王學(xué)平, 文 學(xué), 龔 斌, 吳劍華

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142)

液液重力沉降器具有分離效果好,能源消耗少,操作簡單,沒有二次污染的特點(diǎn)[1],所以被廣泛的應(yīng)用于分離互不相容的兩相液體.分離器內(nèi)部流場的穩(wěn)定性對分離效果具有十分大的影響,分離器內(nèi)部流場的理想流動狀態(tài)是穩(wěn)定的層流甚至柱塞流.而從入口處進(jìn)入的液體往往具有很大的動能和湍動,對內(nèi)部流場造成猛烈的沖擊,容易引起分離器內(nèi)部流場發(fā)生劇烈的擾動和漩渦,十分不利于液滴的沉降和聚結(jié),因此,需要在分離器的入口處設(shè)置防沖擋板來消能和穩(wěn)定流場,使防沖擋板后面分離區(qū)的流場盡量減少、減小漩渦和波動,并使流體流速在流場中的分配盡量均勻,盡量接近理想的有利于分離的層流狀態(tài)[2].而防沖擋板的形狀和大小以及與入口處的距離對內(nèi)部流場穩(wěn)定性的影響有著不同的效果,因此,有必要針對這些因素進(jìn)行研究,以找出有利于流場穩(wěn)定的配置形式.目前,防沖擋板的主要形式有板狀、碟型、離心式和孔箱式.對于液液分離器入口構(gòu)件的研究,各學(xué)者對陸耀軍等[3]1995年提出的幾種觀點(diǎn)引用至今,但其僅通過查看單一條件下分離器內(nèi)部速度矢量圖后便定位擋板作用好壞,未對其他狀況進(jìn)行詳細(xì)的對比研究;而國內(nèi)外其他學(xué)者都是在假定分離器內(nèi)部流場穩(wěn)定的條件下,研究分離效率[4-7];有的學(xué)者直接忽視湍流沖擊，將入口沖擊射流速度通過面積比換算成整個分離器截面的速度,即視進(jìn)液為層流狀態(tài)，沒有充分研究對保證分離區(qū)流場流動穩(wěn)定起決定作用的防沖擋板的影響.平板式和球殼式(碟式)因結(jié)構(gòu)簡單,效果較好,被廣泛應(yīng)用于沉降式分離器中,但目前針對球殼式(碟式)擋板及其與平板式擋板在各種配置下的比較研究較少,對于這兩種擋板在相同配置變化下對流場的不同影響未知，造成選型時的盲目性.因此本論文利用FLUENT軟件針對這兩種常用的防沖擋板變化相同的入口流速、形狀尺寸、擋板與入口距離，對分離器內(nèi)部的流場速度分布、平均速度及平均湍流強(qiáng)度的影響進(jìn)行對比分析,為分離器防沖擋板的設(shè)置和選擇提供依據(jù).

因?yàn)榉治龅氖菍Ψ蛛x有很大影響的流體整體的流動狀態(tài),而一般情況下分散相液滴相對于連續(xù)相所占的比例較少且相對于連續(xù)相為輕相,對以連續(xù)相為主的流體整體的流動性影響可以忽略不計(jì),因此,本文采用單一介質(zhì)的形式進(jìn)行模擬.

近年來,一種新型的計(jì)算方法—CFD(Computational Fluid Dynamics)成為研究各種流體流動狀態(tài)的有效方法[8].CFD在構(gòu)建理論和模擬流體流動的模型上可以做出準(zhǔn)確的預(yù)測和決斷,相比于研究性實(shí)驗(yàn),它最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本,只需通過操作計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬,便可快速得到理想的結(jié)果.CFD模擬出的結(jié)果并不是來自于實(shí)際模型的結(jié)果,而是來自于數(shù)學(xué)模型的結(jié)果,雖然是在理想狀態(tài)下進(jìn)行模擬,但并不會與實(shí)際情況產(chǎn)生特別大的偏差.集眾多優(yōu)點(diǎn)于一身的CFD計(jì)算方法正在日益完善,在工業(yè)生產(chǎn)與工業(yè)設(shè)計(jì)中得到了極為廣泛的應(yīng)用.

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

由于只研究防沖擋板的作用,而不研究分離過程,為更好地反映防沖擋板的作用,所以簡化掉擋板后的內(nèi)部分離構(gòu)件等結(jié)構(gòu).本文兩個模型結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)如圖1所示.水槽長×寬×高=1 400 mm×400 mm×400 mm(不包括進(jìn)液管和排液管長度),進(jìn)液圓管建立在前壁面上,圓心高度為150 mm,直徑60 mm,溢液板高度為300 mm,進(jìn)液管和排液管長度均為30 mm.流體由進(jìn)液管進(jìn)入分離器,由排液管流出.

