王 軍，陳 寧

● （江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

水力旋流器油-水分離性能數(shù)值模擬

王 軍，陳 寧

● （江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

本文對(duì)兩種不同入口型式的水力旋流器的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型，并結(jié)合油-水兩相流MIXTURE混合模型進(jìn)行分析，得出：?jiǎn)稳肟谛髌髁鲌?chǎng)切向速度、軸向速度呈偏心分布，而切向雙入口型式的旋流器流場(chǎng)分布對(duì)稱性明顯優(yōu)于單入口型式；切向雙入口旋流器在油-水兩相分離時(shí)，油相濃度沿著徑向方向變化率更大，且更易于向中心區(qū)匯聚，利于分離，分離效率要高于單入口旋流器；實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了模擬結(jié)果的正確性。

水力旋流器；雷諾應(yīng)力模型；兩相流

0 引言

水力旋流器是一種利用產(chǎn)生的切向高速旋流場(chǎng)對(duì)流體進(jìn)行分離、分級(jí)、篩選的設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可廣泛用于石油、化工、環(huán)保等行業(yè)，近年來，在船舶艙底水的油-水分離中也逐步開始應(yīng)用。水力旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)是一種強(qiáng)湍流流動(dòng)，這種強(qiáng)湍流場(chǎng)一方面會(huì)造成被分離相隨湍流無序擴(kuò)散，降低了分離性能，另一方面也使得旋流分離的能耗增大。本文應(yīng)用fluent軟件，結(jié)合雷諾應(yīng)力模型[1]和多相流分析方法，對(duì)切向單、雙入口型旋流器用于油-水兩相分離進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。

1 湍流模型

旋流器內(nèi)的流場(chǎng)是一種高雷諾數(shù)（可達(dá) 105-108量級(jí)[2,3]）、強(qiáng)旋流流動(dòng)，湍流粘性系數(shù)呈各向異性[4,5]。由于強(qiáng)旋流場(chǎng)中的流線呈高速旋轉(zhuǎn)、彎曲，且變化迅速等特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的k?模型已不能準(zhǔn)確描述內(nèi)部流場(chǎng)特征，由于雷諾應(yīng)力湍流模型增加了湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率并考慮到了湍流粘度的各項(xiàng)異性，使復(fù)雜強(qiáng)旋流場(chǎng)的模擬結(jié)果具有更高的預(yù)測(cè)精度。

對(duì)不可壓縮介質(zhì)的雷諾應(yīng)力模型所對(duì)應(yīng)的方程包括[6]：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中，Ui為時(shí)均速度；gi為重力加速度分量；P為壓力；t為時(shí)間；u'為脈動(dòng)速度；xi為笛卡爾坐標(biāo)分量；ρ為密度；μ為粘度。

應(yīng)力輸運(yùn)方程：

其中，δit為Kronecker符號(hào)，k為湍動(dòng)能，ε為湍動(dòng)能耗散率；μt為湍動(dòng)粘度；，Cu為湍流粘度各向異性系數(shù)；剪應(yīng)力項(xiàng)壓力應(yīng)變項(xiàng)

方程（1）～方程（5）構(gòu)成了水力旋流器內(nèi)封閉的雷諾應(yīng)力微分方程。

2 三維模型及網(wǎng)格劃分

三維模型尺寸如圖1所示：總長(zhǎng)H= 765mm，圓柱長(zhǎng)度H1= 65mm，錐管長(zhǎng)度H2= 500mm，直徑D= 50mm，入口直徑di= 20mm，溢流口直徑de= 4mm，底流口直徑dc= 20mm。

圖1 旋流器基本結(jié)構(gòu)圖

采用四面體和六面體網(wǎng)格劃塊，并進(jìn)行網(wǎng)格疊加，劃分后總網(wǎng)格為152024個(gè)。

3 邊界條件及其他設(shè)置

1）入口邊界：采用速度入口velocty_inlet，速度方向?yàn)榍邢颉?/p>

2）底流出口邊界：采用速度出口velocty_outlet1，底流出口邊界為湍流充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3）溢流出口邊界：采用速度出口velocty_outlet2，符合質(zhì)量守恒。

4）固壁邊界 ：壁面無滲漏，采用無滑移邊界條件。

5）其它：設(shè)體積比，油相:水相=1:9，水的密度：998.2kg/m3，粘度：0.001003Pa·s；油的密度：850 kg/m3，粘度：0.050 Pa·s，入口流量為定值，設(shè)Qin=3m3/h。

本算例中，取QUICK差分格式，采用SIMPLEC算法和 PRESTO!格式作為壓力差補(bǔ)。運(yùn)用雷諾應(yīng)力模型（RSM 模型）先對(duì)單相、定常流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，待其結(jié)果收斂后，通過混合模型MIXTURE，將第二相加入進(jìn)去，完成對(duì)油-水兩相流的計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 入口結(jié)構(gòu)形式對(duì)流場(chǎng)的影響

