軸流式旋流分離器的數(shù)值模擬

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1、軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 摘 要 水力旋流器是一種結(jié)構(gòu)緊湊別離效率高的別離設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金石化 環(huán)保等行業(yè)中本文根據(jù)國外已有資料數(shù)據(jù)應(yīng)用 FLUENT 軟件對軸流式旋流分 離器油水別離情況進(jìn)行模擬研究首先建立了軸流式旋流別離器的模型然后模擬 了軸流式旋流別離器內(nèi)單相流體的流動情況究其速度及壓力分布此根底上應(yīng)用 MIXTURE 模型對油水混合物進(jìn)行了別離模擬并與已有的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行

2、定性比 較 關(guān)鍵詞油水別離軸流式旋流別離器數(shù)值模擬 I 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 Abstract The hydrocyclone is a kind of separator with a compact structure and

3、 high separating efficiency It is applied extensively to industrial fields such as metallurgy petro-chemistry and environment protection According to the data and information from foreign country Apply software FLUENT axi

4、al swirl separator oil-water separation conducted simulation study First established a swirl separator axial-flow model and then simulate the Axial swirl separator in the single-phase fluid flowOn its speed and pressure distributionOn the basis of single-phase tw

5、o phases of wateroil were simulated by the MIXTURE model And the test data have been compared Keywords Oil-water separation Axial hydrocyclone Numerical simulation II 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬

6、 目 錄 第一章 前言1 11 選題背景1 12 研究意義1 13 文獻(xiàn)綜述2 com 概述2 com 軸流式旋流別離器的根本結(jié)構(gòu)和工作原理4 com 旋流別離技術(shù)及特點6 com 軸流式旋流別離器的性能分析6 com 本文的主要研究內(nèi)容6 第二章 三維流動模型的建立與流動模擬計算8 21 模擬的根本方法8 22 模型的選取8

7、 com 湍流模型8 com 兩相流模型9 23 模擬油滴運動的根本假設(shè)和運動方程10 com 模擬油滴運動的根本假設(shè)10 com 兩相流動的方程10 24 建立三維流動模型10 com 使用 Gambit 建立三維流域模型10 com 網(wǎng)格劃分11 com 定義邊界12 25 數(shù)值模擬計算條件的設(shè)定13 26 模擬計算結(jié)果分析

8、 27 com 軸向截面油相分布27 com 速度分布28 com 質(zhì)量流量分流比和分流效率31 III 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 com 別離效率的分析32 第三章 結(jié)論34 31 計算結(jié)果的總結(jié)與分析34 參考文獻(xiàn)35 致謝37 聲明38

9、 IV 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 第一章 前 言 11 選題背景 在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域環(huán)境保護(hù)是一項重要的研究課題控制大氣和水污染的調(diào)節(jié) 措施正在日益增加一種方式是在生產(chǎn)過程中翻開水管沖洗污染物然后自由地 排放用這種方法控制和處理油水廢棄物是很昂貴的有必要對使用者進(jìn)行一定的

10、 [1] 限制水力別離系統(tǒng)提供了廉價而簡單的方法能從含油廢水中別離出油脂品 旋流別離器 簡稱旋流器 的創(chuàng)造應(yīng)用已有約一個半世紀(jì)了開始只用于選礦 過程中的固-液別離和固- 固別離等 2 分級后來開展到固-氣別離液-氣別離等 到 20 世紀(jì) 80 年代末這種旋流別離器被用于石油工業(yè)中的產(chǎn)出水除油取得了 滿意的效果在液-液別離研究過程中先是輕分散相液體的別離 如油污水脫油 再是重分散相液體的別離 如油品脫水 [2]

11、 水力旋流除油技術(shù)用于油污水處理的嘗試始于 1984 年首次投入商業(yè)應(yīng)用始 [3] 于 1985 年 該技術(shù)首先是針對海上鉆井平臺空間小的使用條件進(jìn)行開發(fā)的污 水在水力旋流除油器中的滯留時間一般只有 2s 由于當(dāng)時開發(fā)的水力旋流除油器體 積小質(zhì)量輕除油效率高易于安裝拆卸和搬運為它在海上或陸上油田煉 [4] 化或化工工業(yè)的污水處理領(lǐng)域占據(jù)技術(shù)市場創(chuàng)造了優(yōu)勢 隨著水力旋流器應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)大

