单锥旋流器分离过程的三维数值模拟_黄思

第24卷第4期Vol124,No14西华大学学报#自然科学版JournalofXihuaUniversity#NaturalScience2005年7月Jul12005文章编号:1673-159X(2005)04-0043-03收稿日期:2005-04-21作者简介:黄思(1962-),男,广西省南宁市人,华南理工大学工业装备与控制工程学院副教授,博士,主要从事流体机械流动理论研究。单锥旋流器分离过程的三维数值模拟黄思1,周先华2(11华南理工大学工业装备与控制工程学院,广东广州510641;21上海东方泵业集团公司,上海200060)摘要: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,实现单锥型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。该模拟可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单锥旋流器内逐渐分离、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:旋流分离器;油水分离;三维两相流;FLUENT中图分类号:TQ05118+4;TV13116文献标识码:A3-DNumericalSimulationforOi-lwaterSeparationand2-phaseTurbulentFlowinaSingle-coneHydrocycloneHUANGSi,ZHOUXian-hua(1.DepartmentofIndustrialEquipmentandControlEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641China;2.ShanghaiOrientalPumpsCorporation,Shanghai200092China)Abstract:Athree-dimensionaloi-lwater2-phaseturbulentflowandseparationprocessinasingle-conehydrocycloneisnumericallysimulatedusingFLUENTsoftware.TheEulerianmodelofamultiphaseflowandReynolds-stressturbulencemodelarebothappliedtothissimulationforgeneralapplications,concerningwithphaseswithvolumetricratioover10%andanisotropicturbulentflowdominatedbyswirlinginthehydrocyclone.Itiswellshowninthesimulationthathowseparation,aggregationandshiftofoilandwaterproceedinasingle-conehydrocyclone.Thecurrentsimulationisverifiedbycomparingpredictedandmeasuredseparationefficiencyofthehydrocyclone.Keywords:hydrocyclonenumericalsimulation;oi-lwaterseparation;3-D2-phaseflow;FLUENT0引言旋流式油水分离作为80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,单锥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。实现单锥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。图1水力旋流器工作原理1多相湍流模型理论计算方法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%。欧拉方法是多相流研究中通用但较复杂的方法,它是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。此外,单锥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