水力旋流器湍流特性研究

流体机械l3水力旋流器湍流特性研究’四川联合大学戴光清郭荣建明丁7多则对旋流器的工作有利有弊。研完成果对水力旋流器的馑化设计与运行具有指导意义。关键词垦苎，差．兰。固液两相流分离、，7卑龟抽／——～／I11’u1前言湍流是自然界和工程中普遍存在的一种流体运动现象，其基本特征是其随机运动的旋涡及由此引起的流速、压力、温度等的脉动。湍流的低频大旋涡与湍流条件密切相关，并决定着湍流的主要力学特性；而高频小尺度涡旋则通过流体的粘性，将湍流能量转换成热能后耗散掉，现代湍流理论还认为，湍流运动是随机无序与湍流拟序结构的统一体，湍流中存在着一种有序的相干结构(CoherentStructur)。由于在各种流动现象中，湍流远比层流更为普通．且湍流问题极为复杂，研究分析方法与其它流动问题的研究方法截然不同，散开展对湍流问题的专门研究对工程应用而言亦是极其重要和十分迫切的。实测表明，水力旋流器内的雷诺数高达10‘～lO，且在不对称的切向进料条件下，固液(或油水)两相流各自进行强烈湍流扩散并相互混掺是旋流器流场的一个重要物理现象，离心力与湍流扩散的共同作用又导致了固液分离的产生。这充分说明，水力旋流器内的湍流运动不容忽视。长期以来，人们在探讨水力旋流器的分离机理的过程中，逐步提出了四种分离理论；而通过大量的工业实践和实验室试验，特别是随着湍流理论·本文系国家自然科学基金资助项目部分内容．收稿日期fl996O7O2研究的深入，人们已开始注意到，湍流两相流分离理论(模型)较其它分离理论更符合水力旋流器的工作状况，了解和研究旋流器内的湍流现象及产生机制，对正确认识流体的运动规律和提高旋流器的分离(级)效率均有重要的现实意义。研究湍流运动规律及其对分离的影响，首先应该弄清旋流器内的湍流结构以及描述湍流特性的重要参数．湍流结构可包括三个部分：(1)湍流统计特征量．如脉动速度、雷诺切应力、概率密度分布、相关、功率谱等÷(2)湍动涡量分布。包含涡旋的特征尺度(形状和尺寸等)及其运动；(3)湍动涡的合并、破裂、快慢斑以及猝发等涡动特征。反映湍流特性的关键参数有。湍动能、雷诺切应力、含能涡体的特征尺度、湍动能量耗散率和涡体扩系数等。其中湍动能是两相湍流中最为重要的特征量。研究湍流结构，还可以了解液相和固相之间存在的能量交换关系，从而为弄清旋流器的分离机理和改善分离(级)性能提供重要依据。然而，在已有的关干水力旋流器湍流的研究文献中，却很少见有对其湍流结构进行全面和系统研究的报道．大多数的研究工作主要是利用湍流的某些特性，对速度分布进行修正；或在若干假设的条件下，得出湍流与分离的关系式或模式。这除了表明人们对水力旋流器内的湍流结构斯第卷b第④维普资讯http://www.cqvip.com14流体机械1996年l1月尚未有充分认识外，更主要还在于仍处于发展阶段的湍流理论运用到流态复杂的水力旋疏器中，就显得尤为困难；再加上受测试技术手段限制等原因，使得旋流器湍动两相流的研究具有很大难度。2水力旋流器湍流研究现状湍流对旋流器流速分布影响的研究，最早可追溯到Drlessen(1951)口的工作，他提出可根据湍动特性来修正切向速度分布。以后，Rj—etema口曾对怎样修正切向速度分布和湍流对切向速度公式中的指数n有何影响作过详细的探讨}他建议用无因次修正系数对n进行修正}一V，R／o,(1)式中——径向速度R——旋流器半径——湍流粘度，根据Kelsall实测的切向分布得出WilliamC'1在对水力旋流器流动现象的综述中表明，由于强湍流的作用，旋流器中的任何流动分量都将被有力地混合(如同在搅拌槽中一样)，高湍流强度使得轴向和径向速度的实测远比切向速度困难。并指出，水力旋流器中的湍动尺度可以选到涡环宽度的l／3，故涡以及核心流动必属于大尺度强湍流的范畴。实测研究也发现[s]，在高湍流或相对大的涡旋尺度条件下，在J'l’旋流中的切向速度将趋于均匀分布，或切向速度随半径的减小而降低。Rielema的研究还表明，湍动的固粒具有降低速度梯度和平滑径向压力分布的作用，即可增加过流能力。B1oor和Tn．ghamIs~提出了一个基于Prandtl混渗长度理论的单相沆粘性湍流数学模型，他们认为径向速度分布并非常量，且湍动粘性与主流的应变有关，由此导出了在旋流器中不同位置(高度)沿径向的涡粘性分布。Duggins和Frith口根据旋流器的湍流各向异性特征，尝试对单相流^一e湍流数学模型作了修正并给出了切向时均速度的计算结果。Rietema还研究了湍流对分离的影响，他在湍流与径向位置无关的假设条件下，导出了湍流对粒子分离影响的数学表达式，但却忽略了湍流扩散的影响。随后，Neese口等人专门考查了湍流扩散问题}指出，较大的径向湍流有可能使沉到器壁的颗粒又向中心扩散，对离心沉降起干扰作用。文献[5]