中心曲面錐型旋流器分離性能的數值模擬

劉培坤 李子碩 楊興華 張悅刊

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

水力旋流器是一種利用離心沉降原理進行多相分離的有效設備，具有結構簡單、占地面積小、操作方便、效率高等優點，被廣泛應用于石油、化工、采礦等行業［1-4］。但是由于旋流器的工作原理獨特，導致其中心處形成低于外部空間壓力的負壓區，而外部空氣則會通過溢流管和底流口進入負壓區形成空氣柱，對旋流器的分離精度和分離效率造成影響［5-6］。

研究表明，因壓力波動引起的空氣柱形狀的變化以及界面浮動都要消耗旋流器內的能量［7］，為減少這部分能量消耗，國內外眾多學者對旋流器提出了改進。方勇等［8］通過提升旋流器的底流背壓來防止空氣從底流口進入旋流器形成空氣柱，提升了流場穩定性。劉培坤等［9］提出一種帶中心固棒的鐘形溢流管旋流器，通過設置中心固棒來抑制空氣柱的形成，提升了分離效率，并且采用鐘形溢流管結構，減小了短路流。張恒等［10］在中心固棒的基礎上增加固體雙錐，提出中心錐型旋流器，該中心錐結構迫使內旋流中的粗顆粒重新進入外旋流，強化了分離效果，但該結構的存在導致旋流器有效分離空間減小，同時中心錐下錐面處速度方向變化率大，破壞了流場穩定性。

為進一步提升旋流器分離性能，筆者對中心固體雙錐的下錐面進行改進，提出一種帶有中心曲面錐型插入物的水力旋流器（下文稱：中心曲面錐型旋流器）。為探究兩種中心插入物對旋流器流場及分離性能的影響，利用流體力學軟件FLUENT19.0對兩種旋流器進行數值模擬分析。

1 中心曲面錐型旋流器的結構及參數

中心錐型旋流器在中心固棒的基礎上增加固體雙錐，抑制了空氣柱的形成［11］，同時旋流器中的內旋流在沿中心軸線向上運動流經中心錐型插入物的下錐段時被迫向壁面運動，從而使得內旋流中夾帶的粗顆粒能夠重新進入外旋流，強化顆粒的離心分離；中心錐的上錐段則起到導流的作用，減緩由于添加了中心錐結構而導致的湍流。中心曲面錐則是將中心錐的下錐段改進為與中心錐大端面半徑相同的圓角曲面，該曲面結構減小了錐體體積，增加了旋流器內的有效分離空間，使內旋流在速度方向改變的過程中過渡更加平緩；并且由于內旋流中的粗顆粒在離開曲面錐時的速度方向與水平面的夾角接近于零，因此顆粒更容易進入外旋流。

中心錐型旋流器和中心曲面錐型旋流器的結構如圖1所示。兩種插入物的固棒直徑d=3 mm，錐體大端面均位于旋流器柱錐交界面，且半徑r1=20 mm；上錐段錐角均為α=90°；常規中心錐下錐段錐角β=60°；中心曲面錐曲面倒角圓半徑r2=20 mm。

為方便中心插入物的安裝，旋流器采用分段組裝，其主要結構參數見表1。

2 數值模擬

2.1 網格劃分

以旋流器底流口中心作為坐標原點，以入口方向作為X軸正向，以底流口指向溢流管方向為Z軸正向，利用SOLIDWORKS軟件分別建立中心錐型和中心曲面錐型旋流器流體域三維模型，然后將模型導入ICEM CFD軟件，利用分塊結構化六面體網格生成技術對其進行網格劃分，如圖2所示，兩種旋流器網格單元數量均在39萬左右。

2.2 湍流模型及邊界條件設置

為對比兩種旋流器的分離性能，采用FLU?ENT19.0軟件進行模擬計算，多相流模型采用Mixture混合模型，湍流模型選用RSM模型。模擬中，主相為液體相水，次相為固體相石英砂，進料質量濃度為10%，體積濃度為4.02%。根據不同的石英砂粒徑，設為不同的次相，石英砂粒徑具體分布情況如表2所示。

