級聯(lián)式氣-液旋流分離器流動特性數(shù)值研究

耿 坤，孫治謙，李 騰，孫銘澤，王振波

(中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院，山東 青島 266580)

隨著大部分天然氣井達(dá)到高含水開采階段，天然氣品質(zhì)受含水率的影響顯著增加[1]，實(shí)現(xiàn)高效的除液過程能夠大大降低天然氣生產(chǎn)和運(yùn)輸成本[2]。氣-液旋流分離器用于天然氣除液時，具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)行成本低、分離效果好等優(yōu)勢[3-4]。盡管憑借諸多優(yōu)勢，氣-液旋流分離器在天然氣除液領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但仍需要緊湊的分離器結(jié)構(gòu)來提高分離設(shè)備的空間利用率[5-6]。

前人在開發(fā)新型旋流分離器結(jié)構(gòu)方面已做了大量研究[7-8]。Gao等[9]設(shè)計(jì)了一種用于井下油-水分離的級聯(lián)式水力旋流器，兩級入口均采用螺旋線式，但應(yīng)用中仍存在易堵塞等缺陷。鄭春峰等[10]開發(fā)了一種用于井下的三級氣-液旋流分離器，研究填補(bǔ)了級聯(lián)式旋流分離器結(jié)構(gòu)在氣-液分離領(lǐng)域的空白，為不同流型下氣-液混合物分離提供了有效方法，但該裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造困難。由此可見，國內(nèi)外對于氣-液分離領(lǐng)域的級聯(lián)式旋流分離器相關(guān)研究成果較少，且目前開發(fā)的級聯(lián)式氣-液旋流分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用存在一定的局限性[11-13]。本研究中基于傳統(tǒng)單級雙蝸殼式氣-液旋流分離器結(jié)構(gòu)開發(fā)的級聯(lián)式氣-液旋流分離器[14-15]，在能夠?qū)崿F(xiàn)兩級分離過程的同時，兼具結(jié)構(gòu)簡單、便于加工等優(yōu)勢。

在級聯(lián)式氣-液旋流分離器工程應(yīng)用前需要了解其內(nèi)流場分布特性[16-18]。然而，由于氣-液旋流分離器內(nèi)為多相強(qiáng)旋流場，受湍流問題發(fā)展的限制，目前對于氣-液旋流分離器內(nèi)部流動機(jī)理及細(xì)節(jié)尚無法精確描述，因此大量學(xué)者選擇通過計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)的方法對旋流分離器內(nèi)流動特性進(jìn)行預(yù)測[19-20]。旋流分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流是產(chǎn)生分離作用的主要載體[21]，局部渦流和短路流是影響分離性能的重要因素[22]，尤其是短路流，通常會對旋流分離器性能產(chǎn)生負(fù)面影響[23-24]。Dong等[25]通過空氣年齡模型(Air age model)計(jì)算短路流區(qū)域；Zhao等[26]研究了溢流管壁厚對短路流及軸向速度波帶的影響。盡管這些研究在一定程度上涉及了旋流分離器內(nèi)流場的流動行為，但仍不能很好地識別各種流型的分布區(qū)域及位置信息，對短路流的量化也尚無統(tǒng)一的方法。

本研究基于旋流分離器常用的雷諾應(yīng)力模型(RSM)進(jìn)行流動仿真[27-28]，詳細(xì)分析了級聯(lián)式氣-液旋流分離器上下行流和內(nèi)外旋流的分布尺度，探究了局部渦流與短路流的產(chǎn)生位置及特征，提出了一種短路流流量的理論計(jì)算方法，為級聯(lián)式氣-液旋流分離器流場特性分析提供了新思路。

1 級聯(lián)式氣-液旋流分離器幾何模型及實(shí)驗(yàn)裝置

級聯(lián)式氣-液旋流分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示。入口為對稱布置的雙蝸殼結(jié)構(gòu)[29]，一級旋流管上方增設(shè)了二級旋流管。級聯(lián)式氣-液旋流分離器筒體直徑(Dh)為0.10 m，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸如表1所示。

圖1 級聯(lián)式氣-液旋流分離器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of cascade gas-liquid cyclone separator

