張 勇， 邢 雷， 蔣明虎， 張 艷

( 1. 東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 東北石油大學(xué) 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318 )

0 引言

水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備體積小、分離效率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工和環(huán)保等領(lǐng)域[1-3]。1976年，一種可實(shí)現(xiàn)油水高效分離的雙錐型液—液分離旋流器研制成功[4-7]。人們研究液—液分離旋流器內(nèi)流場(chǎng)特性及分離效率的影響因素，其中離散相的粒徑對(duì)旋流分離性能的影響較大。徐保蕊等[8]研究采出液中砂相粒徑對(duì)三相分離器內(nèi)速度場(chǎng)分布的影響，隨離散相粒度的增大，旋流場(chǎng)的徑向速度增加，粒徑變化對(duì)切向速度及軸向速度影響較小。馬藝等[9]研究不同粒徑的油滴粒子在導(dǎo)葉式旋流器內(nèi)的運(yùn)移軌跡，表明大粒徑的油滴受水相流動(dòng)的影響較小，更容易實(shí)現(xiàn)油水分離。陸耀軍等[10]對(duì)不同粒徑的油滴在兩種旋流器內(nèi)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值分析。楊雪龍等[11]研究水滴粒徑對(duì)旋葉式汽水分離器性能的影響，結(jié)果表明對(duì)汽水分離器產(chǎn)生影響的粒徑為5～150 μm，對(duì)壓損產(chǎn)生影響的粒徑大于5 μm。Cui Rui等[12]對(duì)旋流器內(nèi)顆粒粒度的流動(dòng)行為進(jìn)行數(shù)值分析，粒度在5～25 μm之間增大時(shí)，處于內(nèi)旋流的顆粒需要更多的時(shí)間才能進(jìn)入溢流管。韓嚴(yán)和[13]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，在旋流氣浮過(guò)程中，分散相粒徑小于0.02 μm時(shí)，切向速度越大，碰撞效率越??；當(dāng)分散相油滴大于0.02 μm時(shí)，碰撞效率隨切向速度增大而增大。

這些離散相粒徑對(duì)旋流器分離性能的研究或者采用數(shù)值模擬，或者采用分離性能實(shí)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程及離散相運(yùn)移軌跡的可視化分析。筆者借助于高速攝像技術(shù)，對(duì)旋流場(chǎng)內(nèi)不同粒徑油滴的運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行跟蹤拍攝，將數(shù)值分析及可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)合，研究離散相粒徑對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及分離特性的影響，為增強(qiáng)旋流器的適用性、揭示旋流分離機(jī)理及其內(nèi)部流場(chǎng)特性等提供參考。

1 數(shù)值建模

1.1 模型

以雙錐型液—液分離旋流器[14]為研究對(duì)象，開(kāi)展不同粒徑油滴在旋流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)移軌跡及分離性能數(shù)值分析，并進(jìn)行高速攝像實(shí)驗(yàn)。旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，主要流體域模型見(jiàn)圖1。

表1 雙錐型旋流器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 雙錐型旋流器流體域模型Fig.1 Fluid model of double cone hydrocyclone

1.2 離散相微分方程

離散相粒子軌道模型是求解拉格朗日坐標(biāo)系下的粒子作用力微分方程，能夠預(yù)測(cè)離散相粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，微分方程[15-16]為

(1)

(2)

式中：FD(μ-μp)為單位質(zhì)量粒子間的曳力；g(ρp-ρ)/ρp為重力；F為參考坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)引起的作用力，包括Basset力、Saffman升力和Magnus力；CD為曳力系數(shù)；L為流體動(dòng)力黏度。

圖2 雙錐型旋流器網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of double cone hydrocyclone

1.3 網(wǎng)格劃分

采用Fluent前置軟件——Gambit對(duì)目標(biāo)旋流器流體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格具有計(jì)算速度快、精度高、收斂性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[17-20]，選用六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)目標(biāo)旋流器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，大、小錐段及圓柱段按等間距網(wǎng)格劃分，保證不同位置網(wǎng)格劃分的一致性(見(jiàn)圖2)。同時(shí)，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，對(duì)比不同網(wǎng)格數(shù)下旋流器溢流口處油相體積分?jǐn)?shù)分布，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到3.715 78×105時(shí)，溢流口油相體積分?jǐn)?shù)分布不隨網(wǎng)格數(shù)的增多而明顯變化。為縮短計(jì)算時(shí)間，選擇該網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 邊界條件

(1)連續(xù)相邊界條件：入口設(shè)為速度入口，湍流強(qiáng)度為5%。

(2)離散相邊界條件：離散相油滴入口處的射流源為點(diǎn)源，油滴的入口速度與連續(xù)相速度相同，不考慮油滴間的相互碰撞、擠壓、變形及旋轉(zhuǎn)，粒子之間無(wú)質(zhì)量變化及能量傳遞，設(shè)定離散相密度為889 kg/m3。

