趙慶鑫，劉愛玲，于佳龍，孔明輝，支 涵

（遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

機油廣泛應用于各種機械設備的發(fā)動機中，主要起到潤滑、冷卻、密封、減震等作用，被譽為“發(fā)動機的生命液”。當機油使用過一段時間后，會累積金屬雜質(zhì)、灰塵等有害物質(zhì)，降低機油的使用性能。如果不及時更換廢機油將影響機械設備的使用壽命，而更換后的廢機油成為廢棄物。如果對廢機油進行焚燒或遺棄處理，將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響，不利于可持續(xù)發(fā)展。目前，我國的廢機油回收利用率僅為20%［1］，如何對廢機油進行高效的回收和科學的利用顯得非常重要。

由于廢機油的成分較為復雜，通常采用吸附、蒸餾及其他精制手段去除廢機油中的變質(zhì)組分，并加入適量的添加劑，使其達到新油的標準。在進行精制處理前，需要對廢機油進行預處理，脫去水分及機械雜質(zhì)［1］。

管式離心機是一種高轉(zhuǎn)速、高分離因數(shù)的分離設備，通常適用于各種難分離的乳濁液和懸浮液，特別適用于濃度低、粘度大、固相顆粒細、固液比重差較小的固液分離。其轉(zhuǎn)數(shù)可高達10 000～30 000 r/min，分離因數(shù)可高達10 000～30 000，在石油化工、生物制藥、污水處理等行業(yè)應用非常廣泛［2］。管式離心機為高速旋轉(zhuǎn)密閉設備，其內(nèi)部流場較復雜，無法精確測量，理論研究較少。目前國內(nèi)對管式離心機流場分析多采用數(shù)值模擬的方法。趙春波等［3］利用湍流模型對管式離心機固液兩相流場進行二維數(shù)值模擬，獲得管式離心機內(nèi)部不同截面的速度分布。呂寧［4］采用流體體積（Volume fluent model，VOF）模型對臥螺離心機進行數(shù)值模擬。VOF模型在湍流模型的基礎上，使用體積分量中急劇變化的點來確定分界面的位置，不再需要速度場、壓力場等流場特性來間接分析多相流的分層情況［5］。Mei等［6］采用VOF和離散相（Discrete phase model，DPM）模型對橫向氣流中霧化過程和射流破碎形態(tài)進行模擬，獲得霧化后油滴的運動軌跡。這種多模型結(jié)合的模擬方法，可以更直觀地觀察到顆粒的運動過程。

本文利用ANSYS Fluent軟件對GF105管式離心機廢機油的分離過程進行三維數(shù)值模擬分析，利用VOF模型分析轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流體分布情況，并用DPM模型追蹤固體雜質(zhì)的運動軌跡，探討廢機油在管式離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場特性和固體雜質(zhì)的運動特性。

1 管式離心機轉(zhuǎn)鼓分離過程的數(shù)學模型

1.1 VOF模型

VOF模型是一種追蹤多種互不相容的流體的交界面的方法［7］。該模型的動量方程為

式中：ρ為機油密度，kg/m3；v→為速度矢量，m/s；p為廢機油壓力，MPa；μ為廢機油動力黏度，N·s/m2。

假設廢機油中只有機油和固體雜質(zhì)，則

式中：α為廢機油體積分數(shù)；下角標p和l分別表示固體雜質(zhì)相和機油液體相［8］。

模型的連續(xù)性方程和體積分數(shù)方程分別為

通過求解VOF模型，用體積分數(shù)代替速度場和壓力場描述管式離心機的流場。

1.2 DPM模型

DPM模型通過求解離散相顆粒的運動方程計算顆粒的運動軌跡。在廢機油的分離過程中，可將其內(nèi)部雜質(zhì)視為離散相顆粒。由于顆粒的慣性與受力平衡，得到離散相運動方程

式中：mp為固體雜質(zhì)的質(zhì)量，kg；等號右邊第一項為顆粒所受到的流體曳力；第二項表示顆粒的重力與浮力的合力；Fx為顆粒其他力的合力［9-10］。其中