12、和人們對其別離性能指標(biāo)要求的日益提 高按照傳統(tǒng)的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進(jìn)行旋流器設(shè)計方法的局限性越來越明顯通過 數(shù)值模擬技術(shù)研究旋流器內(nèi)部流場的分布特性和流動狀態(tài)對旋流器別離機(jī)理的認(rèn) 識和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面的推動作用已經(jīng)得到了一致的認(rèn)同 12 研究意義 水力旋流器被廣泛應(yīng)用于石油化工冶金造紙淀粉加工以及廢水處理等 眾多行業(yè)人們對水力旋流器的研究較旋風(fēng)別離器要晚但隨著開展目前人們對 其研究也已經(jīng)從暗箱操作轉(zhuǎn)向理論實驗研究從而得出一系列的數(shù)學(xué)模型用以指 導(dǎo)同類型的水力旋流器的設(shè)計與操作然而由于實驗條件的限制單純通過實驗 來研

13、究旋流器的性能不僅周期長而且費用高數(shù)值計算技術(shù)具有資金投入少設(shè)計 計算速度快信息完全仿真模擬能力強(qiáng)等優(yōu)點因此以流場湍流數(shù)值模擬為主 1 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 研究旋流器內(nèi)流體流動規(guī)律進(jìn)而優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)具有重要的工程應(yīng)用價值 13 文獻(xiàn)綜述 com 概述 離心別離法是使裝有含油廢水的容器高速旋轉(zhuǎn)形成離心力場因固體顆粒油 珠與廢水的密度不同受到的離心力也不同到達(dá)從廢水中去除固體顆粒油珠的

14、方 法常用的設(shè)備是水力旋流別離器旋流別離器在液固別離方面的應(yīng)用始于 19 世 紀(jì) 40 年代現(xiàn)在較為成熟但在油-水別離領(lǐng)域的研究要晚得多雖然液- 固別離 與液-液別離的根本原理相同但二者設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)卻差異較大脫油型旋流分 離器起源于英國從 20 世紀(jì) 60 年代末開始由英國南安普頓大學(xué)MartinThe W 教 授領(lǐng)導(dǎo)的多相流與機(jī)械別離研究室開始水中除油旋流別離器的研究創(chuàng)造了雙錐雙 入口型液-液旋流別離器在試驗過程中取得滿意效果隨后Young GAB

15、 等人設(shè)計 出的與雙錐型旋流器具有相同別離性能但處理量要高出 1 倍的單錐型旋流別離器 經(jīng)過幾何優(yōu)化設(shè)計Conoco公司提出了K型旋流別離器對于直徑小于 10μm 的油 滴別離性能提高更加明顯由于旋流別離器具有許多獨特的優(yōu)點旋流脫油技術(shù)在 興旺國家含油廢水處理特別是在海上石油開采平臺上已成為不可替代的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 [5] 1切向入口的旋流別離器 水力旋流器是一種緊湊高效的離心別離設(shè)備至今已有 100 多年的歷史水力 旋流器最初主要應(yīng)用于選礦等行業(yè)的液- 固的兩相別離對液-

16、液別離的研究是從 1967 年英國的Torrey Canyon油輪遇難事件后才開始的由于原油的大量泄漏造 成大面積海域污染英國政府呼吁就被污染海域的環(huán)境治理問題進(jìn)行研究英國 Southamptocom 教授的課題組開始研究液-液旋流別離技術(shù)至 1983 年 先后開展了A B CD和F型 5 種用于油水別離用的液-液水力旋流器 LLHC 并 對它們的別離效率和內(nèi)部流動情況進(jìn)行了研究[6-10] 其中的F型水力旋流器已廣泛 應(yīng)用于石油工業(yè)油水混合物的處理中根本結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點F 型水力旋流器又被稱為雙柱雙錐型其工作

17、原理為當(dāng)待別離的液-液兩相混合液 以一定的壓力從水力旋流器上部周邊切向入口進(jìn)入旋流器后產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運 動由于輕相和重相存在密度差而致使其所受的離心力向心浮力和流體曳力大小 不同大局部重相從旋流器底流口排出而大局部輕相那么由溢流口排除從而到達(dá) 2 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 別離的目的 圖 1-1 F 型水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖 2 軸向入口的旋流

