王 圓，趙立新，王月文，徐保蕊，蔣明虎

（東北石油大學(xué)，黑龍江大慶 163318）

1 前言

水力旋流器由于具有操作方便、生產(chǎn)能力高、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、市政等行業(yè)［1］。雖然旋流器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但其內(nèi)部流場(chǎng)卻非常復(fù)雜，旋流器的入口則是影響流場(chǎng)分布和分離性能的關(guān)鍵因素之一。因此，一個(gè)合理的入口結(jié)構(gòu)對(duì)提高分離效率和降低能耗至關(guān)重要［2］。

研究人員對(duì)旋流器的入口結(jié)構(gòu)曾開展相關(guān)研究工作。蔣明虎等研究表明，水力旋流器入口段的壓力損失占總體壓力損失的近40%，而這部分的能耗對(duì)旋流分離過程并無貢獻(xiàn)［3］。K Hwang等研究了入口尺寸、入口數(shù)量和安裝入口導(dǎo)槽對(duì)分離效率和分割尺寸清晰度的影響，結(jié)果表明增加入口數(shù)量和減小入口寬度可以提高分離效率，錐型頂板有助于減小循環(huán)流區(qū)域而提高分離效率［4］。L Zhang等研究了阿基米德螺旋線入口旋流器的流場(chǎng)和分離性能，研究表明與常規(guī)入口旋流器相比該旋流器的壓力場(chǎng)分布均勻、短路流少、分離效率較高［2］。趙立新等對(duì)入口傾角對(duì)油水分離旋流器流場(chǎng)和性能的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傾斜入口流道旋流器具有更低的壓力降，優(yōu)選出傾角為15°和20°的旋流器分離效果較為理想［5］。在入口形式對(duì)旋流器磨蝕影響方面，Xu Peng等研究表明矩形切向入口對(duì)磨蝕影響最大［6］。

本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)之上，通過數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)4種不同形式入口的油水分離旋流器的流場(chǎng)及分離性能進(jìn)行分析與對(duì)比。

2 結(jié)構(gòu)模型

研究基于一種雙錐型油水分離旋流器，采用單切向入口形式，如圖1所示，旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。以矩形入口、收縮形入口、螺旋線形入口、漸開線形入口4種入口形式進(jìn)行模擬分析（以下簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu) A，B，C，D），4種入口結(jié)構(gòu)最小橫截面處面積相同，以保證相同的入口速度，如圖2所示。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意

表1 旋流器結(jié)構(gòu)模型尺寸

圖2 入口形式示意

3 網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置

3.1 網(wǎng)格劃分

研究表明，網(wǎng)格數(shù)量直接影響計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)，網(wǎng)格過少會(huì)使計(jì)算精度降低，過多的網(wǎng)格會(huì)增加計(jì)算的舍入誤差，精度反而下降［7］，所以必須進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。以矩形入口旋流器模型為例，用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。不同劃分水平下網(wǎng)格單元數(shù)分別為215872，269512，296924和323152，取溢流口壓力降Δp為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其在不同網(wǎng)格劃分水平下分布如圖4所示。對(duì)比可見，在水平1和水平2情況下，Δp與其他劃分水平差異較大，水平3與水平4情況下Δp基本一致。因此可以確定在水平3、水平4網(wǎng)格劃分水平下，網(wǎng)格數(shù)是獨(dú)立的。為減少網(wǎng)格劃分及模擬時(shí)間，采用水平3劃分水平模擬計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 不同網(wǎng)格劃分水平與溢流口壓力損失的關(guān)系

3.2 介質(zhì)物性參數(shù)及初始條件設(shè)置

模擬流體介質(zhì)為含油體積分?jǐn)?shù)15%的油水混合物，油的密度889 kg/m3，黏度35 mPa·s，水的密度1140 kg/m3，黏度1.003 mPa·s；入口邊界條件設(shè)置為速度入口，處理量為4 m3/h；溢流口和底流口均設(shè)為自由出口，設(shè)定溢流分流比為30%。

考慮旋轉(zhuǎn)流動(dòng)及流動(dòng)方向表面曲率變化等湍流各向異性效應(yīng)的影響，湍流計(jì)算模型選擇雷諾應(yīng)力模型（RSM）［8，9］，模擬計(jì)算模型采用多相流Mixture模型，壁面邊界無滑移、不可滲漏條件，其他相關(guān)設(shè)置如表2所示。

表2 相關(guān)設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 壓力損失

旋流器工作追求的目標(biāo)之一是盡量降低壓力損失。液-液分離旋流器的底流排出大量液體，入口與底流口之間的壓力差表示液體流經(jīng)水力旋流器所損失的能量大小。設(shè)旋流器入口壓力為pi，底流口壓力為pd，壓力損失定義為：

4種結(jié)構(gòu)入口截面壓力損失對(duì)比如圖5所示。整體來看4種結(jié)構(gòu)的入口處壓力損失都較小，沿徑向方向從旋流器邊壁處到中心壓力損失逐漸增大，到溢流中心處壓力損失最大，這是由于旋流器中心為低壓區(qū)，溢流中心處壓力最小，而入口壓力較大，造成壓力差值較大；此外，在入口管與旋流器連接的部分壓力耗損嚴(yán)重且變化比較明顯?？傮w上，結(jié)構(gòu)D的壓力損失較其他3種結(jié)構(gòu)較大，這說明曲線形結(jié)構(gòu)則會(huì)增加沿程的壓力損失。

