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        水力旋流器內(nèi)組合渦運(yùn)動(dòng)的量化研究

        2015-03-09 03:00:23田家林任連城袁長(zhǎng)福
        石油與天然氣化工 2015年2期
        關(guān)鍵詞:切向速度旋流器旋流

        楊 琳 田家林,2 楊 志 任連城 趙 蕓 劉 剛 袁長(zhǎng)福

        1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

        3.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 4.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司物資管理部

        水力旋流器內(nèi)組合渦運(yùn)動(dòng)的量化研究

        楊 琳1田家林1,2楊 志1任連城3趙 蕓4劉 剛1袁長(zhǎng)福1

        1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

        3.重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院4.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司物資管理部

        摘要為了深入分析旋流分離技術(shù)基礎(chǔ)理論的機(jī)理,采用CFD技術(shù)的雷諾應(yīng)力湍流模型,對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行三維數(shù)值模擬并驗(yàn)證其正確性,與相關(guān)報(bào)道的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)平均法對(duì)關(guān)鍵區(qū)域參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均處理,相關(guān)數(shù)據(jù)和分布曲線表明,流場(chǎng)可劃分為組合渦運(yùn)動(dòng)(包括強(qiáng)制渦、準(zhǔn)自由渦)及邊界層兩大區(qū)域,得出其相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)特性,并量化出每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的半徑位置;分析同時(shí)得出重要結(jié)論:組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)(n)在流場(chǎng)中不是原有理論認(rèn)為的一個(gè)常數(shù),而是分兩段與其沿半徑具體位置(r)相關(guān)的函數(shù),并根據(jù)數(shù)據(jù)線性回歸給出定量經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)與原有理論計(jì)算及相關(guān)報(bào)道的對(duì)比分析,驗(yàn)證了上述經(jīng)驗(yàn)公式的正確性,進(jìn)一步完善了原有的流場(chǎng)基礎(chǔ)理論,對(duì)指導(dǎo)旋流器的設(shè)計(jì)計(jì)算具有實(shí)際應(yīng)用意義。

        關(guān)鍵詞旋流分離器流場(chǎng)CFD統(tǒng)計(jì)平均方法組合渦指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

        旋流分離技術(shù)所用設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,占地面積小,分離能力強(qiáng),設(shè)備維護(hù)費(fèi)用低,工作流程易于控制,使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。在石油工業(yè)主要用于固控系統(tǒng)中的除砂、除泥、油田地面工程中的原油脫水、除砂、聚合物污水處理等[2],尤其是在海洋平臺(tái),操作空間和承載質(zhì)量都受到嚴(yán)格限制,旋流器在使用合理時(shí)可達(dá)到很高的分離效率[3]。盡管水力旋流器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,其內(nèi)部流場(chǎng)卻十分復(fù)雜,使得對(duì)于流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)特性的研究具有高度挑戰(zhàn)性。20世紀(jì)50年代初,Kelsall[4]發(fā)表了水力旋流器三維速度的測(cè)定結(jié)果,30多年來(lái)一直被作為權(quán)威性的結(jié)論廣為引用。之后,隨著激光測(cè)速技術(shù)的應(yīng)用,80年代以來(lái),我國(guó)的徐繼潤(rùn)、龐學(xué)詩(shī)、褚良銀、趙國(guó)慶、劉曉敏、蔣明虎等[5-10]均做了大量的研究,推動(dòng)了我國(guó)旋流分離技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)學(xué)者的研究表明,內(nèi)部流場(chǎng)是在水力旋流器特定條件下產(chǎn)生的一種組合渦運(yùn)動(dòng),組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n的值與諸多參數(shù)相關(guān)聯(lián),研究組合渦運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確確定n值,因?yàn)閚值直接決定了旋流器的幾乎所有關(guān)鍵性參數(shù)(速度場(chǎng)分布、分離粒度、生產(chǎn)能力、分離效果),所以一直是人們研究的重點(diǎn)。不同學(xué)者在不同條件下提出不同的n值。目前,在旋流器的設(shè)計(jì)中,由于無(wú)法得到準(zhǔn)確的n值,只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)<彝扑]的方法大致選擇一個(gè)值(國(guó)內(nèi)一般多采用龐學(xué)詩(shī)提出的n=0.64) 。但是,由于原有旋流流場(chǎng)理論建立在理想流體的基礎(chǔ)上,組合渦的理論描述沒(méi)有充分考慮介質(zhì)黏度的內(nèi)部摩擦造成的能量損耗,導(dǎo)致按原有理論設(shè)計(jì)出的旋流器在面對(duì)較高黏度(如鉆井液)分離作業(yè)時(shí)不太適用。因此,有必要針對(duì)旋流分離流場(chǎng)組合渦運(yùn)動(dòng)開(kāi)展進(jìn)一步的分析和研究。