18、別離器 com 創(chuàng)造了用于油水別離的液-液水力旋流器后其它研究者嘗試著對 其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良1990 年comg等[11]com 的雙柱雙錐型水力旋流器 中的大錐和小錐合為一個錐創(chuàng)造了所謂的雙柱單錐型水力旋流器并進(jìn)行了研究 但是常規(guī)切向入口水力旋流器也具有一些致命的缺點比方由于液體混合物從 切向進(jìn)入導(dǎo)致設(shè)備體積不夠緊湊湍流較為嚴(yán)重分散相液滴容易破碎導(dǎo)致分 離效率降低壓降較大等因此近 10 年來人們圍繞水力旋流器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大 量的研究改良工作提出了內(nèi)設(shè)波紋板的流線型水力旋流器充氣水力旋流器低

19、壓力入口水力旋流器動態(tài)水力旋流器軸向入口水力旋流器等新型結(jié)構(gòu) 1996 年荷蘭Delft大學(xué)的Dirkzwager M[12]對液-液水力旋流器作了重大改良 創(chuàng)造了軸向入口水力旋流器其結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示混合物從左端進(jìn)入裝置由裝 置中的葉片產(chǎn)生旋流使混合物別離重相流體沿右端圓管流出而輕相流體由裝置 中心的一根導(dǎo)管引出 3 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 圖 1

20、-2 軸向水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖 與常規(guī)切向入口水力旋流器相比該裝置具有以下特點 1 混合物的入口與 重相流體的出口在同一軸線上通過葉片產(chǎn)生旋流從而使水力裝置更加緊湊 2 流體湍流情況較切向入口的小因為強(qiáng)湍流會對液滴產(chǎn)生進(jìn)一步剪切破碎從而影響 別離效率這一特點對混合物別離非常重要 3 根據(jù)他們的檢測混合物經(jīng)過該 裝置使之別離所需的壓降損失較切向入口的要小之后come將混合物流經(jīng) 該裝置的流動簡化為二維軸對稱形式運用CFX42商業(yè)軟件進(jìn)行了二維數(shù)值模擬 但數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測量存在較大的誤差[13] com 軸

21、流式旋流別離器的根本結(jié)構(gòu)和工作原理 軸流式別離器的工作原理與常見的旋流別離器類似根據(jù)流體在離心力場中的 密度差異將分散相從連續(xù)相中別離出來因其離心力場大小可以控制別離應(yīng)用 廣泛效率高對于軸向旋流器而言單向流旋流器要比回流旋流器擾動小 軸向旋流器的結(jié)構(gòu)特點是流體混合物從長筒形的一段軸向進(jìn)入旋流器然后被 別離的兩種流股又從旋流器的另一端離開旋流器在這種旋流器中由于流體軸向 進(jìn)軸向出所以要想使得流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)必須附加額外的結(jié)構(gòu)其中的渦流發(fā)生器 就是通過具有適宜角度的旋轉(zhuǎn)葉片實現(xiàn)的這種旋流器與傳統(tǒng)的旋流器相比別離 效率比擬

22、低但流體受到的擾動很小[14]所以通過旋流器的壓降也就比擬小對于 比擬容易別離的料液可選用這種旋流器進(jìn)行液-液固-液或氣-液兩相別離 與常規(guī)水力旋流器相比軸向水力旋流器突出的優(yōu)點有處理量大對給定的工藝 4 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 可以降低旋流器的規(guī)格或減少旋流器的臺數(shù)軸向水力旋流器甚至在較低的給料濃 度下也可以獲得較粗的別離粒度而在別離粒度相同時切向給料旋流器那么需要 較高的料液濃度另外給料壓力對軸向給料旋流

23、器的處理量和別離粒度有重要影 響可以通過壓力的調(diào)整對軸向給料旋流器方便地進(jìn)行監(jiān)測和控制壓力降較低是 軸向水力旋流器顯著優(yōu)點之一 流體混合液從圓柱段的一段軸向進(jìn)入旋流器后通過具有適宜角度的螺旋導(dǎo)向 葉片的作用使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)促使不同密度的兩局部流體分別形成內(nèi)旋流與外旋 流被分開的兩種流股分別從旋流器底部排出流體混合液從圓柱段的一段軸向進(jìn) 入旋流器后通過導(dǎo)向葉片使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)密度較大的流體在離心力的作用下 靠向器壁沿器壁下流至底端底流口排出同時密度較小的流體變更運動方向產(chǎn) 生向心的徑向運動沿中心線轉(zhuǎn)而由下向上作內(nèi)螺旋運動通過溢

