張蓓蓓， 蔣明虎，邢 雷，盧秋羽， 慎英才

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶市環(huán)境保護局，黑龍江 大慶 163312；3.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500)

不同入口流速下新型水力旋流器內部流場分析

張蓓蓓1、2， 蔣明虎1，邢 雷1，盧秋羽1， 慎英才3

(1.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 大慶市環(huán)境保護局，黑龍江 大慶 163312；3.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500)

水力旋流器較多地應用在選礦、采礦、化工、石油、生物工程、食品、醫(yī)藥、紡織等多個部門，屬于工業(yè)行業(yè)應用中的分離設備之一，近些年又較多應用在環(huán)保領域的工業(yè)污水分離處理作業(yè)中。本文以一種新型水力旋流分離結構為目標載體，主要分析入口流速度對其內部流場特性的影響。本文首先通過Meshing軟件對新型水力旋流器流體域模型進行網(wǎng)格劃分，再采用fluent軟件在入口流速不同的情況下對旋流器內流場進行數(shù)值模擬，最后得到結論為：該水力旋流器油相出口的油相分布呈單峰分布，油相體積分數(shù)與入口流速呈正比關系，由于水力旋流器內存有軸向零速過渡區(qū)，因此隨著入口流速的不斷增加，軸向速度值也在不斷地增高。但是軸向零速過渡區(qū)大小和位置基本不發(fā)生變化。

旋流器；流場；分離；流速

0 引言

液-液水力旋流器的理論研究基本上是從20世紀80年代開始的。液滴在旋流腔內部的運動相比固體顆粒要復雜很多，不能確定其形狀，并且在高速的旋轉中也比較容易破碎。截止目前關于旋流器內部流場分布規(guī)律的研究分析仍處于起步階段，對影響旋流器內部流場分布的各種因素進行探索，對旋流分離裝置的進一步應用以及發(fā)展有著重要的意義[1-7]。本文以一種新型水力旋流分離結構為目標載體，主要分析入口流速度對其內部流場特性的影響，初步探索出了該種結構的內部流場分布規(guī)律。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

相比于其他的分離設備，水力旋流器具有結構簡單、分離效果好等優(yōu)點。但是由于其復雜的分離過程，并且結構參數(shù)對水力旋流器分離性能影響較大。因此，確定某參數(shù)與旋流器性能的關系是十分重要的。本文所涉及的新型水力旋流器如圖1中所示，來液由切向入口進入，經(jīng)過多級分離，實現(xiàn)油水高效分離，旋流器內部設有增壓原件對液體進行加速。

圖1 新型水力旋流器流體域模型

通過Meshing軟件對新型水力旋流器流體域模型進行網(wǎng)格劃分，最終得出如下所示網(wǎng)格劃分情況，網(wǎng)格單元總數(shù)為163800萬，網(wǎng)格有效利用率為98.6%。

2 物性參數(shù)及邊界條件

2.1 物性參數(shù)

主相(水)：密度ρ=998.2 kg/m3，運動黏度μ=1.003g(m·s)；離散相(油)密度ρ=889kg/m3，運動黏度μ=1.06 Pa·s，油滴粒徑設置為0.35 mm。

2.2 邊界條件

采用速度入口為入口邊界條件，速度分別設置為10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s，入口的油相體積分數(shù)為20%；出口邊界均設置為自由流出口，軸向油相出口的分流比為40%；假設無滑移壁面邊界、不可滲漏條件。湍流模型采用雷諾應力(Reynold-Stress)模型，采用傳統(tǒng)的SIMPLE算法用于壓力-速度耦合計算，采用QUICK格式離散動量方程的對流相。

3 模擬結果分析

采用fluent軟件在入口流速不同的情況下對旋流器內流場進行數(shù)值模擬，分析其流場內分離過程流體運動規(guī)律與分離性能。按照如下速度參數(shù)對新型旋流分離器的結構進行了數(shù)值模擬計算。通過對比不同的入口速度條件，分析得出新型旋流分離結構的內部流場規(guī)律。

表1 實驗方案表

針對水力旋流器內的流場情況，設置各邊界參數(shù)及初始條件對模型進行求解分析。數(shù)值模擬實驗將來液設為油、水兩相混合液，如圖3所示。

圖3 觀測分析結果截面

3.1 入口流速對切向速度的影響

Ex1、2、3、4分別對應的為入口流速10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s的試驗，對不同流速情況下的內流場進行分析。

圖4 (a) B截面不同入口流速下的切向速度分布；(b) C截面不同入口流速下的切向速度分布

圖4為在不同的入口速度下，B截面和C截面沿徑向方向的切向速度分布曲線圖。隨入口的流速增大，其切向速度的分布情況并沒有改變，但切向速度值整體呈現(xiàn)增大趨勢，旋流器內流場的強度也隨之增大。

3.2 入口流速對軸向速度的影響

圖5 (a) B截面不同入口流速下的軸向速度分布；(a) C截面不同入口流速下的速度分布

圖5為在不同的入口速度下，截面B和截面C沿徑向方向的軸向速度分布曲線圖?？梢钥闯鏊俣纫?guī)律基本相同，隨入口流速增加，軸向速度值增大，對軸向零速過渡區(qū)位置和大小并未形成明顯的影響。

3.3 入口流速對油相體積分數(shù)的影響

圖6 (a) A截面不同入口流速下的油相體積分數(shù)；(b) D截面不同入口流速下的油相體積分數(shù)

水力旋流器結構共有兩個油相出口，分別為A截面和D截面，從圖中可以看出隨著入口流速的增加，油相體積分數(shù)的曲線高度也在增大。入口流速增加會影響油相出口的油相分布，速度越大油相分布越集中于軸心。

4 結 論

該水力旋流器油相出口的油相分布呈單峰分布，油相體積分數(shù)與入口流速呈正比關系，即入口流速增大時油相體積分數(shù)更集中，但油相體積分數(shù)的分布形式并不發(fā)生變化。水力旋流器內存在軸向零速過渡區(qū)，隨著入口速度的增大，軸向速度值增高，但是軸向零速過渡區(qū)大小和位置基本不發(fā)生變化。

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[責任編輯：崔海瑛]

張蓓蓓(1984-)，女，黑龍江大慶人，工程師，主要從事油田污水處理技術及不互溶介質多相分離技術研究。

國家863項目“井下油水分離及同井回注技術與裝備”(2012AA061303)；東北石油大學培育基金“旋流場內離散相粒子運移規(guī)律及分離動力學研究”(NEPUPY-1-15)；東北石油大學青年基金項目“旋流場作用下非均相非牛頓流體的流變特性研究”(2013NQ117)。

TQ051.8

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2095-0063(2016)06-0094-03

2016-09-28