基于超重力凈油裝置的三相分離數值仿真研究

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(北京工業(yè)大學 機電學院, 北京　100124)

引言

液壓傳動技術與電氣、機械及氣壓傳動相比具有體積小、重量輕、結構緊湊、響應速度快、能無級調速、控制靈活等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防和科學技術領域。液壓油作為液壓系統的常見工作介質，其清潔度高低嚴重影響液壓系統的工作可靠性及元件的壽命。美國流體協會的調查結果證實，液壓系統的故障至少有75%是由于工作介質的污染而造成的[1]。而國內外經驗表明，通過合理有效的過濾方式去除液壓系統中的污染物，可使設備的平均故障間隔時間延長10～50倍，液壓元件壽命延長10倍以上[2]。因此，通過合理有效的手段改善液壓油的清潔度水平是液壓系統正常工作的保障。

固體顆粒和水是液壓油中污染物的重要組成成份，為了有效濾除這兩相污染物，維持液壓油的高清潔度，提出一種新型超重力凈油裝置[3](結構如圖1所示)。超重力凈油裝置依據液壓油凈化機理的不同可被看做是超重力旋轉填料床和旋流器兩種凈化裝置的結合體。所謂超重力是指在比地球重力加速度大得多的環(huán)境下，物質所受到的力(包括引力或排斥力)。超重力技術是強化多相流傳遞及反應過程的新技術，具有能夠增強固液分離效率，提高傳質效率，大大簡化設備尺寸和降低結構對轉速要求的特點。當污染液壓油流經超重力凈油裝置時，污染物顆粒群中的較大直徑顆粒在旋流場作用下經過離心沉降和重力沉降，最先被捕獲而落入尾端的底流口，完成固體顆粒污染物的分離；初步凈化的油液隨內旋流進入上部分超重力床空間，并隨旋轉填料高速旋轉，液體被撕裂成微米級的液霧和液滴，在超重力場下，當含液霧的液滴通過高速旋轉、彎曲狹窄且多變、充滿著極薄的液霧和細小液滴的填料層中的空隙時，液滴和液霧的慣性沉降能力增強，與液體、填料都形成了急速的碰撞接觸，使得屬性相同的液滴和液霧有效凝聚，同時在離心力的作用下實現油水兩相的分離，最終凈化后的油液沿旋轉床頂部中央的凈化液壓油出口排出。

1.出油口　2.矩形入口　3.溢流管　4.圓錐段　5.底流口　6.圓柱段　7.出水口　8.旋轉填料床圖1　超重力凈油裝置結構圖

早在第二次世界大戰(zhàn)后，旋流器已經在醫(yī)藥、采礦、石油和粉末加工等領域得到廣泛應用[4]。隨著CFD技術的發(fā)展，各國科學家對旋流器內流場進行了一系列數值模擬仿真工作。如Hirt 和Nichols[5]借助雷諾應力模型研究了旋流分離器內的湍流流場，并利用流體體積函數模型(VOF)研究了空氣柱的位置。Hsien和Rajamani等[6]采用CFD軟件模擬了二維軸對稱旋流分離器內單相流的速度場。李玉星等人[7]采用RNGk-ε模型，以SIMPLE算法為基礎，對靜態(tài)液-液分離水力旋流器進行數值計算，模擬得到的速度矢量圖和流線圖較好地反映了旋流器內部流體流動的基本規(guī)律。

超重力發(fā)生裝置——超重力旋轉填料床(RPB)由Ramshaw 和 Mallinson首先提出[8]，該裝置通過增加反應場的重力加速度來增加相間傳質強度，近年來超重力技術在能源、環(huán)境、制藥工程、生物化工等工業(yè)中已取得了巨大進展。北京化工大學于1990年建立了我國第一個超重力工程技術研究中心，2001年升級成立教育部超重力工程研究中心，開展了一系列的創(chuàng)新性研究工作[9,10]。中北大學化學工程技術研究中心焦緯洲等[11]首次提出了旋轉填料床同時進行脫硫和除塵的思路，對南方化工集團和太原二電廠的灰塵進行處理，以Mg(OH)2和Ca(OH)2懸浮液為吸收劑，超重力場同時處理氣體含塵高達50 g/m3和含SO2高達1200 ppm煙的脫硫除法的成套技術，液氣比為0.21 L/m3，液體用量低于任何濕法，脫硫除塵率均達到99%、超重機的出口氣體中SO2的體積分數為8 ppm。