        1計(jì)算模型建立

        1.1模型網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)位置標(biāo)定

        為了便于驗(yàn)證,選用的水力旋流器模型根據(jù)文獻(xiàn)[11]激光測(cè)試模型比例確定,具體參數(shù)如下:水力旋流器公稱直徑75 mm,圓柱段長(zhǎng)度75 mm,進(jìn)液口直徑25 mm,溢流口直徑25 mm,溢流管插入深度50 mm,底流口直徑12.5 mm。

        為了更有效地對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行定量分析(研究各主參數(shù)與旋流器半徑之間的關(guān)系),在同一Z縱截面高度上(主要是主分離區(qū)域),沿X+、X-、Y+、Y-共4個(gè)半徑方向上同一半徑處設(shè)置數(shù)據(jù)讀取點(diǎn),由于內(nèi)部流體所做的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為螺旋狀的旋轉(zhuǎn)流,不是完全對(duì)稱的。為了更合理地定量研究具體某一半徑r處的數(shù)據(jù)參數(shù),讀取X+、X-、Y+、Y-這4點(diǎn)的模擬數(shù)據(jù),此4點(diǎn)參數(shù)平均值代表半徑r處該參數(shù)在該半徑處的值。網(wǎng)格劃分及位置標(biāo)定分別見(jiàn)圖1及圖2。

        1.2模型的選擇與邊界條件

        旋流器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的三維流動(dòng),切向速度梯度很大,強(qiáng)旋湍流使得雷諾應(yīng)力具有各向異性的特點(diǎn)。因此,數(shù)值模擬中,模型的選擇至關(guān)重要,本研究采用基于各相異性的湍流模型Reynolds應(yīng)力模型(Reynolds Stress Model,以下簡(jiǎn)稱RSM),該模型已被許多學(xué)者認(rèn)為最適用,其基本方程參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

        為了便于與相關(guān)理論及測(cè)試對(duì)比驗(yàn)證,本研究邊界條件設(shè)定與R. K. Rajamani的實(shí)驗(yàn)條件一致,為清水(密度為998.2 kg/m3,黏度為1 mPa·s),空氣(密度為1.02 kg/m3,黏度為0.000 01 Pa·s)以2.5 m/s的進(jìn)液初速度雙切向進(jìn)入旋流器中,水的體積比為100%,氣體體積比為0.001。出口設(shè)定為與大氣直接相通,空氣回流系數(shù)為1。設(shè)定旋流器的所有壁均靜止不動(dòng)(CFD中邊界約束為無(wú)滑移的壁“no slip wall”)。需要說(shuō)明的是,本研究以清水為基礎(chǔ),是因?yàn)橐拖嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)及原有理論研究進(jìn)行對(duì)比,但研究時(shí)將清水的流動(dòng)視為黏性流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