表1 級聯(lián)式氣-液旋流分離器幾何尺寸Table 1 Geometry size of cascade gas-liquid cyclone separator

圖1右圖為級聯(lián)式氣-液旋流分離器工作過程示意圖，氣、液兩相由雙蝸殼入口進(jìn)入分離器后旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動，大部分液滴在離心力的作用下運(yùn)動到一級旋流管內(nèi)壁聚集形成液膜，沿壁面向下流動進(jìn)入錐段，匯集至液相出口處。氣、液兩相流到達(dá)旋流管底部后折返向上，進(jìn)入排氣芯管，在排氣芯管頂部擋板及兩側(cè)開口的作用下進(jìn)入二級旋流管的環(huán)形空間，此時，一級旋流管內(nèi)未實(shí)現(xiàn)分離的細(xì)小液滴以及隨短路流逃逸至二級旋流管的部分液滴，在環(huán)形空間中進(jìn)行第二次離心分離，進(jìn)一步分離后的液相聚集至二級旋流管底部，沿降液管向下流進(jìn)一級旋流管內(nèi)，最終匯集至液相出口，而氣相則在壓力作用下向上運(yùn)動，由頂部氣相出口排出。

為測試級聯(lián)式氣-液旋流分離器的分離性能，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了如圖2所示的實(shí)驗(yàn)流程。其中，霧化系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、旋渦泵、水箱和扇型霧化噴嘴組成；引風(fēng)系統(tǒng)由旋渦氣泵組成；分離系統(tǒng)由緩沖腔、級聯(lián)式氣-液旋流分離器和水箱組成；測量系統(tǒng)由渦街流量計(jì)、畢托管、液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)、U型管壓差計(jì)、溫度計(jì)和壓力表等組成。實(shí)驗(yàn)物料采用空氣和水，常溫實(shí)驗(yàn)條件下其物性與模擬物料一致。實(shí)驗(yàn)表明該旋流器工作過程穩(wěn)定，具有較高的研究和應(yīng)用價值[30]。

1—Liquid tank；2—Vortex pump；3—Liquid pressure gauges；4—Rotor flowmeter；5—Air compressor；6—Air regulator filter valve； 7—Atomising nozzles；8—Buffer chamber；9—Cascade gas-liquid cyclone separator；10—U-shaped differential pressure gauge； 11—Thermometer；12—Pitot tube；13—Vortex flowmeter；14—Vortex air pump圖2 級聯(lián)式氣-液旋流分離器實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Experimental setup flow chart of cascade gas-liquid cyclone separator

2 級聯(lián)式氣-液旋流分離器數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值模型控制方程

由于氣-液旋流分離器中流動表現(xiàn)出強(qiáng)湍流特性，本研究中湍流計(jì)算選用雷諾應(yīng)力(RSM)模型，該模型對于復(fù)雜各向異性湍流的渦旋、旋轉(zhuǎn)及應(yīng)變率變化等現(xiàn)象都能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測[27]。將空氣看作不可壓縮流動介質(zhì)時，其雷諾平均應(yīng)力(RANS)方程如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

(3)

式(3)中，等式左側(cè)分別為應(yīng)力的當(dāng)?shù)貢r間導(dǎo)數(shù)和對流運(yùn)輸項(xiàng)，等式右側(cè)分別為：

在分離性能研究時采用離散顆粒模型(DPM)模擬液滴運(yùn)動，運(yùn)動方程符合牛頓第二定律，如式(4)所示。

(4)

式(4)中，等式右側(cè)分別為阻力項(xiàng)、重力與浮力的合力項(xiàng)。

與固體顆粒不同，液滴在運(yùn)動過程中通常會伴隨著碰撞聚并和破碎現(xiàn)象，為準(zhǔn)確計(jì)算該現(xiàn)象，本研究在DPM模型的基礎(chǔ)上增加了斯托克斯碰撞聚并模型和泰勒類比破碎(TAB)模型，依據(jù)振蕩液滴的臨界變形情況衡量液滴破碎過程，其控制方程可表示為式(5)。

(5)

式(5)中，Cb、Cd、CF和Ck為無量綱常數(shù)，由前人[31]大量實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)可得取值分別為1/3、1/2、8和5。

