水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟

http://www.paper.edu.cn水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟黄思华南理工大学工业装备与控制工程学院摘要摘要本文使用FLUENT软件中的多相流欧拉分析方法结合雷诺应力湍流模型实现了水力旋流器内油水分离过程的三维数值模拟并预测其分离效率。该模拟适用于分散相的体积率超过10%、湍流具有各向异性结构的一般广义情形。模拟展示了油水两相由开始的均相来流如何在旋流器内逐渐分离、聚合、迁移的过程。本文对旋流器分离性能的预测得到了实测结果的验证。[关键词][关键词]旋流分离器、三维数值模拟、油水分离、FLUENT一、前言旋流式油水分离作为八十年代末出现的一项新技术，已广泛应用于石油（原油脱水、含油污水处理）、化工及环保等部门。与其它分离设备相比，旋流分离器具有结构紧凑、体积小、重量轻、分离效率高、无运动部件、使用寿命长等特点。如图1所示，油水混合液切向高速进入旋流器后，重相介质（水）受离心作用移向边壁并由底流口排除；轻相介质（油）则向轴心聚集并由顶部的溢流口排出完成油水分离过程。实现旋流器油水分离的数值模拟对于产品的优化设计、提高分离性能具有重要意义。二、理论计算方法2．1多相湍流模型多相流分析中有拉格朗日和欧拉两种方法。拉格朗日法将流体主相视为连续相并求解其Navier-Stokes方程，而分散相需要通过计算大量的粒子、气泡或液滴的轨迹运动得到，其基本假设要求分散相的体积率低于10％。欧拉方法作为多相流研究中通用的但也是较复杂的方法，将不同的流体相视为互相贯穿的连续介质，服从总的及各相的守恒方程。欧拉法适合于流动中有相混合或分离，分散相体积率可超过10%的情形。另一方面，水力旋流器内流动属强旋湍流，湍流结构具有明显的各向异性性质[1-2]。现有的湍流模型中只有雷诺应力（RSM）和大涡模拟（LES）两种模型可以解决湍流各向异性的问题，但这两种模型对计算时间及硬件配置有较高要求。为满足来流条件有较大变化的现场使用要求，作者在FLUENT软件使用中，选择通用性较好的欧拉方法结合雷诺应力湍流模型。因篇幅关系，具体模型及处理方法可参见[3-4]。三、模拟实例与计算前处理3、1分离器的几何参数选取如图2所示的双锥型油水旋流分离器[5]作为计算实例，它的主要几何数据见表1。来料入口为双进口设计。http://www.paper.edu.cn图2油水旋流分离器示意图表1油水旋流分离器几何参数nDD1L3LsA※αβoDuD30mm2nD3nD21nD2016.0nDπ20o0.67o0.14nD0.5nD※注：为混合液入口处的总过流面积。sA3、2介质物性参数及操作参数分离介质物性参数及操作参数见表2。表2：分离介质物性及旋流器操作参数液相流量Q(m3/h)分流比F（%）入口体积率α（%）密度ρ（kg/m3）粘度μ(kg/m-s)水709980.001003油2.010308900.00332旋流分离器来流分散相颗粒的粒径分布取自文献[5]，见图3。051015202530131620253140506380100129粒径(μm)体积份额（%）图3旋流器来流分散相的粒径分布3．3计算区域、网格的生成及边界条件处理使用FLUENT中的前处理程序Gambit生成计算几何体，再进行网格划分，得到如图4所示的六面体网格单元。在FLUENT计算中，边界条件采取如下设置：1）进口边界条件：按表2的工况流量、各相体积率输入；入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度2http://www.paper.edu.cn给定（5%）。2）出口边界条件：结合表2的分流比要求，选取流动充分发展条件。3）壁面条件：流动边界采用无滑移固壁条件，并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动。图4使用Gambit生成的三维计算网格四、计算结果及分析4．1旋流分离器内流场图5—7给出已趋近稳态的旋流分离器内流场的主要计算结果（分流比10%，来流油相体积率30%，油相的粒径分布如图3，下同）。图5是分离器轴截面上油水混合液流线形状。由图5可见，混合液在圆柱至圆锥段形成了三个较大的旋涡，其中主旋涡中心位于小锥度段。旋流管中心的回流区（即轴向流速为负的区域）延伸到接近尾管出口的位置。图5旋流器轴截面混合液流线（图形纵横比：）1:10图6、图7分别给出了混合液的切向速度和静压分布。图6的混合液切向速度峰值出现在旋流管中心附近，这结果与实测的结论是一致的。图7显示出混合液在轴向、径向都有明显的压差存在。由图7可清楚地解释旋流器分离的机理：轴向压差是驱动重相流体（水）沿固壁面流向尾管出口的动力；而径向压差则驱使轻相流体（油）向旋流管中心聚积；聚集的轻相流体随后在管内与顶部溢流口之间的轴向压差的驱动下向溢流口方向移动并溢出。3http://www.paper