24、流管流出其旋 轉(zhuǎn)方向與外螺旋轉(zhuǎn)向相同[15] 軸流式旋流別離器的根本結(jié)構(gòu)大致如圖 1-3流體流動主要分為四個局部 圖 1-3 軸流式旋流別離器的結(jié)構(gòu) Ⅰ油水混合物通過管道從進(jìn)口進(jìn)入 Ⅰ中圍繞中心的環(huán)狀系統(tǒng)這里的結(jié)構(gòu)比 較簡單一個簡單的半球形中心而出口處的結(jié)構(gòu)設(shè)計使流體逐步加速流向 Ⅱ Ⅱ與普通別離器一樣通過渦輪處渦輪葉的轉(zhuǎn)動使流體產(chǎn)生較大角度的偏 轉(zhuǎn)從而加大了流體的切向速度Utan 因為減小了裝置出口的尺寸使其成為優(yōu)于 其他別離器的優(yōu)勢

25、 Ⅲ在旋轉(zhuǎn)上升階段或者擾動的后期流體的角動量守恒導(dǎo)致切向速度增 大隨后這一階段減少了流體的環(huán)形運動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€流動軸向速度不變可 以得出R 2 2 2 擾動后期的出口形狀根據(jù)由R 和R 組成的第五多項式 R R R 0 2 0 2 1 2 0 5

26、 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 決定而入口的形狀取決于前面提到的恒定的軸向速度當(dāng)內(nèi)部流體發(fā)生反向旋轉(zhuǎn) 時外層的流體流過中心并沿著入口附近的管子流出因此需要重置渦流探測器 因為與傳統(tǒng)的切向入口別離器中的應(yīng)用發(fā)生了改變 Ⅳ在錐形別離管道中流體的旋流速度是最快的而且停留的時間更長在 離心力的作用下混合流體中的油被吹積在中心由于與壁面摩擦導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)衰退 以及由于旋轉(zhuǎn)展開產(chǎn)生的上旋管子結(jié)構(gòu)根據(jù)情況決定旋轉(zhuǎn)中心油的含量是否充足 是否從油道出口將油排出因此這個管道結(jié)構(gòu)是整個別離器中極其重要的局部 com 旋流別離技術(shù)及特點

27、 旋流別離技術(shù)在油水別離中可用于油污水去油和含水油脫水旋流別離技術(shù)被 認(rèn)為是一種高效節(jié)能別離技術(shù)它具有如下特點 1 結(jié)構(gòu)簡單 2 本錢低包括制造本錢低占用空間小只有平板式隔油池的 4左右 重量輕維護(hù)費用少能耗低不到碟片式離心機(jī)的 10無須任何幫助 別離的介質(zhì) 3 安裝靈活方便旋流器可以任何角度安裝 4 工作連續(xù)可靠操作維護(hù)方便一旦設(shè)計調(diào)試好就可以自動穩(wěn)定地工 作 5 效率高 6 適應(yīng)性好生產(chǎn)及調(diào)節(jié)范圍寬并聯(lián)可增加生產(chǎn)能力即擴(kuò)容方便串聯(lián)

28、 [16] 可提高產(chǎn)品質(zhì)量操作溫度及壓力不受限制決定于旋流器的結(jié)構(gòu)材料 com 軸流式旋流別離器的性能分析 旋流器的性能可從油水別離性能和能耗兩方面進(jìn)行評估 別離器的能耗與別離性能參數(shù)密切相關(guān)在實際生產(chǎn)生活中在滿足出口流體 濃度的前提下盡可能降低分流比以節(jié)省能耗同時在滿足別離性能的前提下 減

29、小進(jìn)口流量也可以節(jié)省能耗 com 本文的主要研究內(nèi)容 韓博陽[17]根據(jù)國外相關(guān)資料對軸流式旋流別離器進(jìn)行了設(shè)計和數(shù)值模擬其模 型如圖 1-4 所示 6 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 圖 1-4 使用 Fluent 建立的入口段為弧形的流域模型圖 所設(shè)計模型的入口段的母線為弧形加工上存在一定困難在本文中嘗試將 弧形的入口錐改成母線為直線的錐段并用

