)的再生.

圖8 攪拌區(qū)域及出口部分的流線圖(60～62 s)Figure 8 The streamline chart of stir zone and export part (60～62 s)

2.2.3 葉片的壓力特性分布云圖

從圖9中可以看出，水深越深，水施加的重力越大，葉片上所承受的壓強(qiáng)越大，葉片壓力也就越大.時間不同，攪拌角度不同，壓力因水流速度的變化而變化；隨著時間的變化，同一高度處的葉片壓力在1 kPa內(nèi)進(jìn)行上下浮動.

圖9 60～62 s旋轉(zhuǎn)葉片上的壓力分布圖Figure 9 Pressure distribution on a rotating blade (60～62 s)

3 結(jié) 論

基于計算流體動力學(xué)對過濾設(shè)備攪拌器葉片進(jìn)行了研究，通過對流體流態(tài)和壓力分布進(jìn)行了模擬分析，得到如下結(jié)論：

1)攪拌槳啟動后，經(jīng)過大約25 s的時間，水流參數(shù)呈現(xiàn)周期性變化；

2)上部的4個開口為主要進(jìn)水口，且各進(jìn)口位置的流量在一個循環(huán)內(nèi)保持恒定；

3)離出口位置越近，速度越大，最大速度為2.38 m/s；

4)攪拌區(qū)域內(nèi)的流線較為混亂，但是其形狀大體上與葉片保持一致.由于攪動效應(yīng)，流動具有很大的不穩(wěn)定性，由此可見，不同時刻的流線發(fā)生了較大的變化，攪拌區(qū)的最大速度發(fā)生了波動；

5)水深越深，壓強(qiáng)越大，所受的壓力也越大.時間不同，攪拌角度不同，壓力因水流速度的變化而變化；隨著時間的變化，同一高度處的葉片壓力在1 kPa內(nèi)進(jìn)行上下浮動.