        2模擬結(jié)果分析

        2.1切向速度分析結(jié)果及驗(yàn)證

        由于側(cè)重對(duì)組合渦指數(shù)n做定量的研究,故著重對(duì)切向速度進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。從圖3(a)和圖3(b)的對(duì)比可以看出,旋流器主分離區(qū)域內(nèi)部的切向速度分布曲線沿半徑方向呈M型分布,圖3(b)中一個(gè)單位長(zhǎng)度代表1 m/s,圖中截面高度是以距離旋流器頂蓋的距離為基準(zhǔn)。根據(jù)圖中提供的標(biāo)準(zhǔn)刻度可以看出,在旋流器大部分分離區(qū)域內(nèi)不同高度截面上的切線速度沿半徑的變化趨勢(shì)基本相同,與模擬結(jié)果一致,均沿半徑向內(nèi)逐漸增加,約在溢流口半徑的2/3處達(dá)到極值,然后沿直線急劇下降;各截面上的邊界層處切向速度為2.6~2.7 m/s,最大切向速度對(duì)應(yīng)半徑為r=10 mm的點(diǎn),在極值點(diǎn)上的速度大小也基本相同,約6 m/s。不論從定性分布規(guī)律還是定量比較上看,R.K.Rajamani同等條件下的激光測(cè)試得到的切向速度曲線都吻合很好,相對(duì)誤差在5%以內(nèi),表明模擬所得的旋流器內(nèi)部切向速度結(jié)果較為真實(shí)地反映了旋流器內(nèi)部流場(chǎng)實(shí)際情況,完全可以代表旋流器主分離區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)實(shí)際的切向速度值。

        2.2壓力場(chǎng)分析

        圖4~圖6分別為靜壓力云圖、空氣體積比云圖和各截面上的靜壓力沿半徑分布曲線。從圖中可以看出,靜壓力隨著半徑的減小而逐步降低,靜壓力小于0的區(qū)域?qū)?yīng)的就是空氣柱區(qū)域,靜壓力沿半徑方向隨半徑減小而降低,靜壓頭轉(zhuǎn)化成動(dòng)壓而逐步降低,在強(qiáng)制渦區(qū)域由于實(shí)際流體的黏性,流體劇烈摩擦旋轉(zhuǎn)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉了,靜壓力在渦核處急劇降低到0以下形成負(fù)壓區(qū)。由于出口直接與大氣相連,模擬初始設(shè)置的氣體體積比為0.001,故模擬結(jié)果出現(xiàn)的空氣柱是內(nèi)部壓力低于外界大氣壓由溢流口和底流口進(jìn)入內(nèi)部形成的,與理論及相關(guān)報(bào)道吻合。圖7可以得出在常規(guī)的水力旋流器內(nèi)部正常工作的情況下,空氣柱的直徑約為底流口直徑的80%(半徑對(duì)應(yīng)靜壓力為0的點(diǎn)即為空氣柱與液體組合渦運(yùn)動(dòng)交接點(diǎn))。

        2.3組合渦指數(shù)n定量研究

        從理論而言,水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)屬于典型的組合渦流場(chǎng)[13],一般工程設(shè)計(jì)中大都將式(1)與旋流器幾何參數(shù)結(jié)合得出。

        vtrn=vktRn=C

        (1)

        式中,R為水力旋流器工程半徑,mm;r為旋流器中流體的旋轉(zhuǎn)半徑,mm;vt為旋流器半徑r處的流體切線速度,m/s;vkt為液體在旋流器壁處(即最大半徑處)的切線速度,m/s;n為旋流器內(nèi)部組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù);C為常數(shù)。

        式(1)中,參數(shù)n是旋流器工作的重要參數(shù),表征旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的準(zhǔn)自由渦程度,對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)及其工作性能有重大的影響。多年來(lái),許多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了大量研究,得出了各種不同的結(jié)論,列于表1。

        表1 不同學(xué)者提出的n值Table1 nvaluesproposedbydifferentscholars學(xué)者n備注凱爾薩爾0.75~0.84光學(xué)法布拉德里0.53~0.84測(cè)壓法達(dá)爾揚(yáng)0.50~0.90平均值n≈0.64特拉溫斯基0.50~0.70里爾奇0.80~0.82旋轉(zhuǎn)測(cè)壓法姚曉卡0.70~0.90徐繼潤(rùn)等[14]0.843普通旋流器顧方歷等0.69重介質(zhì)旋流器龐學(xué)詩(shī)[15]0.64趙國(guó)慶[16]0.34~0.38液-液旋流器