式中：dp為廢機油中顆粒度直徑，m；cD為曳力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)，在不同雷諾數(shù)的范圍內(nèi)，曳力系數(shù)有不同的取值［11］。

2 管式離心機轉(zhuǎn)鼓模型

2.1 管式離心機轉(zhuǎn)鼓的物理模型

圖1a為GF105管式離心機轉(zhuǎn)鼓幾何模型。轉(zhuǎn)鼓組件主要由入料口、布料錐、三翼板、分離頭組成，其幾何尺寸見表1。圖1b為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部三翼板結(jié)構示意圖。轉(zhuǎn)鼓運轉(zhuǎn)時物料從入料口進入到轉(zhuǎn)鼓中，在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)作用下會產(chǎn)生離心力，使物料分層。其中液體受入口速度的影響，會運動到轉(zhuǎn)鼓頂部，通過分離頭排出，而固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部。

表1 GF105管式離心機轉(zhuǎn)鼓幾何尺寸Tab.1 Geometric dimensions of GF105 tubular centrifuge drum

對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流體域進行抽取得到流體域模型，并導入到ANSYS Mesh軟件中進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格元素大小為默認設置，過渡比為0.272，最大層數(shù)為5層，增長率為1.2，經(jīng)軟件校核網(wǎng)格劃分合格，劃分結(jié)果如圖1c所示。

2.2 邊界條件

物料在入料口采用壓力進口邊界，根據(jù)表1中參數(shù)設置入口壓力為0.06 MPa。出口為壓力出口，壓力值為默認值。所有壁面都為無滑移，相對于相鄰單元區(qū)域靜止壁面和默認粗糙度。單元區(qū)域條件設置以z軸為旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)速分別為10 000 r/min和30 000 r/min，重力方向為z方向。

2.3 物料參數(shù)

以美孚1號0W-20機油為研究對象，40℃粘度為45 mm2/s，15.6℃的密度為861 kg/m3，固相顆粒設置為碳，顆粒設置為5～25 μm，粒徑取5 μm、10 μm、25 μm［12］，從入料口以10 m/s的速度流入管式離心機。

3 管式離心機轉(zhuǎn)鼓分離過程模擬結(jié)果分析

3.1 流場模擬

忽略溫度對密度的影響，在管式離心機轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時，機油的體積分布如圖2a所示。選擇距入料口100、200、400，600、800 mm五個截面進行分析。在100 mm處，廢機油從入料口流進轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，沖刷到三翼板前端的布料錐，機油繞軸作高速旋轉(zhuǎn)運動，在轉(zhuǎn)鼓底部形成小的漩渦。在200 mm處，機油開始呈現(xiàn)弧形凸起狀分層，說明離心力開始發(fā)揮作用，固液開始分離。在400 mm和600 mm處，機油分層逐漸清晰，集中分布在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁最外側(cè)，說明分離過程逐漸完成。在800 mm處，分離后的機油匯聚在一起從分離頭排出。

當轉(zhuǎn)速達到30 000 r/min時，機油的體積分布如圖2b所示。機油體積分布規(guī)律與10 000 r/min時基本一致。兩組模擬結(jié)果表明VOF模型與湍流模型［9］的固液分離規(guī)律相同，說明本次模擬結(jié)果基本正確。

表2為不同截面及轉(zhuǎn)速的廢機油體積分數(shù)計算結(jié)果。隨著截面高度的增加，廢機油體積分數(shù)總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明固液兩相逐漸被分離。在400～700 mm處，機油體積分數(shù)會開始出現(xiàn)波動，說明固液兩相分離仍在繼續(xù)，但受到分離頭出口位置的影響，分離完成的機油會在轉(zhuǎn)鼓頂部堆積等待排出。當轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時，經(jīng)分離頭排出的機油體積分數(shù)為0.556 1，低于10 000 r/min的0.563 2。

表2 不同截面轉(zhuǎn)速對機油體積分數(shù)的影響Tab.2 Effects of rotating speed at different sections on oil volume percentage

