張宇恒， 袁惠新， 付雙成， 周龍遠(yuǎn)， 牟宇慧

(1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213016； 2.江蘇省綠色過(guò)程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 常州 213016；3.波士頓大學(xué)， 馬薩諸塞州 波士頓 02215； 4.江蘇巨能機(jī)械有限公司， 江蘇 宜興 214261)

碟式離心機(jī)作為分離高度分散非均相混合物的重要分離設(shè)備，與工業(yè)其它分離設(shè)備相比，具有分離效率高、占地面積小，自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)[1-3]，廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。國(guó)外碟式離心機(jī)的技術(shù)參數(shù)范圍較大，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑150～1200 mm，轉(zhuǎn)速6000～12000 r/min，分離因數(shù)5000～15000，最大生產(chǎn)能力約300 m3/h。國(guó)內(nèi)的碟式離心機(jī)產(chǎn)品系列少、規(guī)格少、技術(shù)參數(shù)低[4]，長(zhǎng)期以來(lái)，碟式離心機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程多是基于經(jīng)驗(yàn)判斷，嚴(yán)重影響了碟式離心機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，與國(guó)際先進(jìn)水平差距很大[5-8]。國(guó)內(nèi)外對(duì)碟式離心機(jī)的研究主要是分析其動(dòng)平衡、振動(dòng)等問(wèn)題，對(duì)設(shè)備分離性能的研究卻很少。近幾年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)碟式離心機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)正日益增長(zhǎng)，趙志國(guó)等[9-10]采用CFD技術(shù)對(duì)碟式離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬，并對(duì)油滴的軌跡進(jìn)行了追蹤，初步分析了油-水分離形成的分層界面；張總等[11-12]基于FLUENT軟件計(jì)算驗(yàn)證，提出高分離效果的碟片模型，并針對(duì)碟式分離機(jī)內(nèi)流場(chǎng)流速進(jìn)行了PIV測(cè)量。這些對(duì)離心流場(chǎng)的初步研究，均是基于二維模型的模擬，雖然減少了計(jì)算量，但是忽略了碟片結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、物料特性等對(duì)流體流動(dòng)的綜合影響，必然導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)有偏差，無(wú)法探究出碟式離心機(jī)分離效率的影響規(guī)律。袁惠新等[13-14]通過(guò)建立轉(zhuǎn)鼓內(nèi)簡(jiǎn)單三維物理模型，大致模擬出碟片間隙中微小區(qū)域的流動(dòng)情況，但是研究中將碟片簡(jiǎn)化為光滑物理模型，沒(méi)有考慮到碟片上筋條結(jié)構(gòu)對(duì)碟片間物料流動(dòng)性的影響。因此，筆者對(duì)碟式離心機(jī)內(nèi)的流場(chǎng)及分離性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，綜合考慮筋條結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)了碟片間物料存在旋轉(zhuǎn)滯后性，且各層進(jìn)料流量及重相體積濃度不一致性等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響到碟式離心機(jī)的分離性能。

在一些特定條件下，航空煤油中往往穩(wěn)定分布

極小粒度的水滴，當(dāng)含水量大到一定程度，會(huì)嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能[15]。因此，國(guó)際航空業(yè)對(duì)于航空煤油的含水量要求很高。這些水滴相對(duì)于其它固態(tài)雜質(zhì)更難以分離，目前國(guó)內(nèi)碟式離心機(jī)的工業(yè)技術(shù)水平尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)航空煤油的油-水高精度分離。筆者主要通過(guò)碟式離心機(jī)內(nèi)碟片上螺旋型與徑向型筋條的對(duì)比研究，探討了碟片上螺旋型筋條對(duì)碟片間兩相流動(dòng)及對(duì)航空煤油脫水性能的影響。

1 模擬研究方法及可靠性驗(yàn)證

1.1 碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓模型

圖1為碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)。其主要是利用超重力沉降和淺池原理設(shè)計(jì)，即在離心沉降分離懸浮液時(shí)，其生產(chǎn)能力正比于沉降槽的面積，而與沉降槽的高度無(wú)關(guān)。其優(yōu)勢(shì)是利用碟片將分離室劃分為若干分離區(qū)，用碟片來(lái)降低沉降高度，增加沉降面積，加速了離心沉降分離過(guò)程。

圖1 碟式離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓三維爆炸視圖Fig.1 3D explosion view of disc centrifuge drum1—Drum; 2—Disc holder; 3—Disc; 4—Disc gland;5—Drum cover; 6—Lock ring

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

筆者對(duì)碟式離心機(jī)采用CFD數(shù)值模擬，分離對(duì)象參考航空煤油。碟式離心機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及數(shù)值模擬中擬采用的物料參數(shù)和操作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 碟式離心機(jī)物理模型的模擬參數(shù)值Table 1 Simulation parameters of centrifuge physical model

由于碟式離心機(jī)內(nèi)物料的離心沉降分離主要發(fā)生在碟片間隙，且碟片間隙內(nèi)物料的沉降距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓半徑，因此使用ANSYS 18.0前處理軟件ICEM建立5層碟片間兩相流動(dòng)區(qū)域及轉(zhuǎn)鼓成渣腔的三維流動(dòng)模型，進(jìn)料口與定距筋條作網(wǎng)格局部加密處理，以提高結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量。模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖2所示，其中圖2(a)為傳統(tǒng)帶徑向型筋條的碟片，圖2(b)為筆者創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的新型帶螺旋型筋條的碟片。

圖2 碟片間隙及轉(zhuǎn)鼓成渣腔的三維流動(dòng)模型Fig.2 3D flow model of disk gap and drum slag cavity(a) Radial rib; (b) Spiral rib

1.3 模型計(jì)算及邊界條件

筆者研究碟式離心機(jī)碟片間兩相流動(dòng)場(chǎng)，由于無(wú)需考慮渦黏性各項(xiàng)同性假設(shè)，湍流模型比雷諾應(yīng)力模型更加精準(zhǔn)。在碟片間兩相流動(dòng)場(chǎng)中，物料受離心作用處于高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此模擬中采用RSM湍流模型，其計(jì)算原理是質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程(Navier-Stokes，即N-S方程)、應(yīng)力運(yùn)輸方程(Reynolds)[16-18]。模擬對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)予以適當(dāng)簡(jiǎn)化，并作以下假設(shè)：(1)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)充滿(mǎn)液體且流動(dòng)穩(wěn)定；(2)液相為連續(xù)不可壓縮流體；(3)固相為密度均勻等粒徑球形顆粒，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生絮凝、破碎和變形。計(jì)算模型對(duì)兩相間的相互作用，采取單流體計(jì)算方式，但計(jì)算模型中不僅包含了不同相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且不同相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度大小不同，因此計(jì)算模型能夠比較全面地分析碟片間兩相流動(dòng)過(guò)程。

入口邊界條件采用速度進(jìn)口(Velocity-inlet)，碟片上端出口設(shè)置采用壓力出口(Pressure-outlet)；碟片下端出口設(shè)置與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)相接，通過(guò)定義內(nèi)部面觀測(cè)碟片下端重相出口情況；流道內(nèi)與流體接觸的壁面均采用無(wú)滑移條件。

碟式離心機(jī)碟片間流場(chǎng)復(fù)雜，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體旋轉(zhuǎn)占優(yōu)，因此通過(guò)RSM湍流模型模擬更加精準(zhǔn)。碟片間兩相流動(dòng)屬于多相流流動(dòng)，采用Eulerian模型能夠精準(zhǔn)地研究碟片間兩相流動(dòng)性及其分離性能。

通過(guò)ANSYS 18.0進(jìn)行數(shù)值模擬，采用壓力-速度耦合方式(SIMPLE算法)、壓力方式(PRESTO!格式)和其余項(xiàng)差(QUICK精度)。非穩(wěn)態(tài)模擬流場(chǎng)在50000步后，出口監(jiān)測(cè)面上的水相體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定，殘差曲線也已經(jīng)穩(wěn)定，表明流場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定。

