動(dòng)態(tài)水力旋流器流場數(shù)值模擬研究

劉華煒，張廣文

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071)

1 前言

液-液水力旋流器是國際上20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型分離設(shè)備，按其結(jié)構(gòu)的不同可分為靜態(tài)水力旋流器和動(dòng)態(tài)水力旋流器兩種。盡管動(dòng)態(tài)旋流器在結(jié)構(gòu)上及操作運(yùn)行上要比靜態(tài)旋流器復(fù)雜，但由于其內(nèi)部液流迫旋切向速度高，能使不互溶的復(fù)雜液體混合相得到較好分離，有更高的分離效率與更好的處理效果，可對(duì)礦業(yè)上難以處理的產(chǎn)出水進(jìn)行有效分離，因而有必要加以研究開發(fā)[1-2]。

旋流器內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜，影響其分離效率的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)很多，因此對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的實(shí)驗(yàn)研究比靜態(tài)旋流器研究更加困難，完全依靠實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化設(shè)計(jì)這些參數(shù)，不僅工作量大，而且不能有效、準(zhǔn)確地預(yù)測動(dòng)態(tài)旋流器的工作性能，因此對(duì)旋流器流場進(jìn)行數(shù)值模擬將有助于最佳參數(shù)的合理確定。目前在旋流器流場數(shù)學(xué)模型建立方面已經(jīng)取得了一些成果，其中應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(簡稱CFD)技術(shù)對(duì)旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行模擬和分析可作為一種有效的分離器性能預(yù)測工具，在很大程度上替代了流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)[3-4]。筆者利用CFD方法，采用流體力學(xué)FLUENT分析軟件對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行了分析，研究了各種參數(shù)對(duì)氣體分離的影響，從而改進(jìn)旋流器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以加速旋流器的應(yīng)用推廣。

2 動(dòng)態(tài)水力旋流器的CFD模型

2.1 動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)介紹

本文采用中心進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器進(jìn)行模擬研究，其基本組成結(jié)構(gòu)是在靜態(tài)旋流腔內(nèi)裝有可旋轉(zhuǎn)的葉輪，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

旋流器的工作原理是流體通過中心進(jìn)料管進(jìn)入到葉輪的中心，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪獲得較大的切向速度，最后在靜態(tài)旋流腔內(nèi)完成固液兩相的分離過程。

1-葉輪；2-旋流腔；3-溢流管；4-底流口；5-溢流出口圖1 動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 動(dòng)態(tài)水力旋流器的網(wǎng)格劃分

動(dòng)態(tài)水力旋流器網(wǎng)格的劃分采用的是六面體網(wǎng)格，這樣能夠生成質(zhì)量較好的網(wǎng)格，并能減少網(wǎng)格數(shù)量，從而減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度。根據(jù)Gambit處理軟件的特點(diǎn)，為了生成質(zhì)量較好的六面體網(wǎng)格，將動(dòng)態(tài)水力旋流器劃分成幾個(gè)區(qū)域，分區(qū)域生成網(wǎng)格。

2.3 邊界條件的確定

在上述分區(qū)域生成網(wǎng)格中，為了使得兩個(gè)區(qū)域界面處的節(jié)點(diǎn)保持一致，各區(qū)域之間的界面均設(shè)定為interior的邊界條件。

進(jìn)口邊界條件：采用速度進(jìn)口邊界條件，入口速度由入口管直徑和處理量確定，流體在葉片的進(jìn)口處均勻入流，入口處的k和ε一般由實(shí)驗(yàn)值確定，可由如下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

式中，cμ的值為0.09，din為當(dāng)量直徑。

出口邊界條件：溢流出口和底流出口均采用出口邊界條件，根據(jù)所選取的分流比確定出底流出口和溢流出口的流量比為Qu∶Qo=1∶19。

壁面邊界條件：旋流管壁面由頂端壁面和周向邊壁所組成，可以按照無滑移條件處理，即vt=vr=vz=k=ε=0。

3 動(dòng)態(tài)水力旋流器的CFD模擬

3.1 基本假設(shè)

為了建模需要，并使模型更加容易求解，做出如下假設(shè)：

1) 穩(wěn)定性假設(shè)：旋流器工作過程中流體的流態(tài)為定常流；

2) 動(dòng)量守恒假設(shè)：流體流動(dòng)過程中流體瞬時(shí)的角動(dòng)量守恒；

3) 能量、質(zhì)量假設(shè)：在旋流分離過程中認(rèn)為能量和質(zhì)量是守恒的，不存在傳質(zhì)和傳熱現(xiàn)象。

3.2 CFD模擬旋流器模型的建立

本文采用由Yokhot和Orszag等人提出的RNGk-ε模型模擬動(dòng)態(tài)水力旋流器中強(qiáng)旋湍流場[5]。在該模型中，通過在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)來體現(xiàn)小尺度的影響，最后得到的k方程和ε方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似：

(3)

(4)

3.3 可動(dòng)區(qū)域模型

由于中心進(jìn)料式動(dòng)態(tài)水力旋流器帶有旋轉(zhuǎn)的葉輪，葉輪帶動(dòng)流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。因此，本文通過采用多重參考系法(MRF)對(duì)此問題進(jìn)行求解。在FLUENT多重參考系特征的執(zhí)行中，按區(qū)域分為子域，每個(gè)子域相對(duì)于慣性系可能是平移或旋轉(zhuǎn)的。移動(dòng)參考系的速度和速度梯度按照以下方式轉(zhuǎn)換到絕對(duì)慣性系，如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系