水力旋流器入口設置為速度入口（velocity inlet），固液兩相速度均設置為4 m/s；溢流口和底流口均設置為壓力出口（pressure outlet），壓力為標準大氣壓；壁面邊界條件設置為No-Slip-Wall；壓力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散格式為PRESTO，其它采用QUICK格式。

2.3 可靠性驗證

在進一步模擬分析之前，首先建立了常規100 mm旋流器模型，并采用Mixture+RSM模型進行模擬，將模擬得到的分級效率與文獻進行對比（模擬時旋流器結構參數和邊界條件設置與文獻［12］保持一致），結果如圖3所示，可以看出模擬預測和實驗測試的分級效率曲線的整體分布趨勢基本吻合，說明本研究的數值模擬滿足可靠性要求。

3 試驗結果與討論

為方便比較兩種旋流器的流場變化，分別選取位于旋流器柱錐交界面的特征面Z-Ⅰ=490 mm，位于旋流器的錐段特征面Z-Ⅱ=350 mm和Z-Ⅲ=200 mm，取旋流器錐段最下端為坐標原點，特征面位置如圖4所示。

3.1 壓力分布

旋流器壓力分布規律對其分離性能有很大的影響，是計算能量損耗的重要依據。圖5為兩種旋流器不同截面處的靜壓力分布曲線。

從圖5可以看出：兩種旋流器在不同截面壓力分布規律相似，均大致呈軸對稱分布，旋流器內壁附近壓力最大，沿徑向壓力值隨半徑的減小而逐漸降低。圖5（a）表明，在旋流器軸心附近中心曲面錐型旋流器的壓力分布范圍和壓力值都大于中心錐型旋流器。這是因為中心曲面錐的體積小于中心錐，錐體附近的流動空間變大，不會因流體流動空間減小引起的流速增大而導致壓強減小。因此，相比于中心錐型旋流器，中心曲面錐型旋流器的壓力損失更小，實際參與分離的內部流場區域更大，更有利于顆粒的分離；圖5（b）、（c）則表明，隨著截面高度的降低，兩壓力曲線差值逐漸減小。

3.2 切向速度分布

切向速度是影響水力旋流器分級效率的重要因素，圖6是兩種旋流器在不同截面的切向速度分布曲線。

從圖6可以發現：兩種旋流器的切向速度都大致呈“M”型分布，隨著半徑的增加，由軸心向壁面切向速度呈現先增大后減小的趨勢，并在壁面處速度減小為零。由圖6（a）可以看出，中心曲面錐型旋流器在錐體邊緣附近的最大切向速度要大于中心錐型旋流器。因為中心曲面錐型插入物的體積更小，流體在該處受到的粘滯阻力也就更小，故切向速度更大。切向速度大，顆粒受到的離心力大，更有利于顆粒的離心分離；而圖6（b）、（c）表明，越靠近底流口，兩切向速度差值越不明顯。

3.3 軸向速度分布

軸向速度的大小決定了顆粒在旋流器內的滯留時間，直接影響了顆粒分離的充分程度。圖7是兩種旋流器在不同截面的軸向速度分布曲線。

從圖7可以發現：靠近壁面的區域為外旋流，軸向速度向下，是粗顆粒聚集的區域；隨著半徑的減小，流體開始向內旋流過渡，軸向速度轉而向上。需要指出的是，由于錐體中心插入物的存在，會迫使沿軸向向上的內旋流中的部分流體轉而沿軸向向下運動，在Z-Ⅰ、Z-Ⅱ、Z-Ⅲ平面，分別在半徑小于22 mm、18 mm、8 mm的區域內，軸向速度為負值。同時從圖中（a）、（b）還可看出，中心曲面錐型旋流器的軸向速度小于中心錐型旋流器，軸向速度越小，顆粒在旋流器內的滯留時間就越長，分離就越充分。