3.2 顆粒運動軌跡分析

10 000 r/min時不同直徑固體顆粒運動軌跡如圖3a所示。固體顆粒的運動軌跡主要有三種：第一種是剛進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的5～25 μm固體顆粒受離心力影響較大，在轉(zhuǎn)鼓200 mm以下繞布料錐做規(guī)則的環(huán)向旋轉(zhuǎn)運動。當設備停止后顆粒會沉積在轉(zhuǎn)鼓底部。第二種是部分（5～25 μm）顆粒受到離心力和入液速度的共同影響，在轉(zhuǎn)鼓200～750 mm繞三翼板做軸向旋轉(zhuǎn)運動。當設備停止后顆粒會一部分沉積到轉(zhuǎn)鼓底部，一部分附著到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面。由于顆粒軌跡運動復雜，所以在400～700 mm處機油體積分數(shù)會開始出現(xiàn)波動。第三種是少量5 μm顆粒運動到超過800 mm高度，殘留在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙里，或隨分離后的液體排出。這說明轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時，對5 μm的小顆粒分離效果較差。

30 000 r/min時固體顆粒軌跡如圖3b所示。與10 000 r/min固體顆粒的運動軌跡相比，第一種軌跡的顆粒數(shù)量明顯增加，第二種軌跡的顆粒數(shù)量明顯減少，且沒有第三種軌跡。這說明當轉(zhuǎn)速為30 000 r/min時，沒有顆粒從出料口排出，固液兩相分離更徹底。因此，30 000 r/min時分離后的機油體積分數(shù)低于10 000 r/min時的機油體積分數(shù)。

采用DPM模型追蹤固相顆粒運動軌跡，可以更直觀的展現(xiàn)固液分離效果。對于小粒徑的固相顆粒應選則高轉(zhuǎn)速，以便滿足固液分離要求。

4 可清潔內(nèi)壁殘留物的轉(zhuǎn)鼓組件的設計

當轉(zhuǎn)速低時，設備停止后會有小粒徑的固體顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙中，依靠人工手動除渣并不方便，因而設計一種可清潔內(nèi)壁殘留物的管式離心機轉(zhuǎn)鼓組件，可以減少人力，提高勞動效率。

改進后的轉(zhuǎn)鼓組件如圖4所示。分離頭上端設計可拆卸的注液轉(zhuǎn)接頭，由螺紋接頭和注液管組成，分離頭內(nèi)部和三翼板布料錐的錐桿內(nèi)部設有通液管路，分離頭的底部圓周均布多個噴淋孔，噴淋孔與通液管路斜向連通。三翼板布料錐的底部設有兩個圓錐面，通液管路的底端連接多個噴淋孔。

清洗轉(zhuǎn)鼓時，將注液轉(zhuǎn)接頭與分離頭連接，將清潔液從注液管高壓注入通液管路，分離頭噴淋孔噴出液可沖刷分離頭組件和轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面上端，布料錐噴淋孔噴出液可沖刷轉(zhuǎn)鼓下端，清潔后的殘留物從轉(zhuǎn)鼓入料口排出。改進后的轉(zhuǎn)鼓組件可以更加高效地清潔轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，降低工人操作難度。

5 結(jié)論

采用VOF模型和DPM模型對管式離心機轉(zhuǎn)鼓進行三維數(shù)值模擬，分析管式離心機在不同轉(zhuǎn)速下廢機油固液兩相分離過程中流場的分布特性及固體顆粒運動軌跡。

（1）30 000 r/min分離后的機油體積分數(shù)為0.556 1，10 000 r/min分離后的機油體積分數(shù)為0.563 2。10 000 r/min時，有少量5 μm顆粒殘留在轉(zhuǎn)鼓頂部和分離頭的縫隙里，或隨分離后液體排出，說明30 000 r/min的固液分離效果要優(yōu)于

10 000 r/min。

（2）為了提高清潔轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁殘留物的工作效率，設計了一套可清潔內(nèi)壁殘留物的轉(zhuǎn)鼓組件，為廢機油回收再利用提供理論指導。