余彬彬 楊建勇 劉強(qiáng)

摘 要：油罐旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器應(yīng)用于原油罐清罐和油品調(diào)和，為了研究旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器射流速度對攪拌效果的影響，使用ANSYS15.0實現(xiàn)噴射攪拌全流場數(shù)值模擬，并以密度的標(biāo)準(zhǔn)差作為評價攪拌效果好壞的量化參考。在模擬計算的設(shè)置中采用了滑移網(wǎng)格、混合模型和湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-？模型。數(shù)值分析得出噴嘴射流速度越大則油罐噴射攪拌器的效果越好，但在速度較大、時間較長時，噴嘴射流速度對油罐噴射攪拌器的效果并沒有顯著的影響。因此在實際運(yùn)行中，應(yīng)設(shè)置合適的射流速度。

關(guān) 鍵 詞：旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器;射流;數(shù)值模擬;滑移網(wǎng)格

中圖分類號：TQ 018 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1412-03

Numerical Simulation on Rotary Jet Mixer of Oil Tank at Different Jet Velocity

YU Bin-bin1，YANG Jian-yong2，LIU Qiang1

（1.Department of Oil Supply Engineering，Logistical Engineering University， Chongqing 401311，China ;

2. NERS for Disaster and Emergency Rescue Equipment， Logistical Engineering University， Chongqing 401311，China）

Abstract： Rotary jet mixer of oil tank is used to purge gunk and blend gasoline. In order to research the impact of jet velocity on mixing effectiveness， the software ANSYS15.0 was used to simulate the whole fluid field. Sliding mesh， mixture model and standard k-？ model were adopted， and the standard deviation of density was used as the evaluation reference of mixing effectiveness. The result of numerical simulation shows the mixing effectiveness increases as jet velocity rises， yet the impact of jet velocity on mixing effectiveness is low while high-velocity or long-time working. According to that， the proper jet velocity should be set up in practice.

Key words： Rotary jet mixer; Jet; Numerical simulation; Sliding mesh

在原油的儲存和加工過程中，油泥沉積問題的解決、油品的調(diào)和都離不開攪拌操作。攪拌過程通過輸入機(jī)械能，使得流體獲得某種所需的流場，實現(xiàn)質(zhì)量、動量、熱量的傳遞。攪拌器的不同結(jié)構(gòu)、不同的參數(shù)設(shè)置都會使流場發(fā)生變化，因此攪拌器的創(chuàng)新研發(fā)和優(yōu)化設(shè)計是十分重要的。目前在多種原油罐罐底油泥的清除以及油品調(diào)和的方法中，利用噴射攪拌系統(tǒng)，尤其是旋轉(zhuǎn)噴射攪拌系統(tǒng)越來越受到業(yè)界關(guān)注[1-3]。該系統(tǒng)由噴射攪拌器、循環(huán)油泵、過濾器、配套管道及附件組成，其中旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器最為重要。系統(tǒng)通過管線連接外部循環(huán)油泵，由油泵從罐內(nèi)抽取油料，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的攪拌器噴嘴噴出，通過射流的沖擊力和卷吸作用實現(xiàn)攪拌，工藝流程如圖1所示[4]。

噴嘴是射流流體射流的發(fā)生元件，其功能室將泵或者增壓器提供的靜壓轉(zhuǎn)換為流體的動壓。[5]射流速度直接影響著油罐噴射攪拌系統(tǒng)的射流攪拌效率和攪拌質(zhì)量。

目前，研究油罐旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器大多采用數(shù)值模擬的方法[6]，不僅省時省力，節(jié)約成本，并且能夠直觀地看到攪拌混合的效果。但由于對模擬流體一邊旋轉(zhuǎn)一邊噴射有一定的難度，大部分研究停留在忽略旋轉(zhuǎn)對攪拌的影響，在數(shù)值模擬時將旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器設(shè)置為靜止[7，8]。事實上，旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器的旋轉(zhuǎn)速度對于系統(tǒng)的攪拌效果有較大影響。本文噴嘴旋轉(zhuǎn)條件下的旋轉(zhuǎn)噴射攪拌系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值分析，以密度的標(biāo)準(zhǔn)差作為攪拌效果的評價參考，研究了射流速度對攪拌效果的影響。

圖1 旋轉(zhuǎn)噴射攪拌系統(tǒng)工藝流程

Fig.1 Progress flow sheet

1模型的建立

本文使用ANSYS15.0實現(xiàn)噴射攪拌全流場數(shù)值模擬。選用其中的Geometry實現(xiàn)流體幾何計算域確定，利用Mesh生成單元網(wǎng)格，采用Fluent作為流體計算仿真分析工具。