2.2 數(shù)值模擬條件

本研究中空氣作為連續(xù)相，黏度為1.79×10-5Pa·s，密度為1.225 kg/m3；水作為離散相，黏度為0.001 Pa·s，密度為998.6 kg/m3。綜合考慮物料的性質(zhì)，設(shè)置為速度入口，兩相均勻進(jìn)料速度為1～7 m/s，入口氣量為63.36～443.52 m3/h，入口液量為78 mL/min，液滴直徑為0.1～10 μm；氣相出口兩相流動充分發(fā)展，設(shè)置為收斂性較好的自由出流，液滴到達(dá)此處逃逸；液相出口在實(shí)際工作時為液封狀態(tài)，無氣流溢出，可看作壁面。其他壁面均設(shè)置為無滑移的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，液滴到達(dá)壁面被捕捉。本研究在瞬時狀態(tài)下進(jìn)行模擬，時間步長為0.001 s，通過壓力-速度耦合的SIMPLEC算法進(jìn)行雙精度計(jì)算，壓力求解方法為PRESTO！，其他變量求解方法為QUICK，與Chen等[27]采用的求解方法相同。

2.3 Q準(zhǔn)則

級聯(lián)式氣-液旋流分離器中存在著復(fù)雜的渦流現(xiàn)象，對于渦結(jié)構(gòu)的分析也是流動特性研究的重要內(nèi)容。本研究采用Q準(zhǔn)則對渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別，該識別方法應(yīng)用廣泛，計(jì)算效率高[31-32]。

氣相流動過程中的速度梯度張量(如式(6)所示)可分解為兩部分：應(yīng)變速率張量(S)和渦量張量(Ω)。

(6)

則Q值可定義為：

(7)

通過Q準(zhǔn)則對渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行識別時，可根據(jù)Q值大小較精確地識別出應(yīng)變率或渦量占據(jù)主導(dǎo)的區(qū)域，當(dāng)Q<0時，流場中黏性應(yīng)力占據(jù)主導(dǎo)；當(dāng)Q>0時，流場中渦量占據(jù)主導(dǎo)，可判斷為級聯(lián)式氣-液旋流分離器中的渦旋區(qū)域。

3 級聯(lián)式氣-液旋流分離器數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

合理的網(wǎng)格模型能夠有效降低模擬誤差。對級聯(lián)式氣-液旋流分離器流域進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，在結(jié)構(gòu)狹縫處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格質(zhì)量要求。圖3為級聯(lián)式氣-液旋流分離器網(wǎng)格模型。圖4為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。在(8～30)×104間選取6種數(shù)量的網(wǎng)格模型進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到123015后，級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)切向速度峰值基本不變；達(dá)到220135后，中心處切向速度值也無明顯變化。此外，計(jì)算結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到220135后，級聯(lián)式氣-液旋流分離器計(jì)算壓降保持在9300 Pa基本不變。由于數(shù)值計(jì)算效率會隨網(wǎng)格數(shù)量增加而降低，因此本研究選用的網(wǎng)格數(shù)量為220135，在高效計(jì)算的同時，能夠獲得準(zhǔn)確可靠的流動特性及分離性能研究結(jié)果。

圖3 級聯(lián)式氣-液旋流分離器網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of cascade gas-liquid cyclone separator

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.4 Grid independence verification

3.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，采用本研究的數(shù)值模型對文獻(xiàn)[33]中的旋流分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算所得的切向速度和軸向速度模擬指與文獻(xiàn)[33]中所得的切向速度和軸向速度實(shí)驗(yàn)值吻合度較高(如圖5所示)，因此本研究中所采用的RSM模型能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出旋流分離器的流動特性，這與Deng等[28]和Gao等[32]的研究結(jié)論相似。

圖5 RSM數(shù)值模型驗(yàn)證Fig.5 RSM numerical model validation(a)Tangential velocity (vt)；(b)Axial velocity (va)