1.4 模擬可靠性驗(yàn)證

針對(duì)實(shí)驗(yàn)物料航空煤油，采用DRS 230型碟式離心機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(如圖3)：(1)將物料裝入進(jìn)料罐中使物料通過(guò)并充滿(mǎn)管路，通過(guò)離心泵灌泵口進(jìn)行灌泵；(2)打開(kāi)電源，啟動(dòng)碟片式離心機(jī)的同時(shí)啟動(dòng)離心泵(空載啟動(dòng))，使物料在整個(gè)管路中循環(huán)；(3)調(diào)節(jié)變頻器以調(diào)節(jié)入口流量及轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，待溢流穩(wěn)定后取樣；(4)采用濁度儀分析樣品的濁度，通過(guò)標(biāo)定的濁度和體積濃度，可得對(duì)應(yīng)水相的體積分?jǐn)?shù)。

當(dāng)?shù)诫x心機(jī)的轉(zhuǎn)速n=3000 r/min，流量Q=1 m3/h時(shí)，離心機(jī)穩(wěn)定后測(cè)得樣品中油相的體積分?jǐn)?shù)為99.2%，而通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的體積分?jǐn)?shù)為98.7%，模擬所得的體積分?jǐn)?shù)比實(shí)驗(yàn)測(cè)得樣品的體積分?jǐn)?shù)低。這是因?yàn)樵跀?shù)值模擬中的粒徑模型均為等粒徑，油相的體積分?jǐn)?shù)理論上不超過(guò)74%，而實(shí)際物料中的水相粒徑大小不同，且水滴在油相中有聚合、破碎現(xiàn)象，因此在同樣條件下，模擬得到的水滴體積分?jǐn)?shù)自然會(huì)低一些。

2 碟片間兩相流場(chǎng)分析

2.1 壓力場(chǎng)

碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)離心液壓的理論計(jì)算公式[19]為：

(1)

圖3 碟式離心機(jī)實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.3 Dish centrifuge experiment flow chart

式(1)中p為離心液壓，Pa；ρ為密度，g/mm3；ω為轉(zhuǎn)速，r/min；r為徑向位置，mm。由式(1)可知，離心液壓與碟片間流場(chǎng)的徑向位置成正比，與軸向位置無(wú)關(guān)，選取第3層碟片間流場(chǎng)壓力云圖作對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，流場(chǎng)內(nèi)壓力呈中心對(duì)稱(chēng)均勻分布，并且其值與徑向位置成正比，由內(nèi)向外逐步增大。模擬得到徑向型筋條的碟片間兩相流場(chǎng)在徑向位置最大處(碟片大端)的壓力最大值為1.46 MPa，在徑向位置最小處(碟片小端)的壓力最小值為0.12 MPa；螺旋型筋條的碟片間兩相流場(chǎng)在徑向位置最大處(碟片大端)的壓力最大值為 1.49 MPa，在徑向位置最小處(碟片小端)的壓力最小值為0.12 MPa。

圖5為碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)的離心液壓理論值和模擬值。由圖5可知，模擬值與理論值相差約8%，表明研究結(jié)果具有較好的可靠性。模擬結(jié)果表明，徑向型筋條與螺旋型筋條在碟片間兩相流場(chǎng)中的壓力分布規(guī)律基本一致，但與離心液壓理論值相比要小。這是因?yàn)榱黧w靠近碟片表面流層的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于碟片轉(zhuǎn)速具有滯后性，碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)的轉(zhuǎn)速(ω)比離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速小，因此碟式離心機(jī)碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)離心液壓理論值一般大于實(shí)際流場(chǎng)。模擬研究還發(fā)現(xiàn)，新型螺旋型筋條與徑向型筋條的碟片間兩相流場(chǎng)壓力相比，更接近于離心液壓理論值，這說(shuō)明新型螺旋型筋條能夠較好地改善碟片間兩相流場(chǎng)的滯后性。