1.1 幾何模型的建立

旋轉(zhuǎn)噴射攪拌系統(tǒng)通過管線連接外部循環(huán)油泵，由油泵從罐內(nèi)抽取油料，經(jīng)攪拌器旋轉(zhuǎn)的噴嘴噴出，為一個封閉系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)的模型不存在計算域內(nèi)的進(jìn)出口邊界條件，不能較好地反映淹沒射流規(guī)律[9]，因此在建立開環(huán)系統(tǒng)幾何模型，采用進(jìn)出口邊界條件。噴射攪拌系統(tǒng)的幾何模型如圖2所示，采用立式油罐，直徑16 m，液面高度8 m，攪拌器位于罐底中央，假設(shè)循環(huán)油從罐底進(jìn)入，噴嘴直徑87.5 mm，出口中心線位于油罐下方距罐底0.1 m，為計算方便，循環(huán)油出口直徑與入口直徑相同。由于不考慮攪拌器內(nèi)部流場，因此通過布爾運(yùn)算減去攪拌器主體部分，僅保留噴嘴。

（a）整體幾何模型

（b）噴嘴部分幾何模型

圖2 幾何模型

Fig.2 Geometrical model

圖3 多面體網(wǎng)格

Fig.3 Polyhedral mesh sketch

1.2 網(wǎng)格的劃分

旋轉(zhuǎn)噴射器攪拌問題為非定常流動，且旋轉(zhuǎn)角度很大，選用滑移網(wǎng)格[10]。由于幾何模型中的各部分尺寸懸殊，不宜在整個計算區(qū)域采用相同尺寸的網(wǎng)格劃分。在利用Mesh軟件生成網(wǎng)格時，插入Body Sizing和Patch Conforming Method，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)攪拌器部分和循環(huán)油出口的局部加密。為減少模擬與分析的計算量，在Fluent軟件中將Mesh軟件生成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（Tetrahedron）轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格（Polyhedron），網(wǎng)格個數(shù)大大減少。最終所得網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格個數(shù)462 225，節(jié)點個數(shù)2 639 028。

1.3 流動的基本控制方程

本文模擬的旋轉(zhuǎn)噴射器攪拌問題為多相流的湍流流動，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-？模型，多相流模型采用混合（Mixture）模型。主要控制方程有連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和湍流方程，分別表示如下：

（1）連續(xù)性方程

式中：—密度，kg/m3;t—時間，s;ux、uy、uz—x、y、z三個方向的速度分量，m/s。

（2）動量守恒方程

式中：p—流體微元體上的壓強(qiáng)，Pa;fi—i（=x，y，z）三個方向上的單位質(zhì)量力，m/s2;xi、yi、zi是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面的粘性應(yīng)力的分量，Pa。

（3）能量守恒方程

式中：E—流體微團(tuán)的總能，J/kg，包含內(nèi)能、動能和勢能之和，; h為焓，J/kg;hj—組分j的焓，J/kg，定義為，其中Tref=298.15K;keff—有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（mK））; keff=k+kt，kt為湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)，根據(jù)所用的湍流模型來確定;Jj—組分j的擴(kuò)散通量;Sh—化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶所定義的體積熱源。

1.4 模擬計算的初始條件和邊界條件的設(shè)置

在General設(shè)置中，選擇瞬態(tài)（transient）流動且考慮重力（gravity）影響。在Models設(shè)置中，選擇多相流（multiphase）模型中的混合（mixture）模型和湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-？模型。在Material的流體中根據(jù)已知的物性參數(shù)添加油和油泥，密度分別為=800 kg/m3，=889 kg/m3，粘度分別為=0.02 kg/（ms），=0.08 kg/（ms）。

在Phase中將油設(shè)為主相（primary-phase），油泥設(shè)為次相（secondary-phase）。為了實現(xiàn)對噴嘴旋轉(zhuǎn)的模擬，采用了滑移網(wǎng)格，在Cell zone condition中將噴嘴和旋轉(zhuǎn)的圓柱部分設(shè)置為運(yùn)動項（Mesh Motion），旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0.05 rad/s。

在邊界條件（Boundary condition）中，將噴嘴與攪拌器主體相交的截面設(shè)為速度入口（velocity inlet）;將位于罐壁的循環(huán)油出口設(shè)為自由出流（outflow），通過編寫udf使入口流體中油與油泥所占比例等于出口流體中的比例。罐內(nèi)油品將自由液面的邊界條件設(shè)為對稱面（symmetry），既考慮自由液面對其流動的影響，又不必加入空氣組分使得計算復(fù)雜。

2 計算結(jié)果與分析

本文為了研究射流速度對油罐旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器性能的影響，進(jìn)行了全流場數(shù)值模擬。圖4為在時間t=600 s，即10 min時三個不同射流速度條件下罐內(nèi)的密度云圖，（a）、（b）、（c）分別對應(yīng)射流速度=10、20、30 m/s。從圖中可以明顯看出，在10 min時三者的密度均勻程度有很大的差距，射流速度越大，對應(yīng)的罐內(nèi)密度云圖越均勻，即攪拌效果越好。