        從式(1)可以看出,n值與切向速度及旋流器半徑位置密切相關(guān),切向速度是旋流分離流場(chǎng)中的最主要速度分量,為了進(jìn)一步開(kāi)展定量研究,讀取主分離區(qū)域Z=190 mm與Z=180 mm兩個(gè)截面上等半徑4個(gè)點(diǎn)的切向速度并取其平均值,再將兩個(gè)截面取平均速度作為主分離區(qū)切向速度,主分離區(qū)域內(nèi)等半徑等效切向速度平均值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。圖8為主分離區(qū)域切向速度平均值沿半徑方向的分布曲線。在 Z=190 mm截面上,在相鄰0.5 mm的兩點(diǎn)之間,近似認(rèn)為其流體運(yùn)動(dòng)符合式(1);將兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的半徑值和平均切線速度值代入式(1),可求得兩點(diǎn)之間的值。同時(shí),研究指出,在研究旋流器內(nèi)部組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n的過(guò)程中,原有計(jì)算方法把最外端(最大半徑處為壁面)作為參考點(diǎn)存在不妥,其切向速度幾乎為零,不應(yīng)以該點(diǎn)為起始點(diǎn),故在組合渦的最大半徑處應(yīng)取值為除去邊界層對(duì)應(yīng)半徑的值即r=34 cm(邊界層外邊界半徑位置)以內(nèi)的區(qū)域。此外,空氣柱并不參與分離,故也不考慮在內(nèi),本研究取5 mm≤r≤35 mm的區(qū)域。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。圖9為組合渦指數(shù)n值沿半徑的分布曲線。對(duì)不同區(qū)域運(yùn)動(dòng)特性的正確認(rèn)知是正確回歸經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)。綜合圖7~圖10及表3的分析結(jié)果,可以得出清晰完整的旋流分離流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性:

        (1) 分離介質(zhì)以一定壓力切向進(jìn)入旋流器后,沿旋流壁向內(nèi)流動(dòng),由于流體具有黏性,緊貼器壁的流體發(fā)展成做有旋運(yùn)動(dòng)邊界層,速度梯度很大,對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)閞>34的區(qū)域;按組合渦運(yùn)動(dòng)公式計(jì)算出來(lái)的n>1,已不符合組合渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律,這一結(jié)論完全符合流體力學(xué)中關(guān)于邊界層概念的意義[17],而壓力曲線在邊界層區(qū)域并無(wú)太大的變化,也完全符合“壓力穿過(guò)邊界層不變”的特性,本研究工況下其厚度為0.09倍旋流器半徑。

        (2) 流體繼續(xù)向內(nèi)遷移,切向速度隨半徑增大而逐漸增大,靜壓力轉(zhuǎn)化成動(dòng)壓頭的值越來(lái)越大,在沿半徑方向隨半徑增大而減小,流體運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)自由渦程度在一段區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定,對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?7.5 mm≤r≤34 mm,該區(qū)域被認(rèn)為是外準(zhǔn)自由渦區(qū)域,對(duì)應(yīng)的n值近似為一個(gè)常數(shù),通過(guò)表中數(shù)據(jù)平均計(jì)算得到n值約為0.78。

        表2 主分離區(qū)域內(nèi)等半徑等效切向速度平均值計(jì)算結(jié)果Table2 Averagetangentialvelocitywithequivalentradiusinthemainseparationregionr/mm4.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.510.0vt/(m·s-1)4.7575.0245.2625.4815.6455.7945.8935.9576.0176.0676.0686.054r/mm10.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.0vt/(m·s-1)6.0065.9485.8905.8335.7605.6655.5735.4815.3925.3065.2205.136r/mm16.517.017.518.018.519.019.520.020.521.021.522.0vt/(m·s-1)5.044.9334.8254.7184.6104.5054.4094.3224.2354.1484.0633.980r/mm22.523.023.524.024.525.025.526.026.527.027.528.0vt/(m·s-1)3.9063.8433.7863.7293.6743.6203.5693.5213.4753.4303.3873.344r/mm28.529.029.530.030.531.031.532.032.533.033.534.0vt/(m·s-1)3.3023.2603.2193.1773.1353.0933.0503.0062.9612.9162.8602.656