圖4 碟片間兩相流場(chǎng)壓力對(duì)比云圖Fig.4 Comparison of cloud charts of disc pressure between the two phase flow fields(a) Radial rib; (b) Spiral rib

圖5 離心液壓理論值和模擬值Fig.5 Centrifugal hydraulic theoretical and analog values

2.2 速度場(chǎng)

物料在碟式離心機(jī)的碟片間兩相流場(chǎng)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其離心力的大小與轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速成正比，碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)物料相對(duì)周向速度(v，m/s)的理論計(jì)算

公式為[20]：

(2)

式(2)中λ為無(wú)因次數(shù)；q為流量，m3/s；r為徑向位置，m；h為碟片間隙，m。

由式(2)可知，碟片間流場(chǎng)周向速度與碟片軸向位置無(wú)關(guān)，取第3層碟片間流場(chǎng)周向速度云圖作對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)速度呈中心對(duì)稱(chēng)均勻分布，并且由內(nèi)向外逐步增大。模擬得到徑向型筋條的碟片間兩相流場(chǎng)在徑向位置最大處(碟片大端)的速度最大值為62.2 m/s，在徑向位置最小處(碟片小端)的速度最小值為 24.5 m/s；螺旋型筋條的碟片間兩相流場(chǎng)在徑向位置最大處(碟片大端)的速度最大值為 62.2 m/s，在徑向位置最小處(碟片小端)的速度最小值為23.2 m/s。

圖6 碟片間周向速度云圖Fig.6 Peripheral speed between disc clouds(a) Radial rib; (b) Spiral rib

圖7是周向速度理論值(即碟片的周向速度)和模擬值。在碟片徑向位置60 mm處物料的周向速度理論值為47.124 m/s，模擬值與理論值相差約1%，得以判斷流場(chǎng)模擬具有較好的可靠性。模擬結(jié)果表明，徑向型筋條與螺旋型筋條在碟片間兩相流場(chǎng)中的周向速度分布規(guī)律基本一致，速度分布和一般的拋物線類(lèi)似。由圖7可知，螺旋型筋條的周向速度更接近于理論值，且近壁處達(dá)到最小值，碟片間隙中間區(qū)域達(dá)到最大值。這是因?yàn)楫?dāng)液流的無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)λ值大時(shí)，碟片間液流分成兩層近壁處的液流，液體質(zhì)點(diǎn)周向速度由近壁面向著碟片間隙的中心增加，在間隙中心處周向速度約為母線方向平均速度的λ-1 倍[21]，使碟片間隙內(nèi)液流速度分布類(lèi)似于一般的拋物線。

圖7 周向速度隨軸向位置變化的模擬值與理論值Fig.7 Analogue and theoretical values of circumferentialvelocity at different axial positions

2.3 兩相分布

圖8為第3層碟片間水相體積分?jǐn)?shù)(φw)分布云圖。由圖8可知，在中性進(jìn)料孔定距筋條附近有水相濃集現(xiàn)象。這是因?yàn)楫?dāng)物料由中性進(jìn)料孔進(jìn)入碟片間后，隨著碟片旋轉(zhuǎn)做離心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而物料在碟片間的周向速度大，導(dǎo)致水相無(wú)法在中性進(jìn)料孔及定距筋條附近流場(chǎng)區(qū)域均勻擴(kuò)散，從而引起在中性進(jìn)料孔附近區(qū)域水相體積分?jǐn)?shù)偏高的現(xiàn)象。由圖8還可知，帶螺旋型筋條的碟片間，水相分布較為均勻，說(shuō)明螺旋型筋條能夠較好地改善碟片間水相分布的不均勻性。

圖8 碟片間兩相流場(chǎng)水相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.8 Volume fraction distribution cloud diagram of the two-phase flow field between discs(a) Radial rib; (b) Spiral rib

