新型動態旋流器流體仿真分析

宿 航，王新慶，田家其，趙俊良，馬寶忠，張俊華，滕興寶，李 慧

（1.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580；2.山東威馬泵業股份有限公司，山東 萊蕪 271199）

旋流器是一種利用離心沉降原理，將液-液、液-固、液-氣等密度不同的兩相或多相混合物在離心力、向心力等相互作用下進行分離[1-2]。其結構簡單、占地面積較小、分離效率高周期短，被廣泛應用在化工、環保等幾乎所有涉及多相混合物分離領域。

目前市面上常見的旋流器可以按照其產生旋流的方式，分為靜態旋流器與動態旋流器。20 世紀80 年代，由于靜力旋流器結構簡單、不需要運動構件且分離效率較高，迅速在石油行業推廣起來[3-5]。但是靜態旋流器受到進液壓力、濃度等因素影響所以需要一定的工藝與之匹配。近年來，人們為改變這些限制，將目光轉移至動態旋流器上來。動態旋流器入口壓力較小、轉速較大可以產生強烈的旋流、可以避免過大的壓降使分散有充裕的滯留時間、可以分離更細小的油滴等[6]。本文構建一種新型復合式動態旋流器，通過電機控制使主軸帶動4 個動態旋流器單元同時工作，提高裝置分離效率[7]。通過FLUENT 軟件對該結構下的動態旋流器內部進行分離效率的數值模擬與內部流場的仿真分析。

1 動態旋流器分離效率的數值模擬

1.1 動態旋流器數值模擬前處理

1.1.1 幾何模型與網格劃分

1）幾何模型構建。動態旋流器的結構示意如圖1所示，主要包括混合物入口、固定基座、電機傳動裝置、轉筒、出水口和出油口等。其中動態旋流器內油水分離區域主要發生在轉筒的部位，因此進行流體幾何模型構建時，主要考慮轉筒段的建模分析。

圖1 動態旋流器幾何模型

根據動態旋流器轉筒的幾何結構可構建流體區域模型如圖2 所示。由于幾何機構相對復雜，網格劃分單元數量大，因此在流體區域做了簡化處理，將存儲部分和圓角等去除。

圖2 旋流器流體區域

2）網格劃分。近年來ANSYS 流體相關的產品體系發展非常龐大，流程更加簡化，流體仿真通常要有4 個步驟：幾何、網格、求解及后處理，如圖3 所示。

圖3 流體仿真流程

本文利用ANSYS 軟件中CFD-POST 進行動態旋流器的網格劃分。CFD（Computational Fluid Dynamics），即計算流體動力學，是近代流體力學，數值數學和計算機科學結合的產物。

CFD 軟件進行網格劃分步驟如圖4 所示。

圖4 流體網格劃分流程

網格節點和單元數量影響流體仿真速度，網格單元數量越小，流體仿真速度越快，但是相對誤差就越大。綜合考慮計算精度和計算效率，本次仿真采用節點為135 230，單元數量為334 592。在網格質量檢測中，網格偏度最大為0.847 33，平均為0.232 34，網格偏度默認為小于0.9，越大代表網格質量越差。正交質量最大為0.989 44，平均0.767 03，正交質量越大代表網格質量越好，默認最小大于0.01。網格劃分結果如圖5 所示。

圖5 網格劃分結果

1.1.2 計算條件和求解設置

1）計算條件設置。流體一共有2 種物質水和油，因此材料設定為2 種，水模型為Fluent 模型庫中的Water-Liquid，油的模型設定為密度900 kg/m3和黏度0.1 Pa·s。模型選擇多相流中的VOF（Volume of Fluid）模型，該模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區域的每一流體的容積比來模擬2 種或3 種不能混合的流體，由于油水混合液表面張力系數為0.02，會產生壁面黏附。黏性設置為k-epsilon，黏性模型選擇Realizable。

根據動態旋流器分離特性，需選擇動態旋流器流體區域的運動形式，一共有4 根旋轉筒，設置動態壁面旋轉速度和旋轉軸。進油口設置為速度入口，油水體積分配上油占49%，出口設置為流體出口。

2）求解設置。流體仿真有穩態和瞬態這2 種狀態，穩態與瞬態的區別主要體現在控制方程是否存在時間項上，根據動態旋流器內部流動特點，油水分離前液體在管道中移動并隨著管道的旋轉而轉動實現油水分離，在油水分離完成后會保持一個穩定的油水分布狀態[8]。瞬態求解器可以求解瞬態過程也可以求解穩態過程，因此整體過程采用瞬態求解。

本文所涉及的模擬仿真應選用壓力基求解器、壓力-速度耦合方程選擇SIMPLEC 算法進行數值求解。FLUENT 求解過程中的空間離散（插值求解）一般包含梯度離散、壓力離散、動量離散和體積分數離散等。選用Least-Quares Cell Based 進行梯度離散，選用PRESTO! 方法進行壓力離散，選用Second Order Upwind 方法進行動量離散，選擇Geo-Reconstruct 用于體積分數離散，湍流動能和湍流耗散率這2 個參數選擇First Order Upwind。設置如圖5 所示。

圖5 Fluent 求解設置

1.2 油水分離效率分析

1.2.1 分離參數設置

油水混合物料進入動態旋流器內部，在軸向速度確定后，物料在旋流器內部的停留時間則由轉筒長度決定，為使油水混合物分離充分，選擇合適的動態旋流器的長徑比至關重要[9]，本文中動態旋流器轉筒內徑D為30 mm，長度L 為540 mm，長徑比為18。入口流量為混合物提供初始動能影響混合物在旋流器內部的停留時間。本文設置的入口流量為1.8 m3/h，入口速度為0.7 m/s。動態旋流器離心力直接影響著動態旋流器內部渦流的強度，其主要來源為旋轉速度。本文動態旋流器選擇的轉速為750 r/min。