        表3 主分離區(qū)域組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n值的計(jì)算結(jié)果Table3 Calculationresultsofindexnforcombinedvortexmotioninmainseparationregionr/mm4.55.05.56.06.57.07.58.08.59.09.5n值-0.544-0.518-0.487-0.467-0.369-0.351-0.246-0.169-0.164-0.144-0.006r/mm10.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.0n值0.0460.1640.2090.2190.2290.3090.4210.4370.4540.4670.477r/mm15.516.016.517.017.518.018.519.019.520.020.5n值0.4960.5140.6060.7220.7630.8020.8430.8640.8250.7930.824r/mm21.021.522.022.523.023.524.024.525.025.526.0n值0.8550.8880.8890.8370.7470.6940.7110.7300.7290.7210.695r/mm26.527.027.528.028.529.029.530.030.531.031.5n值0.6860.6900.7030.7050.7090.7290.7570.7780.8010.8320.876r/mm32.032.533.033.534.034.535.0n值0.9280.9630.9941.2974.9838.29414.841

        (3) 流體繼續(xù)沿半徑方向內(nèi)移,靜壓力沿半徑方向降低轉(zhuǎn)變成動(dòng)壓頭的增加(切向速度的增加),但由于介質(zhì)黏性,該區(qū)域存在部分能量損失,在10 mm≤r≤17.5 mm的區(qū)域內(nèi)被認(rèn)為是內(nèi)準(zhǔn)自由渦區(qū)域,即準(zhǔn)自由渦到強(qiáng)制渦的過(guò)渡區(qū)域,原來(lái)自由渦的“自由程度”逐漸降低,即由原來(lái)的“無(wú)渦”(Free vortex)運(yùn)動(dòng)逐漸向“有渦”(Forced vortex)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變,即流體質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始逐漸產(chǎn)生繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的自旋運(yùn)動(dòng),組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n值由相對(duì)穩(wěn)定的外準(zhǔn)自由渦區(qū)域n=0.78逐漸降低,與半徑成線性遞減關(guān)系。

        (4)n由正值變?yōu)樨?fù)值的點(diǎn)(r=10 mm)基本對(duì)應(yīng)切向速度最大值(見(jiàn)圖10),這完全符合理論的組合渦運(yùn)動(dòng)切向速度曲線理論分布規(guī)律。

        (5) 流體繼續(xù)內(nèi)遷,靜壓力由在r=10 mm的1.5 Pa急劇減小到負(fù)值,而對(duì)應(yīng)的切線速度已經(jīng)不再符合準(zhǔn)自由渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律隨半徑的增加而增大,而是隨半徑方向急劇減小,這是因?yàn)榇藭r(shí)流體介質(zhì)黏度引起的內(nèi)摩擦損耗急劇增加,自旋運(yùn)動(dòng)程度越來(lái)越大,表現(xiàn)為靜壓頭的急劇降低,直至在r=5 mm處?kù)o壓頭被全部消耗完,在r≤5 mm區(qū)域形成空氣柱的負(fù)壓區(qū),屬于標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制渦區(qū)域,組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n值與半徑也成線性遞減關(guān)系。