1 進(jìn)液圓管 2 防沖擋板 3 分離器箱體 4 溢流板 5 排液管

模擬數(shù)值設(shè)定:根據(jù)對實(shí)際分離器入口流速和對流場穩(wěn)定性效果影響的顯著性的考慮,在做了多組模擬后,本文選取其中的v1=0.5 m/s、v2=1 m/s、v3=2 m/s三個沖擊射流速度,在考慮實(shí)際流速的基礎(chǔ)之上,具有一定的廣度.H取H1=200 mm、H2=250 mm、H3=300 mm、H4=350 mm和H5=400 mm五個沖擊間距,球殼擋板的直徑和方形擋板的邊長取Ф1=D1=80 mm、Ф2=D2=120 mm、Ф3=D3=160 mm、Ф4=D4=200 mm,用符號S表示4個防沖擋板尺寸.模擬參數(shù)組合見表1.

表1 模擬數(shù)值設(shè)定

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

三維幾何模型用Gambit軟件生成,采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對分離器前部主要研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密.為保證計(jì)算精度,選取參數(shù)為v2=1 m/s、H2=250 mm、Ф3=D3=160 mm時的網(wǎng)格疏密程度進(jìn)行6套網(wǎng)格考核驗(yàn)證.圖2為6套不同網(wǎng)格尺寸在擋板沖擊區(qū)取邊長為32 mm的方形區(qū)域,計(jì)算該平面上的平均壓強(qiáng).由圖2可以看出:當(dāng)網(wǎng)格尺寸為1 mm時計(jì)算結(jié)果最高,網(wǎng)格尺寸小于3 mm時,擋板面上的靜壓變化不大;當(dāng)網(wǎng)格尺寸大于3 mm時,擋板面上的壓強(qiáng)變化很大;綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時間,選取網(wǎng)格尺寸3 mm對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

1.3 方程求解與邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行模擬,湍流模型中近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù);標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下:

Gk+Gh-ρε-YM;

壓力和速度的耦合采用Simple算法,壓力的離散采用Standard形式,動量、湍動能、湍動能耗散率均采用Second Order Upwind形式離散.邊界條件:進(jìn)口邊界條件為速度入口,出口邊界條件為壓力出口.固壁條件:固壁上滿足無滑移條件及無剪切應(yīng)力.模擬的工質(zhì)為水,并假定流體不可壓縮及物性參數(shù)為常數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 采用兩種不同形狀擋板情況下分離器內(nèi)流體流動狀態(tài)分析

對數(shù)十種組合條件下兩種形狀的擋板對分離器內(nèi)部流場的影響情況進(jìn)行分析,并選取了4種典型組合的流線云圖,如圖3～圖6所示.

圖3(a)為v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=400 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖3(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.從圖3可以看出：在大沖擊間距和大擋板尺寸的情況下,方形擋板后部靠近上下兩個壁面處出現(xiàn)了兩個比較對稱的較小渦流,主分離區(qū)內(nèi)流體流動比較穩(wěn)定,而球殼形擋板附近動能分布很不均勻，明顯的上面偏大，因此主分離區(qū)上部出現(xiàn)了一個短路流，后部則出現(xiàn)了一個比較大的渦,雖然在此模型中采用球殼形擋板由于動能消耗較大，因此流場速度較小,但是從流體流動狀態(tài)上看,采用方形擋板的流場分布更均勻,所以在此狀態(tài)下方形擋板的穩(wěn)流效果要比球殼形擋板好些.

圖4(a)為v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=200 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖4(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態(tài)為小沖擊間距和大擋板尺寸,從圖4可以看到,小沖擊間距下流體沖擊擋板后來不及形成渦就向擋板四周擴(kuò)散,擴(kuò)散過程中原始流體的動量傳遞給周圍液體,自身的速度快速衰減掉,因此擋板前部的渦量很少,發(fā)展也不充分,縮小了沖擊間距后,球殼形擋板后部的渦流不再明顯,與圖3(b)形成鮮明對比. 在此條件下x=500 mm截面的兩幅圖中可以看到,圖4(a)中有兩個明顯渦流,而圖4(b)中的流體流動狀態(tài)比較平穩(wěn),可以說明在此條件下,球殼形擋板的穩(wěn)流效果要比方形擋板好些.

圖3 v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=400 mm條件下分離器內(nèi)部流場的流線云圖

圖4 v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=200 mm條件下分離器內(nèi)部流場的流線云圖

圖5(a)為v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=400 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖5(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態(tài)為大沖擊間距和小擋板尺寸,與圖3(a)、圖3(b)相比較只有擋板的尺寸不同, 從圖5可以看出：沖擊距離的增大使得擋板前部的回流得以充分發(fā)展,形成反向渦的尺度呈增大趨勢,擋板縮小以后,分離器內(nèi)部流場明顯紊亂許多,兩幅圖中顯示的流場狀態(tài)十分相似,可見在此狀態(tài)下無論是采用方形板還是球殼形擋板,效果都差不多.

圖6 v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=200 mm條件下分離器內(nèi)部流場的流線云圖

圖6(a)為v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=200 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖6(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態(tài)為小沖擊間距和小擋板尺寸,與圖5(a)、圖5(b)相比較只有沖擊間距不同,從圖6可以看出：沖擊間距縮小后,分離器內(nèi)部流體流動的狀態(tài)平穩(wěn)許多,而且在此狀態(tài)下無論是方形擋板還是球殼形擋板,對流場的穩(wěn)定效果也是十分相似；但球殼形擋板較方形擋板的流體在橫截面上的分布較不均勻，但分離區(qū)的流速相對小一些.