圖9為x=0截面上各層碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。由圖9可知，碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律基本一致，碟片下表面水相體積分?jǐn)?shù)高且與碟片徑向位置呈正比。這是因?yàn)槲锪显诘诫x心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)做離心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水相受離心力的作用集中分布在碟片下表面，油相相對(duì)于水相流往碟片上端口，因此碟片間兩相體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律較為明顯。但各層碟片間的水相體積分?jǐn)?shù)不一，由圖9可知，入料方向的第1層碟片間水相體積分?jǐn)?shù)最高，因此對(duì)5層碟片中性進(jìn)料孔做x=0的截面，即碟片進(jìn)料孔及周邊流動(dòng)區(qū)域的水相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖10所示。由圖10可知，各層碟片間的水相體積分?jǐn)?shù)不一，第1層與最后1層附近水相體積分?jǐn)?shù)最高，中間層較少；水相體積分?jǐn)?shù)自下往上遞增，最上層的水相體積分?jǐn)?shù)最高，油相體積分?jǐn)?shù)最低。

圖9 x=0截面上各層水相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.9 Distribution of volume fraction of water phase ineach layer at x=0 cross section

圖10 進(jìn)料孔及周邊區(qū)域的水相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.10 Distribution curve of volume distribution ofwater phase in the feed hole and surrounding area

3 碟式離心機(jī)的分離性能分析

圖11為各層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)。由圖11 可知，各層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)分布不均，第1層與最后1層碟片間兩相的水滴體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較大，徑向型筋條在最后1層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)最大，可達(dá)1.87×10-4；螺旋型筋條在第1層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)最大，可達(dá)9.54×10-5。中間各層相對(duì)較小且分布不均，徑向型筋條在第4層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)最小，為5.11×10-5；螺旋型筋條在第4層碟片間兩相中水相體積分?jǐn)?shù)最小，為2.11×10-5。模擬結(jié)果表明，新型螺旋型筋條的各層碟片間水相體積分?jǐn)?shù)，比徑向型筋條要更小且分布更均勻，說(shuō)明新型螺旋型筋條能夠較好地改善各層碟片間兩相的均勻性且水相體積分?jǐn)?shù)更低，能夠有效地提高碟式離心機(jī)的分離性能。

圖11 各層碟片間水相體積分?jǐn)?shù)Fig.11 Volume fraction of water between discs in each layer

4 結(jié) 論

(1)徑向型筋條與螺旋型筋條在碟片間兩相流場(chǎng)中的壓力分布規(guī)律基本一致，壓力值由碟片內(nèi)端向外端逐步增大，模擬值與離心液壓理論值相比要小，但很接近，說(shuō)明模擬的可靠性較好。

(2)流體靠近碟片表面的流層運(yùn)動(dòng)相對(duì)于碟片轉(zhuǎn)速具有滯后性，螺旋型筋條能夠較好地改善碟片間流動(dòng)的滯后性。

(3)同一徑向位置上，液流的周向速度在平行于轉(zhuǎn)軸的面內(nèi)呈拋物線分布，近壁處達(dá)到最小值且貼近理論值，而在中間區(qū)域達(dá)到最大值。

(4)在碟片間兩相流場(chǎng)內(nèi)，螺旋型筋條比徑向型筋條的周向速度要更貼近于理論值，螺旋型筋條能夠較好地減小湍流，改善碟片間兩相流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

(5)碟片間兩相中水相的體積分?jǐn)?shù)分布不均，其在中性進(jìn)料孔、定距筋條附近較高，螺旋型筋條能夠較好地改善碟片間水相體積分?jǐn)?shù)分布的不均勻性。

(6)各層碟片間的水相體積分?jǐn)?shù)不一致，第1層與最后1層碟片間的水相體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較大，中間各層相對(duì)較小且分布不均。螺旋型筋條能夠較好地改善各層碟片間兩相均勻性且水相體積分?jǐn)?shù)更低，能夠有效地提高碟式離心機(jī)的分離性能。