超重力技術雖然在近年來已取得了巨大進展，但這一全新技術的特點和應用前景，以及在這項技術中尚未充分揭示的現象和值得深入研究的理論，還有待人們進一步的探索和研究，尤其是國內外關于超重力場的流場仿真研究十分少見。鑒于此，在綜合分析國內外學者對旋流場和超重力場研究的基礎上，運用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT對超重力凈油裝置內的固-液分離旋流場和液-液分離超重力流場進行仿真研究，獲取固體顆粒在裝置內的運動軌跡和超重力凈油裝置不同出口處液壓油的體積分數，進而對超重力凈油裝置的凈油效果進行綜合評估。

1　超重力凈油裝置模型的建立

設定系統流量為100 L/min，超重力凈油裝置入口處液壓油流速為10 m/s，經設計計算后所獲得的超重力凈油裝置的關鍵結構參數如表1所示。

由于旋流場與超重力場屬性截然不同，為了能準確獲取超重力凈油裝置內的流場分布特征，將超重力凈油裝置劃分為兩部分進行流場分析，即固-液分離旋流場(分離固體顆粒污染物) 及液-液分離超重力場(分離液壓油中的水)。 離散相模型 (DPM) 和歐拉多相流模型分別作為兩個流場的基本計算模型。在仿真過程中，超重力場選用目前較為通用的標準k-ε湍流模型，標準k-ε模型需要求解湍動能和耗散率方程，其中，湍動能方程是通過精確方程推導而獲得的，而耗散率方程是通過物理推理、數學上模擬相似原形方程得到的。模型假設流動為完全湍流，忽略分子黏性的影響，標準k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程可表示為下式[12]：

表1　超重力凈油裝置的關鍵結構參數

Gk+Gb-ρε-YM

(1)

(2)

其中,Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總耗散率的影響。

在對旋流場進行仿真過程中，考慮到旋流器內部存在強旋轉流，為避免產生失真現象，仿真過程選用RNGk-ε湍流模型。與標準k-ε相比，RNGk-ε湍流模型對湍動黏性系數進行了修正且在k-ε方程中增加了反映主流的時均應變率，同時考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況[13,14]，因而更適用于研究中對旋流器流場的模擬。

旋流器及超重力床模型利用前處理軟件Gambit建模并進行結構化網格劃分，當網格數目分別達到361517和336332時，計算結果是網格無關的，進而可進一步進行相關模擬仿真工作。圖2為本研究中旋流器及超重力床兩部分的網格生成圖。

圖2　網格生成圖

超重力凈油裝置模型建立過程中，液壓油由旋流器溢流口排出至進入超重力床這一區(qū)間包含一連接兩部分的流體延伸區(qū)域，該流體域上表面(圖2a圈內區(qū)域)既是旋流器部分的流體出口，又與高速旋轉填料接觸，具有填料的性質，因此該表面被定義為多孔介質出口。其他邊界條件設置如表2所示。

表2　超重力凈油裝置模型的邊界條件設置

2　超重力凈油裝置流場仿真

將生成的網格文件導入計算流體動力學軟件FLUENT進行流場特性分析，這一過程中盡管產生了一系列數值模擬仿真結果，但只選取與超重力凈油裝置分離效率相關的仿真結果進行分析，以揭示超重力凈油裝置對液壓油的凈化作用。

2.1　固-液分離流場

切向速度對旋流器內固-液三維液體分離運動起十分重要作用，一般來說，其數值也大于其他兩個方向的速度。同時切向速度與離心力的形成密切相關，因而常被用來作為考查旋流器分離效率的重要指標。當污染液壓油由切向入口進入旋流器后，在離心力作用下，較大粒徑顆粒或是比重較大顆粒隨液壓油形成的旋流很快運動到旋流器靠近器壁處形成的外旋流，最后由底流口排出。圖3為旋流器橫截面的二維切向速度云圖。由圖可見切向速度值在旋流器內部靠近中心軸及溢流管流體延伸域處獲取較大值，最大切向速度值可達18.9 m/s，大大有利于提高固體顆粒的分離效率。

