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        旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響分析

        2021-10-28 08:47:10蘭雅梅張婷婷王世明宋秋紅
        化工機(jī)械 2021年5期
        關(guān)鍵詞:效率

        蘭雅梅 張婷婷 王世明 宋秋紅

        (上海海洋大學(xué)工程學(xué)院)

        旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、分離效率高及處理范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1],廣泛應(yīng)用于石油化工、煤礦及污水處理等行業(yè)。 何兆勛通過實(shí)驗(yàn)分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對柱狀旋流器最佳脫水率和壓降性能的影響[2]。 王勝等運(yùn)用數(shù)值試驗(yàn)的方法對影響軸流式旋流油水分離器性能的因素進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,油相粒徑對分離器性能的影響最大[3]。 羅小明等通過實(shí)驗(yàn)對軸流式氣液旋流器進(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在低氣速下減小導(dǎo)流葉片出口角、增大中心體直徑、減小排氣管直徑均能夠提高分離效率[4]。 石小敏等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),底流口直徑、溢流管插入深度、溢流口直徑和給料壓力都對水力旋流器的分離精度有顯著影響[5]。 楊子渝和張力采用正交試驗(yàn)法對泥沙分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,并運(yùn)用Fluent 軟件進(jìn)行了模擬分析,得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[6]。在此, 筆者主要側(cè)重于小顆粒分離的固-液 (砂和水)水力旋流,分析旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能(分離效率和壓降)的影響。

        1 旋流器結(jié)構(gòu)及其參數(shù)

        旋流器的主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[7],其中進(jìn)料入口為矩形入口。

        圖1 旋流器結(jié)構(gòu)示意圖

        旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:

        旋流器直徑D 60.0 mm

        入口寬度a 16 mm

        入口高度b 10 mm

        溢流管直徑D018.0 mm

        溢流管插入深度h 24 mm

        旋流器高度H 60 mm

        錐角θ 10°

        底流口直徑Du10.8 mm

        2 旋流器數(shù)值模擬分析

        2.1 內(nèi)流場

        CFD 是研究旋流器內(nèi)部流場的重要方法,通過CFD 技術(shù)可以對旋轉(zhuǎn)器的實(shí)際工況進(jìn)行模擬,觀察內(nèi)部流場情況、研究速度分布規(guī)律繼而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8,9]。

        首先利用SolidWorks 軟件以z 軸為旋流器的中心軸建立其三維模型, 如圖2 所示。 在Gambit中設(shè)置網(wǎng)格,將旋流器劃分為圓柱體部分、圓錐體部分、入口管道部分和溢流管部分,對不同部分采用合適的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。 進(jìn)料入口處為速度入口邊界條件,速度為5 m/s;溢流口、底流口均設(shè)置為outflow 邊界條件;壁面為無滑移邊界條件。

        圖2 旋流器三維模型

        在Fluent 中進(jìn)行求解時,采用SIMPLE 算法、RNG k-ε 湍流模型和二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散。模擬參數(shù)具體設(shè)置為:水相密度998 kg/m3,黏度1.003 mPa·s, 泥沙密度2 610 kg/m3。 通過求解,獲得其后處理結(jié)果。

        旋流器中的切向速度能夠產(chǎn)生離心力,因此,獲得切向速度的分布規(guī)律是研究旋流器內(nèi)流場最重要的環(huán)節(jié)之一[10]。 圖3 為x=0 橫截面處切向速度和軸向速度的分布云圖。 由圖3a 可知,切向速度整體分布具有一定的對稱性,且入口處的切向速度最大。 從圓柱段和大錐段的速度分布可以看出,旋流器壁面附近的切向速度較小,向中心軸線方向靠近的過程中, 其值先增大后減小,符合旋流器切向速度分布的典型特征。 由于能量損失,在旋流器壁面處切向速度為0。與切向速度不同,軸向速度能夠決定流體介質(zhì)在溢流和底流中的分配情況[11]。 由圖3b 可知,旋流器中存在著向上的內(nèi)旋流, 在溢流口處軸向速度達(dá)到最大值。 旋流器器壁周圍的流體向底流口流動,形成外旋流,且越接近底流口速度越大。

        圖3 x=0 橫截面處切向速度和軸向速度的分布云圖

        相比切向速度和軸向速度, 徑向速度較小,實(shí)際測量困難。 圖4 是L 為60、120、240、320 mm處的徑向速度分布(L 為距離旋流器圓柱段上端面的位置)。

        圖4 徑向速度分布

        由圖4 可知, 徑向速度相對原點(diǎn)對稱分布,在旋流器中心區(qū)域速度梯度較大,在旋流器器壁處徑向速度為0, 徑向速度最大值在旋流器中心軸線附近。

        2.2 離散相顆粒軌跡

        在Fluent 中總排量設(shè)置為0.05 L/s, 設(shè)置3組噴射源顆粒,直徑分別為5、30、60 μm。 顆粒運(yùn)動軌跡如圖5 所示。

        圖5 顆粒運(yùn)動軌跡

        在旋流器(錐角為10°)中總共追蹤到320 個5 μm 噴射源顆粒, 其中有40 個隨溢流口流體一起逃出(未被分離),其余280 個被成功除去。 對于30、60 μm 的顆粒, 進(jìn)入旋流器的顆粒數(shù)為320個,逃出顆粒數(shù)為0 個,所有顆粒都被成功除去??梢妼τ谳^大顆粒的雜質(zhì), 旋流器的除雜效果是很好的, 效率也高, 但是對于顆粒較小的塵土砂粒,旋流器并不能完全除去。 旋流器的分離效率計(jì)算式為:

        式中 c1——進(jìn)入旋流器的顆粒總數(shù);

        c2——逃出旋流器的顆粒數(shù);

        η——分離效率。

        3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流器性能的影響

        3.1 錐角

        對于錐角為15°的旋流器, 內(nèi)部離散相同樣設(shè)置直徑為5、30、60 μm 的顆粒。對于5 μm 的顆粒,有79 個粒子逃出,被分離的顆粒為161 個,而30、60 μm 的兩組顆粒均被全部除去。

        以錐角10°為基礎(chǔ),分別增大、減小2°,研究旋流器的分離效率。 對于5 μm 的顆粒, 進(jìn)入8、12°的旋流器內(nèi)流場的顆??倲?shù)均為240 個,逃出的顆粒數(shù)分別為52、82 個,由此可以計(jì)算得出兩者的分離效率分別為78.33%、65.83%。

        不同錐角旋流器的分離效率見表1。 由表1可知,相比錐角為10°的旋流器,錐角為8°的旋流器分離效率減小了約10%, 錐角為12°的旋流器分離效率減小了20%。 可見,對于3 種直徑的離散相顆粒,錐角為10°的旋流器分離效果最佳。

        表1 不同錐角旋流器的分離效率

        3.2 溢流管插入深度

        根據(jù)溢流管插入深度經(jīng)驗(yàn)公式[12],其值應(yīng)在19.8~30.0 mm 之間。 若溢流管插入深度過短,會導(dǎo)致從入口流入的流體直接從出口流出; 過長,則會導(dǎo)致從入口流入的流體在旋流器的頂部形成大小不同的、不規(guī)則流動的渦旋,無法分離流體中的固相雜質(zhì)。 故筆者選取溢流管插入深度h分別為20、24、28 mm 的旋流器建立模型,計(jì)算分離效率(表2)。由表2 可以看出,h=24 mm 時旋流器的分離效率最大,為87.50%。

        表2 不同溢流管插入深度旋流器的分離效率

        3.3 入口尺寸

        旋流器入口尺寸會影響流量、 處理量等因素,從而間接影響旋流器的分離效率和內(nèi)流場的壓力。 筆者選取4 組入口尺寸(高度×寬度分別為10 mm×16 mm、10 mm×21 mm、12 mm×16 mm、12 mm×19 mm)的旋流器進(jìn)行模擬分析,計(jì)算得到分離效率(表3)。由表3 可知,對于大直徑顆粒,4組入口尺寸的旋流器的分離效率是一致的,都為100%分離無殘留;對于5 μm 的小顆粒,當(dāng)入口尺寸為10 mm×21 mm、12 mm×19 mm 時, 分離效率都超過了90%。 可見,在合理范圍內(nèi)時,較大入口尺寸的旋流器分離效率更優(yōu)。

        表3 不同入口尺寸旋流器的分離效率

        除分離效率外, 壓降是需要考慮的另一項(xiàng)重要指標(biāo),壓降能直觀反映旋流器的能量損耗,在分離效率相同的情況下, 一般壓降更小的旋流器其表現(xiàn)效果更好。 由表3 可知,入口尺寸為10 mm×21 mm 和12 mm×19 mm 的分離器分離效率較高,為此對比兩者的壓降情況(圖6)。 由圖6 可以看出,前者入口處的平均壓力為120.14 Pa,出口處的平均壓力為10.19 Pa,壓降為109.95 Pa;后者入口處的平均壓力為134.76 Pa,出口處的平均壓力為11.83 Pa,壓降為122.93 Pa;后者壓降大于前者。 因此,綜合對比分離效率和壓降后可知,入口尺寸為10 mm×21 mm 的旋流器性能較優(yōu)。

        圖6 不同入口尺寸旋流器的壓力分布

        將上述模擬得到的最佳參數(shù)與初始的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比,結(jié)果見表4。 由表4 可知,最佳參數(shù)旋流器的分離效率比設(shè)計(jì)參數(shù)的高10.71%,因此具有更好的分離效果。

        表4 性能參數(shù)對比

        4 結(jié)論

        4.1 選用離散相模型對不同直徑的泥沙顆粒進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn), 直徑為30、60 μm 的顆粒都可以100%被旋流器分離,而直徑為5 μm 的顆粒不能完全被分離,分離效率在87.50%左右。

        4.2 保持其他參數(shù)不變,改變旋流器錐角,對比分析了8、10、12、15°旋流器的分離效率, 結(jié)果表明,錐角為10°的旋流器分離效果最佳。

        4.3 對比分析溢流管插入深度分別為20、24、28 mm 的旋流器分離效率,其值先增大后減小,插入深度為24 mm 的旋流器分離效果最佳。

        4.4 在10 mm×16 mm、10 mm×21 mm、12 mm×16 mm、12 mm×19 mm 這4 組入口尺寸中, 入口尺寸為10 mm×21 mm 的旋流器分離效率高達(dá)98.21%,且壓降(能量損耗)較低,是分離效果最佳的旋流器。

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