管式離心機(jī)固液相分離效果的數(shù)值模擬

趙慶鑫，劉愛(ài)玲，于佳龍，孔明輝，支 涵

（遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

機(jī)油廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)中，主要起到潤(rùn)滑、冷卻、密封、減震等作用，被譽(yù)為“發(fā)動(dòng)機(jī)的生命液”。當(dāng)機(jī)油使用過(guò)一段時(shí)間后，會(huì)累積金屬雜質(zhì)、灰塵等有害物質(zhì)，降低機(jī)油的使用性能。如果不及時(shí)更換廢機(jī)油將影響機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而更換后的廢機(jī)油成為廢棄物。如果對(duì)廢機(jī)油進(jìn)行焚燒或遺棄處理，將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，不利于可持續(xù)發(fā)展。目前，我國(guó)的廢機(jī)油回收利用率僅為20%［1］，如何對(duì)廢機(jī)油進(jìn)行高效的回收和科學(xué)的利用顯得非常重要。

由于廢機(jī)油的成分較為復(fù)雜，通常采用吸附、蒸餾及其他精制手段去除廢機(jī)油中的變質(zhì)組分，并加入適量的添加劑，使其達(dá)到新油的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行精制處理前，需要對(duì)廢機(jī)油進(jìn)行預(yù)處理，脫去水分及機(jī)械雜質(zhì)［1］。

管式離心機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速、高分離因數(shù)的分離設(shè)備，通常適用于各種難分離的乳濁液和懸浮液，特別適用于濃度低、粘度大、固相顆粒細(xì)、固液比重差較小的固液分離。其轉(zhuǎn)數(shù)可高達(dá)10 000～30 000 r/min，分離因數(shù)可高達(dá)10 000～30 000，在石油化工、生物制藥、污水處理等行業(yè)應(yīng)用非常廣泛［2］。管式離心機(jī)為高速旋轉(zhuǎn)密閉設(shè)備，其內(nèi)部流場(chǎng)較復(fù)雜，無(wú)法精確測(cè)量，理論研究較少。目前國(guó)內(nèi)對(duì)管式離心機(jī)流場(chǎng)分析多采用數(shù)值模擬的方法。趙春波等［3］利用湍流模型對(duì)管式離心機(jī)固液兩相流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬，獲得管式離心機(jī)內(nèi)部不同截面的速度分布。呂寧［4］采用流體體積（Volume fluent model，VOF）模型對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬。VOF模型在湍流模型的基礎(chǔ)上，使用體積分量中急劇變化的點(diǎn)來(lái)確定分界面的位置，不再需要速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等流場(chǎng)特性來(lái)間接分析多相流的分層情況［5］。Mei等［6］采用VOF和離散相（Discrete phase model，DPM）模型對(duì)橫向氣流中霧化過(guò)程和射流破碎形態(tài)進(jìn)行模擬，獲得霧化后油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種多模型結(jié)合的模擬方法，可以更直觀地觀察到顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

本文利用ANSYS Fluent軟件對(duì)GF105管式離心機(jī)廢機(jī)油的分離過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，利用VOF模型分析轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流體分布情況，并用DPM模型追蹤固體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡，探討廢機(jī)油在管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)特性和固體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)特性。

1 管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓分離過(guò)程的數(shù)學(xué)模型

1.1 VOF模型

VOF模型是一種追蹤多種互不相容的流體的交界面的方法［7］。該模型的動(dòng)量方程為

式中：ρ為機(jī)油密度，kg/m3；v→為速度矢量，m/s；p為廢機(jī)油壓力，MPa；μ為廢機(jī)油動(dòng)力黏度，N·s/m2。

假設(shè)廢機(jī)油中只有機(jī)油和固體雜質(zhì)，則

式中：α為廢機(jī)油體積分?jǐn)?shù)；下角標(biāo)p和l分別表示固體雜質(zhì)相和機(jī)油液體相［8］。

模型的連續(xù)性方程和體積分?jǐn)?shù)方程分別為

通過(guò)求解VOF模型，用體積分?jǐn)?shù)代替速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)描述管式離心機(jī)的流場(chǎng)。