3.4 徑向速度分布

圖8是兩種旋流器在3個截面上的徑向速度分布曲線。徑向速度影響顆粒的內遷，其絕對值在三個速度分量中最小，并且規律性差。

由圖8可知：兩旋流器徑向速度基本呈中心對稱分布。如圖（a）所示，在半徑小于25 mm的區域內，兩旋流器徑向速度方向與外圍徑向速度方向相反，這是由于中心錐型插入物的添加，迫使錐體附近內旋流中的流體改變流向轉而向壁面運動。可以看出，圖（b）、（c）所示截面位置兩旋流器徑向速度數值差異不大，而圖8（a）中，在半徑小于25 mm的區域內，中心曲面錐型旋流器的徑向速度則高于中心錐型旋流器。這是因為，流體在沿曲面錐向上運動而后離開錐體時，其速度方向與水平面的夾角更小，因此可以獲得更大的徑向速度，從而使得內旋流中更多的顆粒運動至外旋流強化分離，有利于減小粗顆粒伴隨內旋流進入溢流管的概率。

3.5 湍動能分布

湍動能是衡量流場穩定性的重要指標之一，湍動能越小，流場就愈發穩定，分離活動就更精確。圖9為兩種旋流器的湍動能曲線分布。

從圖9（a）可以看出，中心曲面錐型旋流器湍動能略小于中心錐型旋流器，且在插入物錐體結構附近最為明顯。原因在于流向向上的內旋流在沿常規錐面被迫向壁面運動時與流向向下的外旋流之間沖擊力較大，而沿曲面錐體運動過程中由于離開錐面時的速度方向大致為水平而不是斜向上，故與外旋流的沖擊力較小；同時內旋流在沿曲面流動的過程中，速度方向的改變更加平緩，湍動能也就更小。湍動能小，則不會破壞流場穩定性，可以避免造成分離困難，有助于改善分離效果。圖9（b）、（c）中兩分布曲線差值不大，在壁面附近湍動能較大，隨著半徑的減小湍動能先是呈現逐漸減小的趨勢，到軸心固棒附近又出現輕微增大。

3.6 分級效率

根據模擬結果得≥35 μm顆粒在旋流器兩個出口的分布情況，并計算得兩種旋流器分級效率如表3所示。由表3可知，相比于中心錐型旋流器，中心曲面錐型旋流器溢流中≥35 μm顆粒含量相對減少11.08%，底流中≥35 μm顆粒含量相對增加2.33%，分級效率提高了4.04個百分點。該數據表明，中心曲面錐型插入物能夠使內旋流中更多的粗顆粒向壁面運動，重新進入外旋流強化分離，減小了粗顆粒進入溢流管的概率，提高了分級效率；同時，曲面錐結構使得流體流向的變化更加平滑，錐體附近的流場更加穩定，有利于分級效率的提高。

4 結論

（1）與中心錐型旋流器相比，中心曲面錐型旋流器減小了插入物的錐體體積，錐體附近有效分離空間變大，流體的壓降損失減小；錐體體積減小，流體所受的粘滯阻力減小，切向速度增大，有利于顆粒的離心分離。

（2）相比于中心錐型旋流器，中心曲面錐型旋流器在錐體附近具有更大的徑向速度和更小的軸向速度，有利于內旋流中的粗顆粒向外旋流移動以及顆粒在旋流器中的充分分離。

（3）插入物的曲面錐結構使得內旋流在沿錐體運動時速度方向的改變更加平滑，內旋流與外旋流的沖擊更小，錐體周圍的湍動能更小，流場更穩定。

（4）模擬結果表明，中心曲面錐結構可以降低進入溢流的粗顆粒數，使溢流≥35 μm顆粒含量相對減小11.08%，且≥35μm顆粒的分級效率提高了4.04個百分點。