圖3～圖6擋板前的流場分布基本符合沖擊射流特征.流體沖擊流體到達(dá)防沖擋板附近時射流經(jīng)歷了顯著的彎曲，存在很大的壓力和速度梯度的.流體在沖擊擋板前后形成不同大小和數(shù)量渦旋的環(huán)形回流區(qū).環(huán)形回流區(qū)現(xiàn)象已由Fitzgerald[9]通過激光多普勒測速實(shí)驗(yàn)方法和焦磊[10]利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型數(shù)值模擬方法驗(yàn)證.Sungsu Lee[11]在沖擊射流中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)理論證實(shí)了普朗特湍流理論的施里赫延解，利用頻閃觀測法觀測到了擬序結(jié)構(gòu)的渦旋結(jié)構(gòu).無論是方形平面擋板還是球殼形擋板，在沖擊間距較小時，擋板前部的環(huán)形回流區(qū)發(fā)展不充分，渦流尺度較小，而環(huán)形回流區(qū)后上方的順時針渦流尺度較大，中軸線下方的逆時針渦流因受分離器底部的限制，渦流尺度較小[12]；而且渦旋基本在中軸線上下對稱分布.隨著沖擊間距H的增大，沖擊射流兩側(cè)的環(huán)形回流區(qū)渦流尺度不斷變大，中軸線上方環(huán)形回流區(qū)的中心向后上方移動，環(huán)形回流區(qū)的增大會卷吸周圍更多的流體[13]，使流場湍動范圍增加，應(yīng)當(dāng)減小沖擊間距來抑制回流區(qū)的發(fā)展.在分離區(qū)，方形板后的流場的流速比球殼形擋板的普遍要高，特別是在大的沖擊間距的情況下，要大得多.

2.2 兩種擋板對分離器內(nèi)部流場影響的定量分析

圖7(c)、圖7(d)中的模型采用了較大的擋板,可以看到在采用較大擋板的情況下,球殼形擋板的穩(wěn)流效果明顯比方形擋板好很多,而且入射速度越大,兩者的差距越明顯.這兩幅圖中均有“拐點(diǎn)”的出現(xiàn),如圖7(c)中球殼形擋板在v=2 m/s,H=300 mm比H=400 mm時的平均速度和平均湍流強(qiáng)度都要高,而圖7(d)中還是球殼形擋板在v=2 m/s,H=300 mm時的平均速度和平均湍流強(qiáng)度卻達(dá)到了最低,可見,對球殼形擋板做更為深入的單一性研究也是非常有必要的,因?yàn)殡S著條件的改變,會有“拐點(diǎn)”的出現(xiàn),因此可以通過實(shí)驗(yàn)測量或數(shù)值模擬等方法確定出“拐點(diǎn)”,結(jié)合流動狀態(tài)分析及速度、湍流強(qiáng)度衰減情況,最終確定出分離器防沖擋板的最佳尺寸S和沖擊間距H,亦可在擋板后加裝穩(wěn)流構(gòu)件等,進(jìn)一步約束流體流動路徑,降低流體速度和湍流強(qiáng)度,提高分離效率.

圖7 兩種防沖擋板在各種相同狀態(tài)下橫截面x=500 mm上的平均速度和平均湍流強(qiáng)度

3 結(jié) 論

(1) 在大沖擊間距和大擋板尺寸的情況下，方形擋板后部靠近上下兩個壁面處出現(xiàn)了兩個較對稱的小渦，而球殼形擋板區(qū)域由于動能分別很不均勻，后部主分離區(qū)處出現(xiàn)了一個比較大的渦，造成流體流動較不穩(wěn)定，在此狀態(tài)下方形擋板的穩(wěn)流效果要比球殼形擋板要好.

(2) 縮小了沖擊間距后，球殼形擋板后的渦流較小，穩(wěn)流效果要比方形平板好些.大沖擊間距和小擋板尺寸下，由于擋板和槽體的壁面效應(yīng)減小，空間加大，渦得到充分發(fā)展，無論是采用方形板還是球殼形擋板，分離器內(nèi)部流場明顯紊亂許多.在大間距情況下，分離區(qū)的流速在球殼形擋板后要比方形板后大很多.

(3) 小沖擊間距和小擋板尺寸情況下，由于渦的發(fā)展受到抑制，分離器內(nèi)部流體流動的狀態(tài)會平穩(wěn)許多；由于擋板的形狀影響較小，此狀態(tài)下無論是方形板還是球殼形擋板，對流場的穩(wěn)定效果也是十分相似，但球殼形擋板的流場分布較方形板的較均勻.

(4) 在以上所有相同狀態(tài)下，采用球殼形擋板的模型都要比采用方形平板的模型擁有更小的平均速度和平均湍流強(qiáng)度，說明采用球殼形擋板，分離區(qū)的流速分布較均勻而且較平穩(wěn)，應(yīng)當(dāng)盡量選用球殼形擋板進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn).