入口參數對軸流式油氣分離器性能的影響

陳 偉，馮健美，韓濟泉，彭學院

（西安交通大學能源與動力工程學院，陜西西安710049）

1 引言

在噴油壓縮機系統油氣分離器以及其它氣液分離器中，入口設計常常采用碰撞分離進行初步分離，以分離出大粒徑液滴，提高分離器整體分離效率。本文提出在軸流式油氣分離器入口處安裝擋板構件，以對進入分離器的油氣混合物進行初步的碰撞分離，使進入后續離心分離段的油氣混合物含油量降低，提高離心分離效率，進一步提升軸流式油氣分離器的分離效率。圖1為帶擋板的軸流式油氣分離器主剖視圖，油氣混合物從分離器入口進入分離器后，經擋板第一步碰撞分離出大粒徑油滴，隨后氣流由外側環形空間進入旋流葉片，經離心分離后氣體從出口排出。

圖1 帶擋板的軸流式油氣分離器主剖視圖

目前已有學者對分離器入口擋板進行了研究。張靜[1]等人研究了不同相對曲率的擋板對分離器入口局域流場流體力學性能的影響，結果表明，隨著擋板相對曲率的降低，擋板受到的沖擊力下降，入口局域阻力下降，凹柱面能夠限制射流的擴展，凸柱面有利于射流的擴展。對圓形射流沖擊平板的研究表明[2-3]，若沖擊間距在入口管直徑d的2~10倍范圍內，徑向和法向最大時均速度會隨著沖擊間距的增加而降低，并且最大脈動速度也會降低，射流半寬值增加。在過去幾年中，已經進行了各種軸流式旋風分離器的研究。例如，Zhiyi Xiong等[4]優化了渦流探測器的配置，以提高分離效率并降低旋風分離器的壓降，發現回流錐和螺旋間隙配合具有最佳的分離性能。Ta-Chih Hsiao等[5]評估了軸流式旋風分離器的顆粒收集效率，其具有以50lpm氣溶膠流速操作的8種不同幾何構型。該研究表明，軸向流動模式的最佳配置受渦流探測器長度的影響很大。郭穎等[6]對不同導流錐和排塵結構參數下的純氣流流場及顆粒濃度場的分布特性進行了對比分析。研究表明：在一定范圍內采用減小導流錐下端內徑、采用排塵側縫的單錐排塵結構有利于旋風管內顆粒物的分離。張慶國等[6]采用CFX數值模擬對軸流導葉式旋流管內部的流動特性及不同旋流數對旋流管分離性能的影響進行了研究，結果表明：徑向流速是影響分離效率的重要因素，旋流管的徑向流速峰值會隨旋流數的增加而降低，液體攜量也降低。Luis D.Peréz Guerra等[7]人對弧形導流葉片的流通面積以及葉片出口的切向速度進行了推到，并且得到了計算公式。R.Thundil Karuppa Raj等人[8]研究了導葉角度和葉片數對漩渦強度的影響，發現漩渦會產生壓力梯度，且會形成內循環區。Hobbs[9]模擬了導流葉片的幾何參數對分離效率以及壓降的影響，發現出口角度越小，分離效率就越高，但同時壓降也會越大。黃龍等人[10]利用數值模擬研究了葉片扭轉角度對分離性能的影響，發現扭轉角越大，分離效率就越高，壓降也越大。

沖擊間距和擋板的結構對流場的分布起決定性作用，對碰撞分離效率影響較大，合理的擋板結構設計有利于提升軸流式油氣分離器分離效率。為了比較不同結構的擋板對粗分效率的影響，本文建立了平面擋板、90°擋板和180°擋板3種類型的數值模擬模型，并對這3種類型的分離器在不同沖擊間距以及入口流速下的流場、壓力損失和油滴運動軌跡進行了模擬分析。

2 物理模型

本文的研究對象為帶擋板的軸流式油氣分離器入口碰撞分離段，因此在建立物理模型時對分離器進行了簡化，省去了旋流葉片，使整個分離器內部沒有離心分離，只進行初步的碰撞分離，圖2為優化的物理模型主剖視圖以及本文所研究的3種不同結構擋板的入口局部視圖，本文研究了30 mm、40 mm、50 mm和60 mm 4種不同的沖擊間距L以及7.2 m/s、10.8 m/s和14.5 m/s 3種不同的入口速度。

3 網格劃分

對所研究的帶擋板的軸流式油氣分離器流域進行網格劃分，采用切分和分區劃分網格的方法，如圖3所示，除弧面擋板區域外，其余部分均為六面體網格，整體網格的扭曲度均低于0.8，大部分網格扭曲度在0.5以下，有效提高了網格質量，保證了計算精度。

以帶有180°擋板的分離器流域模型進行了網格無關性驗證，劃分了3種不同密度的網格，網格數量分別為55萬、97萬和185萬。通過對比計算結果發現，3種密度的網格壓損差異不超過5%，可以認為繼續增大網格數對最終的計算結果沒有影響，因此本文選擇的網格數為55萬。

圖2 物理模型及入口結構局部圖

圖3 網格劃分示意圖

4 數值計算方法

由于本文所研究重點為入口參數的影響，故模型中去掉了旋流葉片，從而分離器中流場沒有強烈的旋流，因此本文的數值模擬計算中氣相流場計算采用k-epsilon模型。液滴相的體積分數小于10%，可以忽略液滴體積分數對氣相流場的影響，因此采用離散相模型（DPM）對液滴的運動軌跡進行跟蹤模擬，DPM模型選擇非耦合計算，即不考慮液滴和流場之間的相互影響，在模擬計算時先計算連續相氣相流場，然后加載離散相，直接計算液滴的軌跡。采用的方程離散格式如表1所示。邊界條件設置為速度入口邊界以及壓力出口邊界，入口氣流速度為7~13 m/s。出口設置為壓力出口，壓力設置為4bar，為保證計算精度，模型中排氣管的長度是排氣管當量直徑的十倍長。同時，在用DPM對油滴軌跡進行跟蹤模擬的時候，分離器內壁面設置為捕捉（trap），出口處設置為逃逸（escape）。

5 結果分析

5.1 流場分布

圖4為3種不同結構分離器在入口速度的7.2 m/s時的入口局部流場圖，從圖中可以看出，帶有180°擋板的分離器在分離器下部會存在特別強烈的旋渦，這會導致流體能量的損失，同時會使大量油滴在分離器下部懸浮，再次被氣流攜帶。而其他兩種結構形成的旋渦不是特別強烈，更有利于油滴的分離。

表1 控制方程的離散格式

5.2 壓力損失

圖5為帶有3種不同結構擋板的分離器在沖擊間距為30 mm時不同的入口速度下的壓力損失，從圖中可以看出帶有平面擋板的分離器以及含有90°擋板的分離器壓力損失差別很小，而含有180°擋板的分離器壓力損失明顯高于其他兩種，這是由于含有180°擋板的分離會形成強烈的旋渦，導致流體能量損失增加，從而壓損增大。

圖6為帶有3種不同結構擋板的分離器在入口速度為10.8 m/s時不同沖擊間距下的壓力損失，可以看出隨著沖擊間距的增加，3種結構的分離器壓力損失都在降低，這是由于沖擊間距增加導致氣流碰撞到擋板上的速度降低，從而損失減小。同時，帶有180°擋板的分離器隨著沖擊間距的增加，壓損下降幅度明顯大于其他兩種結構，這是由于沖擊間距增加后，帶有180°擋板的分離器底部形成的旋渦會減弱，從而壓損明顯降低。

圖4 3種結構在入口速度為7.2 m/s時的局部流場圖

圖5 3種結構在沖擊間距為30 mm時不同入口速度下的壓力損失

圖6 3種結構在入口速度為10.8m/s時不同沖擊間距下的壓力損失

5.3 最小分離粒徑

本文采用離散相模型（DPM）對油滴的運動軌跡進行跟蹤模擬，得到3種結構分離器在不同入口速度下能夠分離出的最小油滴粒徑。以帶有180°擋板的分離器，沖擊間距為30 mm，入口速度為7.2 m/s為例，改變射入的油滴粒徑，得到不同粒徑油滴的運動軌跡，如圖7所示。可以看出，當油滴粒徑超過26μm時，將沒有油滴從出口管逃逸。

圖8為3種不同結構分離器在沖擊間距為30 mm時3種入口流速下的最小分離粒徑，從圖中可以看出帶有90°擋板的分離器最小分離粒徑遠小于其他兩種結構的分離器，分離效果最好。帶有180°擋板的分離器最小分離粒徑較大，碰撞分離效果不明顯。

圖9中顯示了3種結構的分離器在入口速度為10.8 m/s時不同沖擊間距下的最小分離粒徑，可以看出不管沖擊間距如何變化，帶有90°擋板的分離器能夠分離出的最小油滴粒徑都遠小于其他兩種結構。同時，帶有平面擋板的分離器隨著沖擊間距的改變，最小分離粒徑沒有變化。

圖7 各粒徑油滴軌跡

圖8 沖擊間距為30 mm時不同入口速度下的最小分離粒徑

圖9 入口速度為10.8 m/s時不同沖擊間距下的最小分離粒徑

6 結論

本文提出了在軸流式油氣分離器入口設置碰撞擋板以使其增加初步的碰撞分離，提高分離效率，并對帶不同結構的擋板以及不同的沖擊間距的分離器進行了數值模擬，分析了壓力損失以及最小碰撞分離粒徑，結果表明：

（1）在相同的沖擊間距下，3種結構形狀的擋板在碰撞分離段所能分離出的最小油滴粒徑，均隨著入口速度的增大而不斷減小，分離效率提高，但同時在分離器入口段所產生的壓損也隨之增加。

（2）在入口速度不變的情況下，隨著沖擊間距的增加，3種結構形狀的擋板在入口段所產生的壓損均呈現下降的趨勢，180°擋板下降幅度最大。在不同的沖擊間距下，平面擋板以及90°擋板所能分離出的最小油滴粒徑基本不變，180°擋板所能分離出的最小粒徑會隨著沖擊間距的增加有小幅度的增加。

（3）從數值模擬流場圖中可以看出，180°擋板會使得分離器底部形成較為強烈的旋渦，導致流體能量損失，壓力損失增加，同時會導致部分油滴懸浮在分離器下部，又被隨后的氣流重新攜帶，降低分離效率。在3種結構形狀的擋板中，90°擋板在碰撞分離段所能分離出的最小油滴粒徑要明顯小于平面擋板以及180°擋板，同時壓力損失也相對較低。因此，在本文所研究的3種結構形狀的擋板中，90°擋板有著最優的碰撞分離性能。