圖3　旋流器內部切向速度云圖

大量研究和試驗表明，直徑5 μm左右的顆粒是引起液壓系統淤積堵塞的主要原因，而直徑大于15 μm 左右的顆粒則對元件磨損起主要責任。基本流場建立后將三種不同粒徑顆粒(5 μm、15 μm和50 μm)注入旋流器模型進行研究，仿真獲取的不同粒徑固體顆粒污染物在旋流器內的運動軌跡如圖4所示。

由圖可見，隨著旋流運動的進行，由于固體顆粒較液壓油受到較大離心力，因而一進入旋流器就被甩至靠近器壁處。聚集的固體顆粒隨著外旋流首先運動到圓錐部分，大部分固體顆粒由尾端的底流口排出旋流器，完成固體顆粒的分離，同時小部分小比重顆粒隨回流向上運動，由溢流口處跟隨初步凈化的液壓油進入超重力床部分。比較圖4a～圖4c可見隨固體顆粒粒徑增加由溢流口處排出的固體顆粒越來越少，尤其是圖4b和圖4c兩圖，顆粒全部通過旋流器尾端的底流口排出。這說明旋流器能夠分離大部分直徑在5 μm左右的固體顆粒污染物，同時可以分離全部的直徑在15 μm左右和直徑在50 μm左右的固體顆粒污染物。

2.2　液-液分離流場

設定液壓油的初始含水量為5%，上述旋流器模型模擬獲得的出口壓力即為超重力床多孔介質的入口壓力，此時施加適當的入口壓力相當于給初步凈化的油液某一初始速度，推進水分和液壓油在填料內的運動和分層，增進同種屬性液流的凝結聚合，促進油水分離過程的進行。

圖4　旋流器內不同粒徑固體顆粒的運動軌跡

圖5為超重力床內液壓油的體積分數分布圖，其中顏色越深則代表液壓油的體積分數越高。由圖可見，液壓油由于密度較小集中在超重力床的上部和靠近軸心處，并最終由位于頂部中心的凈化液壓油出口排出，而混有水分的液壓油則聚集在出水口附近并最終由此排出。凈化液壓油出口排出的液流含液壓油體積分數為100%，此時純凈液壓油占據了凈化油出口的全部，而出水口處液流含液壓油體積分數的平均值大致為94%。

為了更加直觀觀察超重力凈油裝置各出口所排出液體的不同組分含量，圖6a和圖6b示出了超重力床各出口處液壓油的體積分數曲線圖和各出口處水分的體積分數曲線圖。由圖6a可以看出由出油口處排出的液壓油體積分數為100%，而出水口處液壓油體積分數平均值約為94%。類似地，圖6b為出水口和出油口的水分含量。由圖可見無混水液壓油由出油口排出，即出油口水分含量為0%，因而可以獲得完全純凈的液壓油。

圖5　超重力床內液壓油體積分數的等值線圖

圖6　超重力床內部不同相的體積分數曲線圖

3　結論

由仿真結果可知超重力凈油裝置能夠有效分離液壓油中含有的固體顆粒污染物及水分。通過對不同粒徑固體顆粒污染物的運動軌跡進行模擬可以發(fā)現，超重力凈油裝置可以有效去除粒徑為5 μm的固體顆粒污染物，同時能夠完全去除粒徑為15 μm和50 μm的固體顆粒污染物；通過對超重力液-液分離流場進行仿真，結果表明超重力凈油裝置的凈化液壓油出口處所排出的流體所含液壓油的體積分數為100%，即在液壓油出口處可以獲取完全純凈的液壓油。

超重力凈油裝置將超重力技術與旋流分離技術相結合，應用于流體傳動及控制領域來解決液壓系統的污染控制問題，填補了我國超重力凈油技術方面的空白，具有十分重要的理論研究意義和實際應用價值。

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