30、 Flunt 軟件對軸流式旋流別離器油水分 離情況進(jìn)行數(shù)值模擬通過改變?nèi)肟谟偷沃睆椒至鞅鹊葪l件找出最正確條件下的 別離效率并且逐步分析質(zhì)量流量入口油滴直徑以及分流比對別離效率的影響 7 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 第二章 三維流動模型的建立與流動模擬計算 21 模擬的根本方法 早期對液-液別離用水力旋流器的數(shù)值模擬工作主要采用二維軸對稱假設(shè)通 過自己編程來進(jìn)行如林文漪[18]

31、陸耀軍[19-21]等但由于液-液別離用水力旋流器 內(nèi)部流體的流動情況較為復(fù)雜采用二維軸對稱假設(shè)不能真實的反映水力旋流器內(nèi) 部的流動情況對水力旋流器進(jìn)行三維模擬將使計算量劇增建模和網(wǎng)格劃分更加 復(fù)雜進(jìn)入21世紀(jì)以來計算機(jī)硬件及CFD技術(shù)有了長足的開展人們可以借助商 業(yè)軟件來實現(xiàn)復(fù)雜模型建模和網(wǎng)格劃分FLUENT是應(yīng)用較多的一款優(yōu)秀的商業(yè)計 算流體軟件最近的一些數(shù)值模擬研究工作根本上都是通過該軟件進(jìn)行[22-26] 其中模型選取和邊界條件設(shè)置的不同必然造成計算結(jié)果的差異這不僅給后 來的研究者帶來了困惑對一線的工程技術(shù)人員而言更是缺

32、乏參考指導(dǎo)價值本文 以Colman和Thew[10-11] 的雙柱雙錐型油水別離用水力旋流器為例針對運用Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時如何選擇模型設(shè)置邊界條件等問題進(jìn)行詳細(xì)闡述并將數(shù)值 模擬結(jié)果與實驗測量情況進(jìn)行比擬 22 模型的選取 液-液別離水力旋流器中的流體是一種強(qiáng)旋流流動其湍流具有各向異性特點 而RNG k-ε模型等是基于Boussinesq渦粘性假設(shè)通過渦粘性系數(shù)tμ計算雷諾應(yīng)力使 方程封閉其湍流具有各向同性效應(yīng)只適用于簡單的湍流情況而雷諾應(yīng)力模型 RSM 放棄了各向同性的渦粘性假設(shè)直接求解各項雷諾應(yīng)力適用于

33、模擬三維 各向異性等復(fù)雜的湍流情況因此采用RSM模型能夠更為真實地模擬旋流器內(nèi)部的 復(fù)雜流動情況因此本文單相流采用RSM模型進(jìn)行模擬兩相流動模擬在單相模擬 的根底上再加載上油相選擇混合型模型MIXTURE模型[27] com 湍流模型 FLUENT 軟件包中提供了六種用于計算湍流的模型在現(xiàn)有研究者中選用較多 的是雷諾應(yīng)力模型 RSM 和 RNG k-ε模型如表 2-1 所示雖然兩種模型均能模擬 旋流但 RNG k-ε模型基于 Boussinesq 渦粘性假設(shè)通過渦粘性系數(shù)μt

34、 計算雷諾 應(yīng)力使方程封閉其湍流具有各向同性效應(yīng)適用于簡單的湍流情況而雷諾應(yīng)力 8 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 模型 RSM 放棄了各向同性的渦粘性假設(shè)直接求解各項雷諾應(yīng)力適用于模擬三 維各向異性等復(fù)雜的湍流情況液-液別離水力旋流器中的流體是一種強(qiáng)旋流流 動其湍流具有各向異性特點采用 RSM 模型能夠更為真實地模擬旋流器內(nèi)部的 復(fù)雜流動情況當(dāng)然采用 RSM 模型較難收斂同時需要消耗更多的機(jī)時本文 采用

35、RSM 模型進(jìn)行模擬 表 2-1 不同研究者對湍流模型兩相流模型的選取及邊界條件的設(shè)置情況 模型及邊界 研究者 湍流模型 兩相流模型 邊界條件 黃思[20] RSM 歐拉 歐拉模型 質(zhì)量流量入口出口充分開展 魏新利等[21] RSM 離散相模型 未說明 賀會群等[22] RSM

36、 歐拉混合模型 速度入口上下出口為壓力出口條件 魏立新等[23] RNG k-ε 離散相模型 給定入口流量和溢流口分流比底流口充分開展 王尊策等[24] RNG k-ε 歐拉-混合模型 給定入口流量和溢流口分流比底流口充分開展 com 兩相流模型 多相流的分析方法有拉格朗日法和歐拉法兩種拉格朗日法將流體主相視為連 續(xù)相并求解其Navier-Stokes方程而分散相需要通過計算大量粒子氣泡或液滴的 軌跡運動得到一般要求分散相的體積率