(3)出口邊界條件：溢流口及底流口設(shè)置為壓力出口，離散相在溢流口設(shè)置為捕獲(Trap)，在底流口設(shè)置為逃逸(Escape)。

(4)壁面邊界條件：壁面粗糙度值為0，流體相采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、無(wú)滑移壁面邊界。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

在目標(biāo)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)中，分別模擬粒徑在1～1 000 μm之間的油滴在旋流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)移軌跡，以及對(duì)旋流器分離性能的影響。為排除流場(chǎng)隨機(jī)特性對(duì)油滴運(yùn)移軌跡的影響，分別入射1、10、100個(gè)三個(gè)數(shù)量級(jí)的油滴粒子，觀察單個(gè)油滴及油滴粒子群的運(yùn)移軌跡。模擬向旋流場(chǎng)內(nèi)入射粒徑為1 μm油滴的粒子運(yùn)移軌跡(見(jiàn)圖3)。由圖3可以看出，在1 μm粒徑條件下，進(jìn)入旋流場(chǎng)后，多數(shù)油滴粒子隨外旋流運(yùn)動(dòng)至底流口而被排出，當(dāng)注入油滴粒子數(shù)為100時(shí)，有25個(gè)油滴進(jìn)入內(nèi)旋流并被溢流口捕獲。

圖3 不同數(shù)量級(jí)的1 μm粒徑油滴的粒子運(yùn)移軌跡

保持其他條件不變，模擬粒徑分別為2、4、6、8、10 μm油滴的粒子運(yùn)移軌跡，與1 μm油滴時(shí)的粒子運(yùn)移軌跡差別不大，即多數(shù)油滴粒子在外旋流的作用下由底流口逃逸。粒徑為10 μm油滴時(shí)的粒子運(yùn)移軌跡見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，當(dāng)注入粒子數(shù)為100時(shí)，有39個(gè)油滴粒子被溢流口捕獲并完成分離。

圖4 不同數(shù)量級(jí)的10 μm粒徑油滴的粒子運(yùn)移軌跡

在粒徑為1～10 μm時(shí)，油滴進(jìn)入旋流器后并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)較好的分離，粒級(jí)效率在25%～40%之間；隨粒徑的逐漸增大，粒級(jí)效率呈上升趨勢(shì)。當(dāng)油滴粒徑達(dá)到50 μm時(shí)，油滴粒子在旋流場(chǎng)內(nèi)的軌跡產(chǎn)生較為明顯的變化(見(jiàn)圖5)。1個(gè)50 μm油滴粒子進(jìn)入旋流腔，首先在外旋流的作用下沿著器壁旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生軸向位移而向底流方向運(yùn)移；進(jìn)入大錐段，突破零軸向速度包絡(luò)面而進(jìn)入內(nèi)旋流，在內(nèi)旋流的作用下由溢流口流出。當(dāng)入射粒子數(shù)為100時(shí)，旋流腔有明顯的油核形成，旋流器粒級(jí)效率為63%。

圖5 不同數(shù)量級(jí)的50 μm粒徑油滴的粒子運(yùn)移軌跡

在10～100 μm內(nèi)、由小到大選取油滴粒徑，旋流器的分離效率隨油滴粒徑的增大而提高，其中粒徑為100 μm油滴的粒子運(yùn)移軌跡見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，油滴粒子進(jìn)入旋流場(chǎng)，穿透自由渦并進(jìn)入強(qiáng)制渦區(qū)，油滴由外旋流運(yùn)移到內(nèi)旋流所需時(shí)間較短且運(yùn)動(dòng)軌跡比較平滑，即受湍流影響較小，粒級(jí)效率為73%。

圖6 不同數(shù)量級(jí)的100 μm粒徑油滴的粒子運(yùn)移軌跡

繼續(xù)分別向旋流場(chǎng)內(nèi)入射粒徑在100～900 μm之間的油滴粒子100個(gè)，油滴粒子群運(yùn)移軌跡見(jiàn)圖7。由圖7可以看出，隨入射油滴粒徑的逐漸增大，旋流器下端軸心位置的油滴粒子運(yùn)移軌跡越來(lái)越細(xì)，即由底流口排出的油滴粒子數(shù)量逐漸減少；當(dāng)粒徑達(dá)到900 μm時(shí)，油滴粒子全部由溢流口排出，粒級(jí)效率達(dá)到100%。

圖7 不同粒徑油滴的粒子群運(yùn)移軌跡Fig.7 Migration trajectories of different sizes droplets

圖8 不同粒徑油滴的粒子運(yùn)移結(jié)果Fig.8 Migration histogram of different sizes droplets

為對(duì)比粒徑在100～900 μm之間的油滴粒子分離結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同粒徑油滴的粒子溢流口捕獲率(見(jiàn)圖8)。由圖8可以看出，隨離散相油滴粒徑的逐漸增大，雙錐型旋流器粒級(jí)效率逐漸升高。

3 高速攝像實(shí)驗(yàn)