4 模擬結(jié)果

在模擬時(shí)，設(shè)定的工作參數(shù)為：葉輪轉(zhuǎn)速2000rpm、處理量30m3/h及分流比5%。旋流器有代表性的截面分別是錐段下部、錐段中部、錐段上部和葉輪中部，如圖3所示，從而對(duì)每個(gè)位置的速度場和壓力場進(jìn)行模擬研究。

圖3 旋流器各截面位置

4.1 各截面切向速度分布

旋流器在截面1(葉輪位置)處的切向速度分布圖如圖4所示。從圖中可以看出，橫坐標(biāo)±30處為葉輪葉片內(nèi)緣，所以區(qū)間[-30，30]為軸向進(jìn)料的區(qū)域，在此區(qū)域的流體切向速度很小，幾乎只有軸向速度。由葉片內(nèi)緣(橫坐標(biāo)±30處)向外，隨著半徑的增大，其切向速度先增加后減小，在橫坐標(biāo)±60處的切向速度最大為12.8m/s，隨著半徑的繼續(xù)增大，切向速度又逐漸減小。而

從壁面到±70處的區(qū)域，流體的流動(dòng)表現(xiàn)出準(zhǔn)自由渦運(yùn)動(dòng)，也就是流體的切向速度隨著半徑的增加不斷減小，在壁面處流體邊界層的切向速度會(huì)迅減小為零。

圖5為旋流器在其他三個(gè)截面處的切向速度分布。從圖中可以看出，在溢流管所占據(jù)的區(qū)域之外，隨著半徑的增大，其切向速度都不斷增大，并且在接近壁面處達(dá)到最大值并迅速減小。另外，三個(gè)截面在同一半徑處的切向速度基本相同。流場的切向速度分布呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)；切向速度的最大值將流場分為準(zhǔn)強(qiáng)制渦和準(zhǔn)自由渦兩個(gè)區(qū)域，以最大的切向速度橫坐標(biāo)位置處為界，內(nèi)部為準(zhǔn)強(qiáng)制渦，外部為準(zhǔn)自由渦。

4.2 各截面軸向速度分布

因?yàn)榻孛?處為葉輪所在位置，此截面基本上是旋流發(fā)生區(qū)而并非分離區(qū)，軸向速度并不重要。所以只需要考察其他三個(gè)截面處的軸向速度即可。圖6為旋流器在截面2、3、4處的軸向速度分布圖。

圖4 旋流器截面1處的切向速度分布

圖5 其他三個(gè)截面處的切向速度分布

圖6 各截面處軸向速度分布

從圖6可看出，在溢流管所在區(qū)域[-27，27]之外，隨著半徑的增大，其軸向速度先增加后減小并且由正值變?yōu)樨?fù)值，以經(jīng)過的軸向速度零點(diǎn)的橫坐標(biāo)為界，向外至壁面處軸向速度均為負(fù)值，向內(nèi)至溢流管外壁軸向速度均為正值。這表明了流場內(nèi)部存在向上的內(nèi)旋流和和向下的外旋流兩種流動(dòng)方式。而在壁面處因?yàn)榱黧w邊界層的存在，其軸向速度大小為零。

4.3 整機(jī)壓力分布

圖7和圖8分別是旋流器整機(jī)的總壓和靜壓分布圖。從圖中可以看出，壓力由中心至壁面逐漸增大。其中在溢流入口處，旋流器內(nèi)部的總壓和靜壓都出現(xiàn)了較大變化，該處的總壓和靜壓損失均比較大，這也致使溢流的總壓和靜壓較低。對(duì)于總壓損失原因的分析，在溢流入口處，流體由旋轉(zhuǎn)的切向運(yùn)動(dòng)逐漸變成在溢流管內(nèi)的軸向運(yùn)動(dòng)，由此可以推斷出流體在此處由于其流向發(fā)生了改變，產(chǎn)生了流動(dòng)轉(zhuǎn)向損失，致使總壓在此處發(fā)生了突變。

圖7 整機(jī)總壓分布

圖8 整機(jī)靜壓分布

對(duì)于靜壓損失，主要是因?yàn)樾髌鲀?nèi)部的壓力由外壁向中心不斷減小，中心存在有空氣柱的為低壓區(qū)。另外，流體沿徑向流入溢流管，也會(huì)存在一定的流動(dòng)損失。

5 結(jié)束語

應(yīng)用流體計(jì)算軟件FLUENT對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬，準(zhǔn)確地反映出了流場內(nèi)部速度場和壓力場分布情況。本文所建立的數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向和軸向速度分布規(guī)律的模擬，能方便、快捷地對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測，對(duì)內(nèi)流場模擬的結(jié)果有助于對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行分析，并可為設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)。

[1] 蔣明虎, 趙立新, 李楓,等. 旋流分離技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2000.

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[3] 苗長山,李增亮,趙新學(xué),等.多相混輸泵的數(shù)值模擬及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比[J].石油機(jī)械,2007, 35(11):1-4.

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