圖2為單、雙入口旋流器入口截面處切向速度矢量分布圖。由圖2可見，入口結(jié)構(gòu)形式對(duì)切向旋流的產(chǎn)生和分布有很大的影響，流體沿切向入口高速進(jìn)入旋流器，在離心力作用下，沿器壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的旋流場(chǎng)，同時(shí)，流體經(jīng)旋轉(zhuǎn)后速度會(huì)逐漸的降低，這說明隨著旋流的進(jìn)行，動(dòng)能減弱，并與連續(xù)進(jìn)入的流體發(fā)生了碰撞、混合等能量損耗。在入口附近的切向速度分布密度要明顯大于其他部位切向速度分布密度，速度場(chǎng)表現(xiàn)為偏心不均勻性。顯然，切向雙入口結(jié)構(gòu)形式從空間上實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部流場(chǎng)的對(duì)稱分布，大大減弱了速度場(chǎng)的偏心程度，提高了分離的穩(wěn)定性。

圖2 單、雙入口截面切向速度矢量圖

4.2 單、雙切向入口型式旋流器切向速度、軸向速度分布特點(diǎn)

在旋流器流場(chǎng)內(nèi)，對(duì)分離效果影響最大的是切向速度，而軸向速度會(huì)對(duì)溢流及油-水兩相沿溢流口和底流口流動(dòng)的時(shí)間會(huì)有影響，選取溢流管出口截面為高度基準(zhǔn)（z=0），圖3為切向單、雙入口旋流器在切向入口截面z=350mm處的切向速度、軸向速度分布規(guī)律。

從圖3（a）可以看出切向速度分布特點(diǎn)為：從壁面沿徑向至中心，切向速度不斷增大，在距離中心半徑r=10mm附近達(dá)到最大值，而后向軸心區(qū)呈快速減小，這是一種典型的組合渦形式，即：切向速度峰值位置將旋流場(chǎng)分為了器壁附近的強(qiáng)制渦區(qū)和中心附近的準(zhǔn)自由渦兩個(gè)區(qū)域。

在數(shù)值上，雙入口型旋流器的切向速度峰值（10.1m/s）要高于單入口型切向速度峰值（8.94m/s），這表明雙入口型旋流器的離心力場(chǎng)要大于單入口型，有利于分離，且對(duì)稱性明顯要優(yōu)于單入口結(jié)構(gòu)型式。而單入口型旋流器切向速度場(chǎng)表現(xiàn)為非對(duì)稱性，其最小值在偏離中心半徑r=1.29mm處取得。

從圖 3（b）軸向速度分布特點(diǎn)為：軸向速度在近壁面處為負(fù)值，在中心區(qū)域速度為正值，在中心附近有最大值，在近壁面有最小值，軸向速度由負(fù)值向正值轉(zhuǎn)變位置處存在速度零點(diǎn)（r=8.2mm）。單入口型的軸向速度最小值在左右兩側(cè)分布位置出現(xiàn)了較為明顯的偏離和波動(dòng)：在左側(cè)半徑r=-14mm處，軸向速度最小值為-2.44m/s，在右側(cè)半徑r=13.9mm 處，軸向速度最小值為-1.22m/s，呈現(xiàn)明顯的速度分布不對(duì)稱現(xiàn)象。雙入口型具有更好的軸向速度分布對(duì)稱性。

圖3 切向速度、軸向速度分布

4.3 油-水兩相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律

體積分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，反應(yīng)了體積濃度的變化規(guī)律，設(shè)體積比為油相:水相=1:9，混合均勻。計(jì)算時(shí)，先以水為單相流進(jìn)行計(jì)算，再將油相加入，運(yùn)用MIXTURE混合模型，進(jìn)行兩相流模擬。圖4為z=350mm截面處，兩種不同入口結(jié)構(gòu)型式旋流器油相、水相體積分?jǐn)?shù)分布圖。

圖4 油-水兩相體積分?jǐn)?shù)分布

從圖4中可以看出，油和水的體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律呈相反的變化趨勢(shì)。圖4（a）可見，從器壁向中心，油的體積分?jǐn)?shù)隨越來越大，表明了中心區(qū)域?yàn)槊芏容^小的油液聚集區(qū)，圖4（b）則顯示了密度較大的水的體積分?jǐn)?shù)由器壁向中心，隨半徑的減小而減小，這一特點(diǎn)表明了油-水混合液在旋流時(shí)，輕質(zhì)油相向旋流器中心集中，水相多分布于旋流器壁面處。對(duì)比圖4（a）、圖4（b）可見，雙入口型的油相體積分?jǐn)?shù)在中心附近要高于單入口型，而壁面處的油的體積分?jǐn)?shù)又低于單入口型式的，兩條曲線出現(xiàn)了交叉。這表明，切向雙入口型式的油相體積分?jǐn)?shù)沿徑向方向的變化率更大，油相更容易從壁面區(qū)域向中心區(qū)域集中，分離效果更好，圖4（b）中的水相體積分?jǐn)?shù)也進(jìn)一步證實(shí)了雙入口型的旋流器比單入口型的中心區(qū)域水含量更低，且大多集中在器壁附近的外旋流空間，這也與前文得到的雙入口型旋流器更有利于分離這一結(jié)論是一致的。