1.2.2 求解分離效率

設定參數后，在每一個時間步中水出口的油體積占比如圖6 所示。

圖6 水出口的油量占比

將出口中數據為0 的點去除后，水出口中的油量平均占比為22%。

油出口一共有4 個，在每一個時間步中油出口的油量體積占比如圖7 所示。將出口中數據為0 的點去除后，油出口1 中的油量平均占比為78%，油出口2 中的油量平均占比74%，油出口3 中的油量平均占比為82%，油出口4 中的油量平均占比為78%。綜合出油口油量占比為78%。

圖7 出油口油量占比

2 動態旋流器內部流場的數值模擬

2.1 動態旋流器內部流場的特性研究

本節將基于前文的內容從動態旋流器內部流場特性進行分析。動態旋流器內部的基本物理場為速度場和壓力場，其中速度場包括軸向速度、徑向速度和切向速度。通過湍流強度來表征湍流流場研究動態旋流器內部的湍流流動規律[10]。除此之外，為了直觀地描述動態旋流器內部油水分離效果，在距離入口L/4、L/2、3L/4處分別定義橫截面D1、D2、D3，對動態旋流器內部的油濃度分布進行分析。

2.2 動態旋流器內速度場的分布特征

在設定參數下，內部油水混合物在軸向和切向方向上速度分量的分布圖分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 單管道軸向速度分布云圖

圖9 單管道切向速度分布跡線圖

圖8 是軸向速度分布云圖，速度單位為m/s。其中圖8（a）是動態旋流器縱切面所對應的軸向速度分布云圖，圖8（b）、圖8（c）和圖8（d）分別是動態旋流器橫截面D1、D2、D3 所對應的軸向速度分布云圖。從圖8中可以看出隨著流體深入軸向速度逐漸降低，橫截面上軸向速度由中心向四周逐漸降低。

圖9 是切向速度分布跡線圖，速度單位為m/s。其中圖9（a）、圖9（b）和圖9（c）分別是動態旋流器橫截面D1、D2、D3 所對應的切向速度分布跡線圖。如圖9 所示，內部渦流的旋轉方向同向，從圖9（a）可以看出，動態旋流器在壁面處切向速度最大，達到了1.21 m/s。由于油水混合物在剛流入旋轉處時，其轉筒壁面對流體的作用不足以影響到動態旋流器軸心導致開始時動態旋流器軸心處存在切向速度趨于零的流體。圖9（b）和圖9（c）表明動態旋流器在工作過程中對流體渦流強化作用逐步增大，且可以從跡線圖中看出流體切向速度梯度逐步增大。

2.3 動態旋流器內壓力場的分布特征

圖10 是靜壓力分布云圖，壓力單位為Pa。從圖10（a）可以看出，流體在旋轉和出口處壓力變化較大，可能是兩處的湍流流動引起的，壓力的方向均由壁面指向軸心。由于旋轉壁對流體的影響而造成的轉筒中間出現了壓力值為負的區域。從圖10（c）和10（d）中可以看到截面壓差分別為17 Pa 和45 Pa，此時壓力梯度很小，以壓力梯度為驅動的向心浮力的作用影響小。

圖10 單管道靜壓力分布云圖

2.4 動態旋流器內湍流場的分布特征

圖11 是湍動能分布云圖，其單位為m2/s2。從圖11（a）可以看出，動態旋流器入口邊緣和出口附近的湍動能較大。在軸向范圍內，湍動能逐漸降低。圖11（b）可清晰看出旋轉壁面作用的痕跡，在管道壁面均勻分布。圖11（c）中，轉筒軸心區域的湍動能較小，但是出現部分波動。圖11（d）中除了壁面附近區域，整體湍動能均較小，流體流動十分穩定。壁面處存在較大的湍動能，流體與壁面在軸向和徑向上具有相對運動趨勢，是由于軸向速度分量和徑向速度分量引起的，軸向和徑向上存在摩擦阻力作用。

圖11 單管道湍流場分布云圖

2.5 動態旋流器內濃度場的分布特征

圖12 是油相濃度分布云圖。從圖12（a）可以看出，動態旋流器內油水兩相分離主要分為三段過程，在旋轉入口處的油水分離成顆粒狀，此處油分散；在中間區域油顆粒開始聚合成團狀和水油具有明顯的界限；在出口處，油聚集在中間出口處，水分散在四周形成明顯的環狀。圖12（b）中，油的顆粒狀明顯，和水混合分布在入口處，圖12（c）中的油開始聚合成大的團狀物和水油形成明顯的界限，在圖12（d）中，油水明顯分離，油聚合在中心位置。

圖12 單管道油濃度場分布云圖

3 結論

通過數值分析可以得到：在新型動態旋流器的入口流量為1.8 m3/h，油量占比為49%，入口流速為0.7 m/s，入口直徑為30 mm，長徑比為18，滾筒的轉速為750 r/min時，油水的分離效率達到78%，能夠明顯地將油水分離出來，效果明顯。

通過數值模擬的方法對動態旋流器內部流場進行了深入分析。結果表明：切向速度對動態旋流器分離性能影響較大；轉筒壁面附近的湍流強度較高；動態旋流器中的油先由小顆粒逐步聚集成團狀而后和水形成明顯的界限，油聚合在內部，水聚合在壁邊。