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型計(jì)算模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將本研究的數(shù)值模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)物料采用常溫空氣和水，入口氣量為63.36～443.52 m3/h，入口液量為78 mL/min，液滴直徑范圍為0.1～10.0 μm，數(shù)值模擬條件與實(shí)驗(yàn)條件相同，對比結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，實(shí)驗(yàn)的與模擬的壓降及效率相對誤差均小于20%，進(jìn)一步表明本研究對級聯(lián)式氣-液旋流分離器流動特性和分離性能的預(yù)測準(zhǔn)確性較高。

4 級聯(lián)式氣-液旋流分離器流動分離特性

級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)流場分布情況是影響其分離性能的根本原因，以入口氣速為4 m/s、入口氣量為253.44 m3/h、液量為78 mL/min條件為例，深入探究級聯(lián)式氣-液旋流分離器流動特性。

4.1 旋轉(zhuǎn)流流動特性

級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)流是產(chǎn)生離心力的主要流型，旋轉(zhuǎn)流呈邊壁為下行流、中心為上行流的分布特點(diǎn)。上、下行流的分布特點(diǎn)通常根據(jù)級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)氣流的軸向速度判斷，軸向速度為0的位置稱作零速包絡(luò)面。圖6(a)為一級旋流區(qū)內(nèi)軸向速度分布曲線。在一級旋流區(qū)內(nèi)，不同高度處的軸向速度分布特點(diǎn)相似，零速包絡(luò)面出現(xiàn)在R=0.55rh位置，該位置沿徑向向外為下行流，沿徑向向內(nèi)為上行流。受級聯(lián)式氣-液旋流分離器邊壁與中心處壓差作用的影響，氣相在向下流動的過程中會不斷向中心匯集，因此越向下氣相流量越少，上、下行流的軸向速度均逐漸減小。圖6(b)為二級旋流區(qū)內(nèi)軸向速度分布曲線。二級旋流區(qū)內(nèi)軸向速度分布與一級旋流區(qū)存在較大差異，分離區(qū)底部(z=6.5Dh)受降液縫隙處溢出氣流的影響，軸向速度較大，其他位置軸向速度變化較小。

表2 級聯(lián)式氣-液旋流分離器模擬值與實(shí)驗(yàn)值對比Table 2 Comparison between simulated and experimental values of cascade gas-liquid cyclone separator

圖6 不同z坐標(biāo)位置下軸向速度(va)分布Fig.6 Axial velocity (va)distribution at different z-coordinates(a)Primary cyclone；(b)Secondary cyclone

沿排氣芯管向上，級聯(lián)式氣-液旋流分離器中心處軸向速度不斷降低，當(dāng)旋流分離器中心線處軸向壓力梯度為正時，存在軸向速度停滯現(xiàn)象[34]。圖7為中心線處壓力及壓力梯度沿z坐標(biāo)位置的變化。在一級旋流區(qū)內(nèi)壓力梯度為負(fù)值，軸向速度不發(fā)生停滯，而排氣芯管內(nèi)壓力梯度為正值，故存在明顯停滯現(xiàn)象。

另一種常見的描述旋流分離器流動的方法是從渦的角度進(jìn)行的，級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場呈現(xiàn)蘭金組合渦的分布特點(diǎn)，該特點(diǎn)與旋流分離器內(nèi)氣流的切向速度分布密切相關(guān)，前人研究[35-36]表明，旋流分離器內(nèi)切向速度與徑向位置存在如式(8)

圖7 級聯(lián)式氣-液旋流分離器中心線處壓力梯度分布Fig.7 Pressure gradient distribution at centerline of cascade gas-liquid cyclone separator

所示的關(guān)系。

vt·Rn=C

(8)

當(dāng)n>0時，vt與R呈負(fù)相關(guān)，流體內(nèi)部幾乎無摩擦損失，為準(zhǔn)自由渦區(qū)域；當(dāng)n<0時，vt與R呈正相關(guān)，流體轉(zhuǎn)動近似剛體特性，為準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域。