1.2 DPM模型

DPM模型通過(guò)求解離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。在廢機(jī)油的分離過(guò)程中，可將其內(nèi)部雜質(zhì)視為離散相顆粒。由于顆粒的慣性與受力平衡，得到離散相運(yùn)動(dòng)方程

式中：mp為固體雜質(zhì)的質(zhì)量，kg；等號(hào)右邊第一項(xiàng)為顆粒所受到的流體曳力；第二項(xiàng)表示顆粒的重力與浮力的合力；Fx為顆粒其他力的合力［9-10］。其中

式中：dp為廢機(jī)油中顆粒度直徑，m；cD為曳力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，在不同雷諾數(shù)的范圍內(nèi)，曳力系數(shù)有不同的取值［11］。

2 管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓模型

2.1 管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的物理模型

圖1a為GF105管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓幾何模型。轉(zhuǎn)鼓組件主要由入料口、布料錐、三翼板、分離頭組成，其幾何尺寸見(jiàn)表1。圖1b為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部三翼板結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)鼓運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)物料從入料口進(jìn)入到轉(zhuǎn)鼓中，在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)產(chǎn)生離心力，使物料分層。其中液體受入口速度的影響，會(huì)運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)鼓頂部，通過(guò)分離頭排出，而固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部。

表1 GF105管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of GF105 tubular centrifuge drum

對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流體域進(jìn)行抽取得到流體域模型，并導(dǎo)入到ANSYS Mesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格元素大小為默認(rèn)設(shè)置，過(guò)渡比為0.272，最大層數(shù)為5層，增長(zhǎng)率為1.2，經(jīng)軟件校核網(wǎng)格劃分合格，劃分結(jié)果如圖1c所示。

2.2 邊界條件

物料在入料口采用壓力進(jìn)口邊界，根據(jù)表1中參數(shù)設(shè)置入口壓力為0.06 MPa。出口為壓力出口，壓力值為默認(rèn)值。所有壁面都為無(wú)滑移，相對(duì)于相鄰單元區(qū)域靜止壁面和默認(rèn)粗糙度。單元區(qū)域條件設(shè)置以z軸為旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速分別為10 000 r/min和30 000 r/min，重力方向?yàn)閦方向。

2.3 物料參數(shù)

以美孚1號(hào)0W-20機(jī)油為研究對(duì)象，40℃粘度為45 mm2/s，15.6℃的密度為861 kg/m3，固相顆粒設(shè)置為碳，顆粒設(shè)置為5～25 μm，粒徑取5 μm、10 μm、25 μm［12］，從入料口以10 m/s的速度流入管式離心機(jī)。

3 管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓分離過(guò)程模擬結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)模擬

忽略溫度對(duì)密度的影響，在管式離心機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)，機(jī)油的體積分布如圖2a所示。選擇距入料口100、200、400，600、800 mm五個(gè)截面進(jìn)行分析。在100 mm處，廢機(jī)油從入料口流進(jìn)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，沖刷到三翼板前端的布料錐，機(jī)油繞軸作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)鼓底部形成小的漩渦。在200 mm處，機(jī)油開(kāi)始呈現(xiàn)弧形凸起狀分層，說(shuō)明離心力開(kāi)始發(fā)揮作用，固液開(kāi)始分離。在400 mm和600 mm處，機(jī)油分層逐漸清晰，集中分布在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁最外側(cè)，說(shuō)明分離過(guò)程逐漸完成。在800 mm處，分離后的機(jī)油匯聚在一起從分離頭排出。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000 r/min時(shí)，機(jī)油的體積分布如圖2b所示。機(jī)油體積分布規(guī)律與10 000 r/min時(shí)基本一致。兩組模擬結(jié)果表明VOF模型與湍流模型［9］的固液分離規(guī)律相同，說(shuō)明本次模擬結(jié)果基本正確。

表2為不同截面及轉(zhuǎn)速的廢機(jī)油體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果。隨著截面高度的增加，廢機(jī)油體積分?jǐn)?shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明固液兩相逐漸被分離。在400～700 mm處，機(jī)油體積分?jǐn)?shù)會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明固液兩相分離仍在繼續(xù)，但受到分離頭出口位置的影響，分離完成的機(jī)油會(huì)在轉(zhuǎn)鼓頂部堆積等待排出。當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，經(jīng)分離頭排出的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為0.556 1，低于10 000 r/min的0.563 2。