=10 m/s （b） =20 m/s （c） =30 m/s

圖4 t =10 min時不同射流速度對應(yīng)的油罐密度云圖

Fig.4 Density contours of the tank at different jet velocities at 10 min

為了研究噴嘴射流速度對于攪拌效果影響的程度大小，在數(shù)值模擬中設(shè)置了6個不同的射流速度。不同射流速度在攪拌時間分別為10、20n和30 min所對應(yīng)的油品密度標(biāo)準(zhǔn)差（保留4位有效數(shù)字）記錄如表1。

表1 不同射流速度在各時刻的密度標(biāo)準(zhǔn)差

Table 1 The standard deviation of density at each flow velocity

從表1中可以看出：在10 min時各個噴嘴射流速度所對應(yīng)的油品密度標(biāo)準(zhǔn)差相差較大;但隨著時間推移，這6個速度所對應(yīng)的油品密度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸趨于一致，在30 min時=20、25、30、35 m/s這4個速度所對應(yīng)的油品密度標(biāo)準(zhǔn)差為同一數(shù)量級。

為了更為直觀地呈現(xiàn)在不同噴嘴射流速度下油罐噴射攪拌器的攪拌效果，將表1中的數(shù)據(jù)繪制成不同時刻油品密度標(biāo)準(zhǔn)差與噴嘴射流速度的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 不同時刻油品密度標(biāo)準(zhǔn)差與噴嘴射流速度的關(guān)系

Fig.5 The relationship between standard deviation of density and flow velocity at different times

由圖5可以看出： t=10 min和t=20 min的兩條曲線在<25 m/s時有較為明顯的差距，而t=20 min和t=30 min的兩條曲線幾乎重合，由此可知隨著時間的推移，油品密度的標(biāo)準(zhǔn)差在各時刻間的差距越來越小。

3個時刻的曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律是一致的，隨著噴嘴射流速度的增大，油品密度的標(biāo)準(zhǔn)差減小，超過一定值后，曲線的變化趨于平緩，由此可知當(dāng)速度達(dá)到一定值時，速度對攪拌效果的影響逐漸減小;同時當(dāng)攪拌時間足夠長（例如30 min）時，油品密度標(biāo)準(zhǔn)差變化趨于平緩從更小的噴嘴射流速度開始。

3 結(jié) 論

本文使用ANSYS15.0實現(xiàn)噴射攪拌全流場數(shù)值模擬，研究了射流速度對攪拌效果的影響。

在模擬計算的設(shè)置中采用了滑移網(wǎng)格、混合模型和湍流的標(biāo)準(zhǔn)k-？模型。得出以下結(jié)論：噴嘴射流速度越大則油罐噴射攪拌器的效果越好，但在速度較大、時間較長時，噴嘴射流速度對油罐噴射攪拌器的效果并沒有顯著的影響。因此在實際使用中，應(yīng)合理設(shè)置流量和揚(yáng)程，以得到合適射流速度，從而既充分實現(xiàn)攪拌混合又能控制運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]周會萍，王凱，胡江鋒. 原油儲罐在線清罐實踐[J]. 油氣儲運(yùn)，2011，30（6）：458-459.

[2]章慶洪，傅志清，萬淑婷. 油品調(diào)合旋轉(zhuǎn)噴頭的研究[J]. 化工設(shè)備與管道，2012，49（3）：39-43.

[3]樣海宏， 原英. 調(diào)合噴嘴在儲罐上的應(yīng)用[J]. 化工技術(shù)與開發(fā)， 2012， 41（12）：57-59.

[4]張偉民. 浸沒式旋轉(zhuǎn)噴射攪拌器：中國發(fā)明專利， CN， 201482432 U[P]. 2009-07-27.

[5]Khanmeh， Geskines. A numerical investigation of turbulent behaviors of water flow inside nozzle[C] / /Proc 7th US Water Jet Conference. Seattle： [s. n.]，1993： 273 - 285.

[6]Parvareh A， Rahimi M， Alsairafi A A. Experimental and CFD studies on the effect of the jet position on mixing performance[J]. Iranian journal of Chemical engineering， 2009，6（3）：3-6.

[7]王軍麗. 液力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)射流攪拌器內(nèi)部數(shù)值仿真及水力特性研究[D]. 杭州; 浙江大學(xué)，2007.

[8]孫偉. 工業(yè)油泥射流攪拌系統(tǒng)中動力渦輪水力性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D]. 杭州; 浙江大學(xué)， 2009.

[9]解富超. 汽油旋轉(zhuǎn)射流調(diào)合過程動力學(xué)特性研究[D]. 濟(jì)南; 山東大學(xué)，2011.

[10]朱紅鈞，林元華，謝漢龍. FLUENT流體分析及仿真實用教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010：221-226.