37、低于10％歐拉方法作為多相流研究中通 用的但也是較復(fù)雜的方法將不同的流體相視為互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)服從總的以 及各相的守恒方程適合于流動中有相混合或別離分散相體積率可超過10的情 形FLUENT軟件包中包含了這兩種方法其中對應(yīng)拉格朗日方法的是離散相模型 DPM 對應(yīng)于歐拉法的有VOF MIXTURE EULER三種模型FLUENT用戶指 南對各種模型的適用范圍進(jìn)行了詳細(xì)說明特別指出了DPM模型不適合用于液-液 混合物的模擬對于油水乳化液之類的液-液混合物根據(jù)FLUENT用戶指南采用 MIXTURE模型模擬比擬適宜因此本文采用該模型

38、 9 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 23 模擬油滴運動的根本假設(shè)和運動方程 com 模擬油滴運動的根本假設(shè) 1油滴不發(fā)生破裂 2 油滴與油滴之間不發(fā)生相互作用 3 油滴對流體運動的影響忽略不計 com 兩相流動的方程 1根本方程 對穩(wěn)態(tài)等溫的不可壓縮流動其時平均方程的張量形式如下[28] 連續(xù)方程為

39、 U j 0 X j 2 動量方程 U U 1 P 1 U U i j i j ′ ′

40、 u u μ ρ i j i j 12 3 x ρ x ρ x x x j j j j i 其中 x x x －Descartes 坐標(biāo)分量 1 2 3 U U U －時均速度分量

41、 1 2 3 P －時均壓力 μ －分子粘度 ′ ′ －由湍流模型確定的位置Reynold 應(yīng)力分量 u u i j 24 建立三維流動模型 com 使用Gambit 建立三維流域模型 根據(jù)所設(shè)計的軸流式旋流別離器尺寸使用 Gambit com 繪制別離器內(nèi)流體 流動的三維流域模型如圖 2-1 實體區(qū)域即為模擬計

42、算的流體流動區(qū)域此模型 10 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 模擬流體在軸流式旋流別離器內(nèi)部流體流經(jīng)入口處渦輪導(dǎo)葉之后在別離器內(nèi)流動 的范圍 圖2-1 軸流式旋流別離器的尺寸圖 圖2-2 用 Gambit com 繪制別離器內(nèi)流體流動的三維流域模型 com 網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞將影響到計算過程的

43、收斂性并對計算結(jié)果產(chǎn)生直接影 響網(wǎng)格劃分的的一般原那么為在三維計算中六面體網(wǎng)格優(yōu)于四面體網(wǎng)格物理 量變化劇烈的地方網(wǎng)格需相應(yīng)加密在水力旋流器中入口附近區(qū)域的選留最為劇 烈至底流寇旋流逐漸消弱在防止處因必須滿足粘性流體的壁面無滑移動邊界條 件速度變化劇烈基于此在運用 Gambit 劃分網(wǎng)格時壁面附近運用邊界層技 術(shù)將網(wǎng)格加密從底口地流口采用等比方式逐漸加大網(wǎng)格在水力旋流器軸心線方向 上的長度整個計算區(qū)域均用六面體劃分網(wǎng)格 要對別離器內(nèi)部流體流動進(jìn)行數(shù)值模擬那么需要對已做好的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格 劃分本次建模主要通過對構(gòu)造的三維體

44、進(jìn)行分割對分割面進(jìn)行劃分進(jìn)而拉伸 到體的方式劃分網(wǎng)絡(luò)如圖 2-2 所示總網(wǎng)格數(shù)為 315800節(jié)點數(shù)為 329899 個 11 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 具體劃分步驟如下 弧錐段分割的四條體邊界均按40 格等分選擇Lastfirst 形式比例Ratio 2 椎段尾部環(huán)形面內(nèi)外半圓均按 40 格等分如此劃分網(wǎng)格 89600 格 回油口

45、局部按小園直徑 20 格等分選擇 Lastfirst 方式劃分比例選擇 Ratio 2 劃分如此劃分 58200 格網(wǎng)格 尾部至水相出口局部軸向體積分界按 150 格等分選擇 Lastfirst 方式劃分 比例Ratio 3 做出網(wǎng)格 168000 格 圖2-2 進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的三維模型 com 定義邊界 通過對軸流式旋流別離器內(nèi)部流動的分析可知需要定義的邊界主要為流體入 口inlet 油相出口outlet-oil 和水