        基于以上認(rèn)識(shí),可以理解表1中許多學(xué)者為什么曾經(jīng)提出n為一個(gè)常數(shù)的觀點(diǎn),因?yàn)樵谕鈬臏?zhǔn)自由渦確實(shí)存在一個(gè)可以近似看作常數(shù)段的區(qū)域。本研究的平均值為0.78,但是從表3中可以看出,強(qiáng)制渦區(qū)域的n值均小于0,完全符合理論上強(qiáng)制渦指數(shù)n值的分布規(guī)律。目前,通用工程計(jì)算中普遍將n值在整個(gè)區(qū)域取為0.64進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,不管是從理論上還是數(shù)值實(shí)驗(yàn)上都明顯不符合實(shí)際。研究認(rèn)為,這種誤差產(chǎn)生的主要原因在于對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)研究條件及方法的限制,原有理論基礎(chǔ)對(duì)介質(zhì)黏度的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)化考慮,且未考慮強(qiáng)旋轉(zhuǎn)高湍流度流場(chǎng)的湍流黏度,在整個(gè)區(qū)域認(rèn)為n均為常數(shù)顯然是不合理的。分析認(rèn)為是分兩段與沿半徑位置r有關(guān)的分段函數(shù),分別對(duì)應(yīng):①?gòu)?qiáng)制渦(即主要為空氣柱)到內(nèi)準(zhǔn)自由渦(組合渦過(guò)渡區(qū)),這段區(qū)域是能量損失較大區(qū)域,n值線性遞減;②外準(zhǔn)自由渦兩個(gè)區(qū)域,能量損耗相對(duì)較小,可看作一個(gè)常數(shù)。故本研究對(duì)以清水為介質(zhì)的常規(guī)水力旋流器內(nèi)部組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)分段地給出具體的計(jì)算表達(dá)式:

        (2)

        式中,n為組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù);nc為外準(zhǔn)自由渦常數(shù),本研究中常規(guī)旋流器清水為介質(zhì)工況下其計(jì)算值為0.78;R為旋流器工程半徑,mm;Δ為邊界層的厚度,一般為0.09R,mm。

        2.4分析結(jié)果驗(yàn)證

        圖11中曲線1為組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n值的實(shí)際模擬值,曲線2為式(2)的計(jì)算值,黑色直線為原有理論中的常數(shù),取值為0.64。圖中顯示,曲線1和曲線2的吻合程度很好,表明考慮了介質(zhì)黏度因素得到的組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)n的計(jì)算公式符合流場(chǎng)情況,且與流體力學(xué)組合渦流理論相吻合,即強(qiáng)制渦區(qū)域n值應(yīng)小于0,準(zhǔn)自由渦區(qū)n值大于0,顯然比原有理論中取一個(gè)常數(shù)0.64能更準(zhǔn)確地描述旋流分離流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性。

        組合渦指數(shù)n值與切向速度的計(jì)算息息相關(guān),故將原有理論計(jì)算n值0.64及本研究式(2)得到的n值代入式(1),再代入模擬水力旋流器具體參數(shù):R=37.5 mm,ri=12.5 mm,vi=2.5 m/s,得到的切向速度分布曲線對(duì)比見(jiàn)圖12,圖中數(shù)據(jù)1是n值為0.64的現(xiàn)有通用公式的計(jì)算結(jié)果??梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)1與數(shù)據(jù)3的實(shí)際流場(chǎng)吻合不好,原有理論得出的切線速度整體上均大于實(shí)際流場(chǎng)的值(雖然為數(shù)值模擬數(shù)據(jù),但2.1節(jié)的驗(yàn)證結(jié)果表明其可以代表激光測(cè)試實(shí)驗(yàn)值),尤其在強(qiáng)制渦區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的背離,這就是因?yàn)樵欣碚摌O大地簡(jiǎn)化了黏性流場(chǎng)的介質(zhì)黏度及湍流黏度的影響造成的,而數(shù)據(jù)2則為本研究的經(jīng)驗(yàn)公式帶入的計(jì)算值,兩者在各個(gè)區(qū)域均吻合良好,可充分說(shuō)明對(duì)組合渦指數(shù)分析的正確性。

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出公式的正確性,現(xiàn)將模擬所用的旋流器幾何結(jié)構(gòu)尺寸縮小為原來(lái)的2/3,其幾何結(jié)構(gòu)尺寸為旋流器圓柱段直徑Φ50.8 mm,運(yùn)用相似原理,得到的結(jié)論表明所提出的公式比原有常數(shù)計(jì)算更吻合旋流流場(chǎng)組合渦運(yùn)動(dòng)的真實(shí)情況,可推廣應(yīng)用到不同類型的旋流器流場(chǎng)分析中,如圖13所示。