3.1 工藝

在多相流循環(huán)系統(tǒng)上，使用最大幀率為3.0×104fps的高速攝像機(jī)，錄制旋流場(chǎng)內(nèi)不同粒徑的離散相油滴分離過(guò)程。高速攝像實(shí)驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖9。

3.2 方法

高速攝像機(jī)固有幀率很高，曝光時(shí)間較短，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要強(qiáng)光照明。在照明裝置前端放置一張高透白板，使強(qiáng)光均勻地照射在待測(cè)區(qū)域內(nèi)，以保障畫(huà)面清晰。分別制備不同油滴粒徑的油水混合液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先打開(kāi)高速攝像控制系統(tǒng)，調(diào)整Frame為1.5×103fps；然后待旋流場(chǎng)穩(wěn)定，點(diǎn)擊Record開(kāi)始畫(huà)面捕捉，錄制時(shí)間為6.00 s，觀察離散相油滴在旋流場(chǎng)的分離情況。

圖9 高速攝像實(shí)驗(yàn)工藝流程Fig.9 Experimental process of high-speed camera

3.3 結(jié)果

在錄制時(shí)間范圍內(nèi)，選擇流場(chǎng)穩(wěn)定且可清晰識(shí)別粒徑大小的油滴作為追蹤對(duì)象。為準(zhǔn)確地表示油滴的分離過(guò)程，對(duì)得到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，應(yīng)用圖像灰度及像素對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述(見(jiàn)圖10)。高速攝像機(jī)拍攝畫(huà)面見(jiàn)圖10(a)，選取5個(gè)粒徑接近的油滴粒子進(jìn)行追蹤，并計(jì)算被追蹤的粒子距軸心位置的平均距離(見(jiàn)圖10(b))，即以油核中心位置(橫坐標(biāo)400位置)為軸心，計(jì)算各油滴粒子中心位置距軸心距離。當(dāng)選取另一粒徑的油滴時(shí)，同樣選取5個(gè)油滴粒子，保證5個(gè)油滴粒子距軸心距離均值與上一組實(shí)驗(yàn)相近，以降低實(shí)驗(yàn)誤差，保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖10 追蹤油滴粒子的選取Fig.10 Selection of target particles

以粒徑為700 μm油滴粒子分離過(guò)程為例，在1.60～3.00 s過(guò)程中，粒徑700 μm的5個(gè)油滴粒子的位置及分離情況見(jiàn)圖11，以追蹤的油滴粒子全部與油核匯集時(shí)刻作為完成分離時(shí)間。由圖11可以看出，追蹤的5個(gè)油滴粒子全部完成分離時(shí)刻為3.00 s，所用分離時(shí)間為1.40 s。

圖11 粒徑為700 μm油滴的分離過(guò)程Fig.11 Separation process of droplets with 700 μm diameter

分別對(duì)粒徑為100、300、500、900 μm油滴進(jìn)行追蹤，不同粒徑油滴的分離時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。由圖12可以看出，隨粒徑的逐漸增大，油滴分離時(shí)間逐漸縮短。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)流場(chǎng)轉(zhuǎn)速、溫度等條件完全相同，且油滴選取位置接近，通過(guò)分離時(shí)間對(duì)比，可以說(shuō)明粒徑較大的油滴在旋流場(chǎng)內(nèi)向軸向油核運(yùn)移的速度較快，即在旋流器內(nèi)受到較大的軸向力，更容易穿透外旋流而進(jìn)入內(nèi)旋流。在一定粒徑范圍內(nèi)，適當(dāng)增大離散型油滴的粒徑，可以在一定程度上增加旋流器的分離性能。

圖12 不同粒徑油滴的分離時(shí)間曲線(xiàn)

4 結(jié)論

(1)旋流器對(duì)粒徑在1～10 μm內(nèi)的油滴分離效果較差，大量油滴隨外旋流通過(guò)底流口排出，粒級(jí)效率在25%～40%之間；當(dāng)油滴粒徑增大到50 μm時(shí)，油滴的粒子群運(yùn)移軌跡發(fā)生明顯變化，大量油滴向軸心聚集并隨內(nèi)旋流通過(guò)溢流口排出。

(2)當(dāng)油滴粒徑小于50 μm時(shí)，旋流器分離效率受油滴粒徑變化影響較小，隨粒徑的增大而逐漸升高，但增幅較小；當(dāng)粒徑在50～900 μm內(nèi)時(shí)，隨離散相粒徑的增大，旋流器分離性能逐漸升高且增幅較大，適當(dāng)增大油滴粒徑可以有效提高旋流器分離性能。

(3)對(duì)粒徑為100 μm的油滴，在旋流場(chǎng)內(nèi)完成分離時(shí)間為2.30 s；對(duì)粒徑為700 μm的油滴，在旋流場(chǎng)內(nèi)完成分離時(shí)間為1.40 s。旋流場(chǎng)離散相油滴粒徑越大，向軸心油核聚集所需時(shí)間越短，分離性能越好。

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