46、相出口outlet-water 中間的小孔為油相 出口尾端為水相出口而流體入口那么為X-Y 平面上的圓環(huán)面其余面均為壁面 12 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 以上步驟完成后即可輸出msh 文件進(jìn)而導(dǎo)入 Fluent 中進(jìn)行模擬計算 25 數(shù)值模擬計算條件的設(shè)定 對軸流式旋流別離器內(nèi)部流體流動的模擬計算是建立在對別離器內(nèi)部單相流 動模擬的根底上再加載上油相因此首先進(jìn)行單相水相流動的模擬模擬時

47、 進(jìn)口壓力0 Pa 底流口壓力為 3 溢流口壓力也為0 Pa 5×10 Pa 1運行Fluent com 選擇三維模擬3d 讀取上述gambit 建立的三維流 動模型 2 運行Scale確定尺寸標(biāo)準(zhǔn)為毫米mm 13 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 3 定義流動模擬方式為三維

48、流動模擬3D 14 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 4 定義流動模型為雷諾應(yīng)力模型Reynolds Stress Model 15 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 5 選擇工質(zhì)從 Fluent 數(shù)據(jù)庫中調(diào)取液態(tài)水的物性參數(shù)密度粘滯系數(shù)

49、 等ρ水 9982kgm3 μ 0001003 Pa s 復(fù)制到工質(zhì)選擇中 水 16 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 17 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 6 定義邊界條件Boundary Conditions a 定義流開工質(zhì)在工質(zhì)Fluid 中選擇流體工質(zhì)Flui

50、d 添加工質(zhì)水 water-liquid b 流體入口in 選擇為速度入口Velocity Inlet 速度模擬方案選擇組分 Components 速度模擬類型Coordinate 選擇Cylindrical Radial Tangential Axial 添加徑向速度Radial Velocity 為0 ms軸向速度Axial Velocity 為 1 ms切向速度Tangential Velocity 為 1963 ms其他定義Specification Method 選擇擾動度及當(dāng)量直徑Inten

51、sity and Hydraulic Diameter 選擇擾動度Turbulent Intensity 為5當(dāng)量直徑Hydraulic Diameter 為001 m 18 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 c 定義油相 outlet-oil 和水相出口 outlet-water 為壓力出口Pressure Outlet 同b 中其他定義Specification Method選擇擾動度及當(dāng)量直徑Intensity

52、 and 19 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 Hydraulic Diameter 設(shè)定擾動度Turbulent Intensity 為5當(dāng)量直徑Hydraulic Diameter 為001 m 油相005 m 水相 20 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 7 選擇

53、模擬方法壓力-速度耦合選擇SIMPLEC 壓力選擇PRESTO其 他均選擇QUICK 21 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 8 設(shè)定計算殘差 1e-07 22 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 9 模擬計算過程中對油水

54、兩相出口平面質(zhì)量流量Mass Flow Rate 進(jìn)行監(jiān) 視分別定義名稱為mass flow-water和mass flow-oil 23 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 10模擬條件設(shè)定完畢初始化 11進(jìn)行旋流別離器內(nèi)流動的模擬計算 以上為使用FLUENT對單相工質(zhì)水流動進(jìn)行模擬計算的設(shè)定兩相混合

55、 3 物計算是基于單相計算的根底上加載上油相 830 kgm 000332 Pa s ρ油 μ油 使用MIXTURE模型進(jìn)行模擬 24 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 1 使用MIXTURE 模型

56、 3 2創(chuàng)立油相 其中 830 kgm 000332 Pa s ρ油 μ油 25 軸流式旋流別離器的

57、數(shù)值模擬 3 分別定義水相和油相 26 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 4 入口處油相百分比改為003 一切設(shè)定好之后再進(jìn)行混合狀態(tài)的旋流別離器內(nèi)流動的模擬計算 26 模擬計算結(jié)果分析 com 軸向截面油相分布 下列圖所示為軸向截面y 0 截面的油相體積率分布云圖從圖中可以看出 當(dāng)油水混合物流經(jīng)入口導(dǎo)葉之后由于導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角的作用