        3結(jié) 論

        應(yīng)用FLUENT模擬軟件,選用雷諾應(yīng)力模型對(duì)旋流器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬,得出了與理論及實(shí)測(cè)相吻合的三向速度及壓力分布情況,驗(yàn)證了該方法的可行性和數(shù)據(jù)可靠性。在本研究工況下約為0.8倍溢流口直徑,邊界層約為0.09倍旋流器半徑,運(yùn)動(dòng)區(qū)域可劃分為兩個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)區(qū)域,分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)制渦(即主要為空氣柱)到內(nèi)準(zhǔn)自由渦(組合渦過(guò)渡區(qū))、外準(zhǔn)自由渦兩個(gè)區(qū)域,其所有運(yùn)動(dòng)特征均符合理論及測(cè)試的分布規(guī)律。通過(guò)大量CFD數(shù)據(jù)的讀取、統(tǒng)計(jì)平均處理及線性擬合,認(rèn)為組合渦運(yùn)動(dòng)指數(shù)不是原有理論認(rèn)為的一個(gè)常數(shù),而是一個(gè)與半徑位置有關(guān)的分段函數(shù)。從分析結(jié)果來(lái)看,更符合實(shí)際流場(chǎng)的真實(shí)情況,進(jìn)一步完善了旋流分離流場(chǎng)機(jī)理研究的理論基礎(chǔ),對(duì)指導(dǎo)旋流器的設(shè)計(jì)計(jì)算有實(shí)際應(yīng)用意義。

        參 考 文 獻(xiàn)

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        Quantitative research of combination vortex motion in hydrocyclone

        Yang Lin1, Tian Jialin1,2, Yang Zhi1, Ren Liancheng3, Zhao Yun4, Liu Gang1, Yuan Changfu1

        (1.SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China;

        2.SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;

        3.ChongqingUniversityofScience&Technology,Chongqing401331,China; 4.MaterialManagement

        Department,CNPCChuanqingDrillingEngineeringCompanyLtd,Chengdu610051,China)

        Abstract:In order to further promote mechanism study on the basic theory of hydrocyclone separation technology, using the Reynolds stress turbulence model in CFD, three-dimensional value simulation on the key characteristic parameters of internal flow field of hydrocyclone was carried on, and the correctness was verified. The relative errors are all within 5% compared with the related reports. On this basis, the statistical average method was used to deal with the data of key regional parameters by statistical average processing. The related data and distribution curves show that the fluid can be divided into the combination vortex motion (including the forced vortex, quasi-free vortex) and boundary layer, and the corresponding motion characteristics were obtained and the position of corresponding radius in each zone was quantified. The important conclusions were also drawn by analyzing that combination vortex motion index n is not a constant of the original theory in the flow field, but is a related function of two segments along the specific location of the radius r. The quantitative empirical formulas were given according to data linear regression. Compared with the calculation of original theory and contrast analysis of related reports, the correctness of the empirical formulas was verified, which further improves the original basic theory of flow field and also provides a new way for the simulation study of flow field.

        Key words:hydrocyclone, flow field, CFD, statistical average method, combination vortex index, experience formula

        收稿日期:2014-08-15;編輯:溫冬云

        中圖分類號(hào):TE969

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2015.02.002

        作者簡(jiǎn)介:楊琳(1979-),女,博士(后),講師,主要從事石油礦場(chǎng)機(jī)械、流體力學(xué)、分離技術(shù)研究。E-mail:370390928@qq.com

        基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“介質(zhì)粘度對(duì)非牛頓流體旋流分離流場(chǎng)影響機(jī)理研究”(51074202);四川省教育廳成果轉(zhuǎn)化重大培育項(xiàng)目“壓縮天然氣站高效運(yùn)行關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)研究”(12ZZ003)。

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