4.2 湍動(dòng)能

湍流會(huì)給旋流器內(nèi)流場(chǎng)帶來強(qiáng)烈的擾動(dòng)和脈動(dòng)，高湍動(dòng)能可以降低流場(chǎng)的穩(wěn)定性和分離效率。圖6為4種入口結(jié)構(gòu)旋流器入口截面處的湍動(dòng)能分布規(guī)律，雖然結(jié)構(gòu)B湍動(dòng)能的最大值達(dá)到1.6m2/s2，但僅出現(xiàn)在入口與旋流腔連接處外邊壁很小的區(qū)域內(nèi)，所以總體上看，結(jié)構(gòu)D的湍動(dòng)能最大，而結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)C的湍動(dòng)能最大值相近，且較小，為 1.2 m2/s2。湍動(dòng)能計(jì)算式為［10］：

可見，湍動(dòng)能取決于時(shí)均速度u和湍流強(qiáng)度l，與兩者乘積的平方成正比。由于結(jié)構(gòu)D螺旋線形的入口形式會(huì)增大流體速度，同樣，結(jié)構(gòu)B收縮形入口也會(huì)增大流體速度，所以結(jié)構(gòu)D和B的湍流動(dòng)能比結(jié)構(gòu)A和C的湍動(dòng)能會(huì)大一些。并且由圖6可見，結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu) C的湍動(dòng)能均在入口邊界處達(dá)到最大值，而結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)D是沿著入口在入口管與旋流腔連接處的邊壁處達(dá)到最大，向中心處發(fā)展時(shí)，隨著半徑的減小湍動(dòng)能快速降低，這是由于湍動(dòng)能主要是由雷諾剪切力做功所提供的，也說明了湍流在近壁面處獲得的能量最多［10］。

圖6 入口湍動(dòng)能對(duì)比

4.3 切向速度

由于切向速度決定著旋流器中產(chǎn)生的離心加速度和離心力的大小，是分散相介質(zhì)分離的先決條件，所以切向速度在旋流器的三維流動(dòng)中占主導(dǎo)地位，同時(shí)切向速度的分布對(duì)軸向速度和徑向速度也有一定影響［11］。以下對(duì)4種結(jié)構(gòu)的切向速度進(jìn)行對(duì)比分析。圖7所示為4種結(jié)構(gòu)入口截面處切向速度等值線對(duì)比，由圖可見，切向速度在鄰近邊壁區(qū)域變化明顯，單入口的原因使速度場(chǎng)表現(xiàn)為偏心不均勻性，且在入口管與旋流腔連接處速度最大，越接近中心處切向速度越小，其中在旋流腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)D的速度變化比較均勻。整體來看結(jié)構(gòu)C的切向速度最大，結(jié)構(gòu)A的最小，這是因?yàn)?，在保證入口結(jié)構(gòu)最小界面處速度相同的前提下，結(jié)構(gòu)C的螺旋線形式加速了流體的流動(dòng)，同樣結(jié)構(gòu)D也對(duì)流體有加速的作用，但效果略低于結(jié)構(gòu)C。為進(jìn)一步分析4種入口結(jié)構(gòu)中切向速度對(duì)分離作用的影響，選取旋流腔頂部截面為高度基準(zhǔn)（z=0），以底流出口方向?yàn)楦叨蓉?fù)方向，取旋流腔內(nèi)z=-50和大錐段內(nèi)z=-95位置分別為研究截面Ⅰ和截面Ⅱ。圖8所示為截面Ⅰ、截面Ⅱ中4種結(jié)構(gòu)切向速度變化曲線，由圖可見，隨著半徑的增加切向速度增大，在近邊壁處達(dá)到最大值后迅速減??；以徑向位置為0所在垂線為中心線，切向速度并不完全對(duì)稱，且出現(xiàn)了偏心現(xiàn)象。圖8（a）中結(jié)構(gòu)C的切向速度最大，但結(jié)構(gòu)C在截面Ⅰ上出現(xiàn)速度不對(duì)稱現(xiàn)象，說明結(jié)構(gòu)C內(nèi)流場(chǎng)不如其他結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)D的切向速度稍大于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B。圖8（b）中4種結(jié)構(gòu)的切向速度變化規(guī)律同圖8（a）類似，但速度大小明顯比截面Ⅰ處速度小。

圖7 入口切向速度對(duì)比

圖8 截面Ⅰ、截面Ⅱ切向速度變化曲線

4.4 分離效率

簡(jiǎn)化效率定義為［12］：

式中 Ej——簡(jiǎn)化效率，%

Cd——底流含油體積分?jǐn)?shù)

Ci——入口含油體積分?jǐn)?shù)

圖9所示為4種不同入口結(jié)構(gòu)旋流器的簡(jiǎn)化效率曲線，由圖可知，結(jié)構(gòu)C的簡(jiǎn)化效率最高，而矩形入口和收縮形入口旋流器的相對(duì)較低，這可能是由于結(jié)構(gòu)C螺旋線形入口更利于使流體在旋流腔內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，加速了分離，結(jié)構(gòu)D也有加速入口流體的作用，雖然效果不如結(jié)構(gòu)C明顯，但比結(jié)構(gòu)A和B更有利于分離。

圖9 簡(jiǎn)化效率曲線

5 結(jié)語

選取雷諾應(yīng)力模型（RSM）湍流計(jì)算模型，開展了單切向入口油水分離旋流器的模擬研究。在本研究范圍內(nèi)，螺旋線形入口對(duì)油水分離效果最理想，漸開線形入口旋流器的分離效果優(yōu)于矩形入口旋流器和收縮形入口旋流器。可見，入口形式對(duì)旋流器分離效果、壓力損耗、湍動(dòng)能有很大的影響。當(dāng)然，對(duì)于同一種入口形式，尺寸參數(shù)不同時(shí)（如矩形入口的長寬比變化等），結(jié)果也會(huì)有所不同。本文研究工作對(duì)于入口形式對(duì)油水分離旋流器的影響研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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