58、使流體從入口流入的軸向 流動轉(zhuǎn)變?yōu)榍邢颦h(huán)流從而在離心力作用下因油水密度的差異密度較輕的油相 被排擠到水力旋流器的中心處并經(jīng)溢流口排出而密度較大的水相那么在離心力作 用下與油相別離聚集于軸軸中心以外的區(qū)域大局部經(jīng)底流口排出從圖中還可 以看出油水混合物的別離在尾端34 處根本完成 27 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 圖2-3 軸向截面y 0 截面的油相體積率分布云圖

59、com 速度分布 1軸向速度分布 分別于 z 01mz 03 m z 05 m z 1 m 建立四個監(jiān)視面監(jiān)視四個截 面的軸向速度分布 圖 2-4 是油水混合物在水力旋流器內(nèi)流動時的軸向速度分布圖 a 所示的是 各截面軸向速度分布的數(shù)值計算結(jié)果圖 c 和圖 d 所示的是Colman等[10]和陸耀 軍等[28]對軸向速度分布的試驗測量結(jié)果從圖中數(shù)值顯示可以知道流動中產(chǎn)生的 回流主要發(fā)生在椎段進(jìn)入尾段后混合物軸向速度均大于零另外圖中顯示 一直到底流口仍有回流造成此現(xiàn)象的原因可能與流量進(jìn)出口壓力

60、或分流比設(shè)置 有關(guān)比照圖形可知在軸流式別離器的尾部截面上本次數(shù)值模擬的結(jié)果與以前 研究的情況圖形根本一致 28 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 a 數(shù)值計算的軸向速度分布 b Colman等的測量結(jié)果[10] 29 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬

61、 c 陸耀軍等的測量結(jié)果[29] 圖2-4 水力旋流器截面軸向速度分布 2切向速度分布 圖2-5 是油水混合物在水力旋流器內(nèi)流動時的切向速度分布圖 a 所示的是各 截面切向速度分布的數(shù)值計算結(jié)果圖 b 所示的是陸耀軍等對切向速度分布的試驗 測量結(jié)果[29] 水力旋流器的三維液流運動中切向速度具有最重要的地位不僅是 因為速度在數(shù)值上要大于其余兩向速度更重要的是切向速度提供的向心力是旋流 器內(nèi)兩相或多相別離的根本前提 a 數(shù)

62、值計算的切向速度分布 30 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 b 陸耀軍等的試驗測量結(jié)果[29] 圖2-5 切向速度分布 com 質(zhì)量流量分流比和別離效率 在設(shè)定的壓力條件下油水混合物流經(jīng)水力旋流器后相應(yīng)的流量分流比和分 離效率的計算結(jié)果如表 1-8 所示Colman 和 Thew 的試

63、驗測量結(jié)果說明當(dāng)粒子直 徑為55 μ m 時別離效率為 99并且粒子直徑越大別離效果越好 本次模擬中質(zhì)量流量分流比和別離效率的情況見表 2-1 2-2 表 2-1 質(zhì)量流量分流比和別離效率進(jìn)口油相所占百分比為 3 質(zhì) 量 油 滴 流 量 Inlet kgs Outlet-oil kgs Outlet-water kgs 別離效率 直 徑 70 μm

64、 0048840791 -000284292 -00013809733 582 90 μm 0048840791 -0002958269 -003407073 606 110μm 0048840791 -0030161704 -0010053901 6269 130μm 0048840791 -00336620499 -00037402277 7051

65、 31 軸流式旋流別離器的數(shù)值模擬 表 2-2 質(zhì)量流量分流比和別離效率進(jìn)口油相所占百分比為 5 質(zhì) 量 油 滴 流 量 Inlet kgs Outlet-oil kgs Outlet-water kgs 別離效率 直 徑 70 μm 0081401321 -0004980

66、1816 -21777556e-13 612 90 μm 0081401321 -00049927753 -0076408197 613 110μm 0081401321 -0062217098 -0010681536 7643 130μm 0081401321 -0064969485 -40538267e-9 7981 com 別離效率的分析 1進(jìn)口流量對別離效率的影響 進(jìn)口流量是影響水力旋流器的別離性能的決定因素之一流量大小決定了水力 旋流器內(nèi)部流暢的旋流強(qiáng)度以及單個分散油滴的運動軌跡根據(jù)Stokes離心沉降定 律單個油滴的徑向沉降速度v 正比于進(jìn)口流量Q 的平方即v ∝Q2 而水相軸向 i