圖8為級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)不同z坐標(biāo)位置處切向速度分布曲線。圖8(a)為一級旋流區(qū)內(nèi)切向速度分布曲線。一級旋流區(qū)內(nèi)切向速度隨軸向高度的增加略有上升，不同z坐標(biāo)位置處切向速度均呈M狀分布，切向速度峰值處(R=0.35rh)即為準(zhǔn)強(qiáng)制渦與準(zhǔn)自由渦分界處，n<0的準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域即為內(nèi)旋流區(qū)或渦核區(qū)，n>0的準(zhǔn)自由渦區(qū)域即為外旋流區(qū)。圖8(b)為二級旋流區(qū)內(nèi)切向速度分布曲線。受流動阻力的影響，排氣芯管內(nèi)切向速度隨高度的增加而不斷降低。由于二級旋流區(qū)分離空間受排氣芯管限制，氣流沿邊壁旋轉(zhuǎn)向下的同時伴隨著排氣芯管外壁附近的上行流運(yùn)動，因此無明顯的組合渦分布特點(diǎn)。

圖8 不同z坐標(biāo)位置下切向速度(vt)分布Fig.8 Tangential velocity (vt)distribution at different z-coordinates(a)Primary cyclone；(b)Secondary cyclone

從渦的角度分析旋轉(zhuǎn)流流動時可以借助Q準(zhǔn)則進(jìn)行渦結(jié)構(gòu)識別，根據(jù)Q準(zhǔn)則定義可知，Q值能夠度量某一局部位置處旋轉(zhuǎn)速率相對于應(yīng)變速率的超額量[37]，故可依據(jù)Q值為0的位置判斷蘭金組合渦分布范圍[32]。圖9為一級旋流區(qū)內(nèi)不同z坐標(biāo)位置處Q值分布曲線。圖9中由Q值判斷的準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦分界位置與圖8中由切向速度峰值判斷的準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦分界位置一致，均在R=0.35rh處。

圖9 不同z坐標(biāo)位置下Q值分布Fig.9 Q-value distribution at different z-coordinates

4.2 短路流流動特性

4.2.1 局部渦流

級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)二次渦流的存在往往會對短路流的位置和流量變化產(chǎn)生較大影響，部分二次渦流會伴隨主流運(yùn)動穩(wěn)定存在，通過Q值分布結(jié)合流線分布可以較為準(zhǔn)確地識別級聯(lián)式氣-液旋流分離器中局部渦流情況[38]。

圖10為級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)Q值分布云圖及局部渦流流線圖。圖10(a)為擋板上方尾跡渦流，2個小渦對稱分布于擋板邊緣兩側(cè)，距離擋板較近。圖10(b)為擋板下方氣流折返形成的局部渦流，渦尺寸較大。圖10(c)為二級旋流區(qū)底部環(huán)形渦流，該位置受降液縫隙溢出氣流的影響，產(chǎn)生了明顯的局部循環(huán)流動。圖10(d)為頂灰環(huán)，與傳統(tǒng)旋流分離器相似，級聯(lián)式氣-液旋流分離器在一級旋流區(qū)頂部也存在環(huán)形氣流死區(qū)，形成頂灰環(huán)區(qū)域，但與傳統(tǒng)旋流分離器相比，級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)頂灰環(huán)區(qū)域相對較小。圖10(e)為排氣芯管與降液管下方縱向渦流和短路流，該縱向渦流是由于“節(jié)流效應(yīng)”產(chǎn)生的，受降液縫隙處短路氣流的劇烈影響，氣流還在降液管與排氣芯管間的位置產(chǎn)生了一個小尺寸的局部湍流渦。圖10(f)為底流口處尾跡渦流，是底流口處氣流向上折返流動產(chǎn)生的。

圖10 級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)局部渦流分布Fig.10 Local vortex distribution of cascade gas-liquid cyclone separator

4.2.2 短路流

在級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)的各種流動形態(tài)中，短路流會對旋流分離器的分離性能產(chǎn)生最直接的影響[25]。受局部縱向渦流(如圖10(e)所示)的影響，通過排氣芯管底部單一截面軸向速度積分確定短路流流量會存在較大的誤差[24]，因此筆者提出了一種新的短路流流量計(jì)算方法。