表2 不同截面轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)油體積分?jǐn)?shù)的影響Tab.2 Effects of rotating speed at different sections on oil volume percentage

3.2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡分析

10 000 r/min時(shí)不同直徑固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3a所示。固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡主要有三種：第一種是剛進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的5～25 μm固體顆粒受離心力影響較大，在轉(zhuǎn)鼓200 mm以下繞布料錐做規(guī)則的環(huán)向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)備停止后顆粒會(huì)沉積在轉(zhuǎn)鼓底部。第二種是部分（5～25 μm）顆粒受到離心力和入液速度的共同影響，在轉(zhuǎn)鼓200～750 mm繞三翼板做軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)備停止后顆粒會(huì)一部分沉積到轉(zhuǎn)鼓底部，一部分附著到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面。由于顆粒軌跡運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，所以在400～700 mm處機(jī)油體積分?jǐn)?shù)會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)。第三種是少量5 μm顆粒運(yùn)動(dòng)到超過(guò)800 mm高度，殘留在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙里，或隨分離后的液體排出。這說(shuō)明轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)，對(duì)5 μm的小顆粒分離效果較差。

30 000 r/min時(shí)固體顆粒軌跡如圖3b所示。與10 000 r/min固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相比，第一種軌跡的顆粒數(shù)量明顯增加，第二種軌跡的顆粒數(shù)量明顯減少，且沒(méi)有第三種軌跡。這說(shuō)明當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時(shí)，沒(méi)有顆粒從出料口排出，固液兩相分離更徹底。因此，30 000 r/min時(shí)分離后的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)低于10 000 r/min時(shí)的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)。

采用DPM模型追蹤固相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，可以更直觀的展現(xiàn)固液分離效果。對(duì)于小粒徑的固相顆粒應(yīng)選則高轉(zhuǎn)速，以便滿足固液分離要求。

4 可清潔內(nèi)壁殘留物的轉(zhuǎn)鼓組件的設(shè)計(jì)

當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，設(shè)備停止后會(huì)有小粒徑的固體顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙中，依靠人工手動(dòng)除渣并不方便，因而設(shè)計(jì)一種可清潔內(nèi)壁殘留物的管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓組件，可以減少人力，提高勞動(dòng)效率。

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)鼓組件如圖4所示。分離頭上端設(shè)計(jì)可拆卸的注液轉(zhuǎn)接頭，由螺紋接頭和注液管組成，分離頭內(nèi)部和三翼板布料錐的錐桿內(nèi)部設(shè)有通液管路，分離頭的底部圓周均布多個(gè)噴淋孔，噴淋孔與通液管路斜向連通。三翼板布料錐的底部設(shè)有兩個(gè)圓錐面，通液管路的底端連接多個(gè)噴淋孔。

清洗轉(zhuǎn)鼓時(shí)，將注液轉(zhuǎn)接頭與分離頭連接，將清潔液從注液管高壓注入通液管路，分離頭噴淋孔噴出液可沖刷分離頭組件和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面上端，布料錐噴淋孔噴出液可沖刷轉(zhuǎn)鼓下端，清潔后的殘留物從轉(zhuǎn)鼓入料口排出。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)鼓組件可以更加高效地清潔轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，降低工人操作難度。

5 結(jié)論

采用VOF模型和DPM模型對(duì)管式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析管式離心機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下廢機(jī)油固液兩相分離過(guò)程中流場(chǎng)的分布特性及固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

（1）30 000 r/min分離后的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為0.556 1，10 000 r/min分離后的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)為0.563 2。10 000 r/min時(shí)，有少量5 μm顆粒殘留在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙里，或隨分離后液體排出，說(shuō)明30 000 r/min的固液分離效果要優(yōu)于

10 000 r/min。

（2）為了提高清潔轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁殘留物的工作效率，設(shè)計(jì)了一套可清潔內(nèi)壁殘留物的轉(zhuǎn)鼓組件，為廢機(jī)油回收再利用提供理論指導(dǎo)。