4.4 分離性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)模擬結(jié)果得到的油-水兩相體積分?jǐn)?shù)分布，結(jié)合分離效率定義可估算旋流器的分離性能，其結(jié)果是，單入口型分離效率約為 91%，雙入口型分離效率約為 94%，明顯要高于單入口型的分離效率。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的正確性，對(duì)單、雙切向入口型式旋流器分別了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，實(shí)驗(yàn)流量為3m3/h，溢流率為10%。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理圖

圖6 分離效率曲線對(duì)比

兩種結(jié)構(gòu)型式旋流器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與模擬計(jì)算值結(jié)果如圖6所示。從圖6可見，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近，分離效率變化規(guī)律基本相同：隨著流量的增大，分離效率不斷提高，這是因?yàn)槿肟谒俣炔粩嗵嵘?，使得切向速度和離心力都增大，有利于分離，但當(dāng)流量超過3m3/h時(shí)，實(shí)驗(yàn)值測(cè)得的分離效率呈下降變化，而模擬計(jì)算結(jié)果卻顯示分離效率較為穩(wěn)定，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)隨著流量的加大，入口壓力會(huì)提高，會(huì)造成油滴碎裂與水形成乳濁液，難于進(jìn)一步分離。而在模擬計(jì)算時(shí)，假定是油水混合均勻，并沒有考慮到油滴破碎的發(fā)生，這將使得模擬計(jì)算值總體上要比實(shí)驗(yàn)測(cè)試值略高。

5 結(jié)論

運(yùn)用雷諾應(yīng)力模型對(duì)兩種不同入口結(jié)構(gòu)型式水力旋流器流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了如下的結(jié)論：

1）單入口旋流器流場(chǎng)切向速度、軸向速度呈偏心分布，有明顯的不對(duì)稱性[7]，這與入口結(jié)構(gòu)不對(duì)稱有關(guān)，而切向雙入口型式的旋流器能改善流場(chǎng)，減少能量消耗，流場(chǎng)分布對(duì)稱性明顯優(yōu)于單入口型式。

2）切向雙入口旋流器在油-水兩相分離時(shí)，油相濃度沿著徑向方向變化率更大，且更易于向中心區(qū)匯聚，利于分離，穩(wěn)定性好，分離效率要高于單入口旋流器。

[1]牛貴鋒,艾志久,劉春全,等.油水旋流分離器流動(dòng)機(jī)理和分離性能研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2007,36(9):13-17.

[2]NOWAKOWSKI A F,DYAKOWSKI T.Investigation of swirling flow structure in hydrocyclones[J].Trans IchemE,81(A):862-873.

[3]金有海,馬艷杰,許偉偉,等.排氣芯管結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)葉式旋風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)影響的數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,33(6):87-90.

[4]褚良銀,陳文梅,戴光清,等.水力旋流器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998:25-27.

[5]Li Jian ming.Numerical simulation of turbulence two-phase flow within hydrocyclone and their separation performance[D].Chengdu:Sichuan Unit Univ.,1997:12-13.

[6]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7]王軍,陳寧.旋流器流場(chǎng)模擬及特性分析[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,26(4):366-369.

Numerical Simulation on Performance of Hydrocyclone for Oil-Water Separation

WANG Jun,CHEN Ning
(Institute of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

The numerical simulation of the flow field of hydrocyclone based on two different types of entrance,turbulence model based on the Reynolds stress model,combined with the MIXTURE mixed model of oil - water two phase flow is analyzed.The results obtained are:single entrance flow in cyclone tangential velocity,axial velocity is an eccentric distribution,while the tangential double entrance type hydrocyclone flow field symmetry is obviously better than the single entrance type; tangential double entrance hydrocyclone in oil - water two phase separation,the oil phase concentration along the radial direction change rate higher,and easier to converge toward the center,to facilitate the separation,the separation efficiency is higher than that of single entrance hydrocyclone; experimental validity results show that the simulation results.

Hydrocyclone,Reynolds Stress Model,Two Phases Flow

TD928

A

王軍（1978-），男，研究生，講師。主要從事船舶設(shè)備和動(dòng)力裝置等性能研究及教學(xué)、船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真等。