級聯(lián)式氣-液旋流分離器中短路流流量由qs1和qs2兩部分組成(如圖11所示)。一級旋流區(qū)中外旋流在向下流動時會不斷有氣相在壓力的作用下匯入內(nèi)旋流中，而發(fā)生短路流的位置則是突然有大量流體進(jìn)入排氣芯管內(nèi)匯入內(nèi)旋流中，因此，排氣芯管區(qū)域內(nèi)(R<0.5Do)氣相流量變化可反映短路流產(chǎn)生位置及短路流流量。以排氣芯管底部截面P2為參照面，P2下方存在某一截面P1，為發(fā)生短路流的邊界位置；P2上方則存在某一截面P3，為短路流完全匯入排氣芯管后的位置。P1和P3的截面流量差值即為從排氣芯管底部逃逸的短路流流量qs1；qs2為從降液管底部逃逸的短路流流量，可用降液縫隙任意截面P4的流量表示。qs1和qs2的計(jì)算式如式(9)和式(10)所示。

(9)

(10)

圖11 級聯(lián)式氣-液旋流分離器短路流示意圖Fig.11 Short-circuit flow of cascade gas-liquid cyclone separator

為確定短路流發(fā)生位置(即P1位置)，計(jì)算了在不同入口氣速下向心流流量(qc)隨z坐標(biāo)位置的變化，如圖12所示。由圖12可以看出：在一級旋流區(qū)底部向心流流量較為穩(wěn)定，這證實(shí)了一級旋流區(qū)中氣相會不斷由外旋流向內(nèi)旋流匯集；而在一級旋流區(qū)上部的位置，受縱向渦流的影響，向心流流量有所增加；而在縱向渦流上方，向心流流量突然增大，該突增位置即為短路流發(fā)生的邊界位置，即P1位于z=4Dh處；不同入口氣速下縱向渦流及短路流產(chǎn)生的位置基本相同。

圖12 向心流流量(qc)隨z坐標(biāo)位置變化曲線Fig.12 Variation curve of centripetal flow rate (qc) with z-coordinate

為進(jìn)一步確定截面P1、P2位置，本研究計(jì)算了R<0.5Do范圍內(nèi)截面流量qP隨著z坐標(biāo)位置的變化，以入口氣速為4 m/s時為例，如圖13所示。由圖13可以看出：截面流量突然增大的位置為P1所在位置，即P1位于z=4Dh處，與圖12中確定的P1位置相同，P1截面流量qP1=80.46 m3/h；截面流量達(dá)到穩(wěn)定后的位置為P3所在位置，即P3位于z=4.3Dh處，P3截面流量qP3=97.63 m3/h，qP1與qP3之差即為從排氣芯管底部逃逸的短路流流量qs1=17.17 m3/h。按照式(8)計(jì)算P4截面流量，可得到從降液管底部逃逸的短路流流量qs2=155.91 m3/h。

圖13 截面流量(qP)隨z坐標(biāo)位置變化曲線Fig.13 Variation curve of cross-sectional flow rate (qP)with z-coordinate

在計(jì)算qs1、qs2基礎(chǔ)上得到級聯(lián)式氣-液旋流分離器中短路流流量占入口流量的比值，如圖14所示。由圖14可以看出：當(dāng)入口氣速由1 m/s增加至7 m/s時，從排氣芯管底部逃逸的短路流流量qs1由4.93 m3/h升高至33.63 m3/h，從降液管底部逃逸的短路流流量qs2由35.66 m3/h升高至278.10 m3/h，短路流流量占入口流量的比值也由64.07%增至70.29%。

圖14 短路流流量及其占比隨入口氣速(vin)的變化曲線Fig.14 Variation curves of short-circuit flow rate and percentage with inlet air velocity (vin)

4.3 分離性能

分離效率是衡量級聯(lián)式氣-液旋流分離器分離性能的直接指標(biāo)，由氣相出口處液滴逃逸情況體現(xiàn)。圖15為不同入口氣速下分離效率隨液滴直徑的變化曲線。傳統(tǒng)旋流分離器分離效率通常會隨著短路流流量增加而有所降低[23]。而本研究中的級聯(lián)式氣-液旋流分離器分離效率隨入口氣速增加不斷增大，并未因短路流流量占比增大而出現(xiàn)明顯的降低現(xiàn)象。一方面是由于隨著入口氣速的增加，主導(dǎo)分離的離心力不斷增大；另一方面是由于級聯(lián)式氣-液旋流分離器中增設(shè)的二級旋流區(qū)能夠有效分離短路流攜帶的液滴，緩解“跑粗”現(xiàn)象對分離過程的負(fù)面影響。不同入口氣速下分離效率的變化規(guī)律具有相似性，液滴直徑小于0.2 μm時存在明顯的“魚鉤效應(yīng)”，極小的液滴在流動過程中因更易發(fā)生團(tuán)聚而使其分離效率略高。當(dāng)液滴直徑大于0.2 μm時，分離效率隨液滴直徑的增加不斷提高，直徑6 μm以上的液滴分離效率可達(dá)100%。

圖15 級聯(lián)式氣-液旋流分離器分離效率(η)變化曲線Fig.15 Variation curves of separation efficiency (η)of cascade gas-liquid cyclone separator

5 結(jié) 論

(1)Q準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確識別級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)蘭金組合渦分布情況，Q值為0處即為準(zhǔn)自由渦與準(zhǔn)強(qiáng)制渦的分界位置。新型級聯(lián)式氣-液旋流分離器中一級旋流區(qū)內(nèi)上下行流分界線位于R=0.55rh處，內(nèi)、外旋流分界線位于R=0.35rh處；二級旋流區(qū)流動不呈現(xiàn)明顯的蘭金組合渦分布特點(diǎn)。

(2)根據(jù)匯入排氣芯管區(qū)域內(nèi)氣相流量的變化能夠有效判斷短路流的發(fā)生位置及短路流流量，氣-液旋流分離器中短路流流量通常較高，當(dāng)入口氣速為7 m/s時，級聯(lián)式氣-液旋流分離器中一級旋流區(qū)內(nèi)短路流流量高達(dá)入口流量的70.28%。

(3)級聯(lián)式氣-液旋流分離器內(nèi)存在大量的局部二次渦流，但二級旋流區(qū)能夠有效分離短路流攜帶的液滴，提高旋流器分離效率，兩級分離后級聯(lián)式氣-液旋流分離器對直徑6 μm以上的液滴能夠?qū)崿F(xiàn)完全分離。

符號說明：

A——截面面積，m2；

a，b——排氣芯管開口寬度和高度，m；

CD——阻力系數(shù)；

Dg——?dú)庀喑隹谥睆剑琺；

Dh——筒體直徑，m；

Dl——液相出口直徑，m；

Do——排氣芯管直徑，m；

Dt——降液管直徑，m；

Dp——液滴直徑，μm；

ep——壓降相對誤差，%；

eη——分離效率相對誤差，%；

h——雙蝸殼入口高度，m；

ht——降液管長度，m；

L1——一級旋流管長度，m；

L2——二級旋流管長度，m；

n——切向速度指數(shù)；

P——截面；

p——靜壓，Pa；

p′——脈動壓力，Pa；

qc——向心流流量，m3/h；

qin——入口流量，m3/h；

qP——截面流量，m3/h；

qs1——排氣芯管底部逃逸的短路流流量，m3/h；

qs2——降液管底部逃逸的短路流流量，m3/h；

R——徑向位置，m；

rh——筒體半徑，m；

rp——初始液滴半徑，μm；

t——時間，s；

u——瞬時速度，m/s；

u′——脈動速度，m/s；

up——液滴運(yùn)動速度，m/s；

va——軸向速度，m/s；

vin——入口氣速，m/s；

vt——切向速度，m/s；

w——網(wǎng)格數(shù)量；

x，y，z——三維坐標(biāo)位置，m；

Δd——降液縫隙寬度，m；

Δp——壓降模擬值，Pa；

Δpexp——壓降實(shí)驗(yàn)值，Pa；

η——分離效率模擬值，%；

ηexp——分離效率實(shí)驗(yàn)值，%；

μ——?dú)庀鄤恿︷ざ龋琍a·s；

μp——液滴動力黏度，Pa·s；

ρ——?dú)庀嗝芏龋琸g/m3；

ρp——液滴密度，kg/m3；

σ——液滴表面張力，N/m；

下標(biāo)：

i，j，k——矢量方向。