（化工过程机械专业论文）关于静态水力旋流分离器的理论研究及仿真.pdf

at h e s i si nm a c h i n e r yo fc h e m i c a lp r o c e s s t h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o no f h y d r o c y c l o n es e p a r a t o r b yl ib i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g b i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 屯 思。 学位论文作者签名：李默 日 期：上口口f 7 。f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年一 学位论文作者签名：堙从 签字日期：力护口罗7 f 翩虢缴斌 签字日期： q 1 、 东北犬学硕士学位论文 摘要 关于静态水力旋流分离器的理论研究及仿真 摘要 本文是以水力旋流分离器为基础，以改进为目的而展开的研究，用多相流理论分析 和计算旋流分离器内流场，得出优化的结果，并进行改进。 水力旋流分离器是一种应用非常广泛的分离设备。由于其结构简单等优点，水力旋 流分离器在各行各业显示出越来越广泛的应用前景。但是目前对水力旋流分离器的研究 仍然以单因素的物理样机试验为主，由于物理试验本身具备的复杂性，且试验结果不具 备通用性，很难适应各种变化的情况，也不适于大批量的生产需要，本文力用数值模拟 软件f l u e n t ，通过合理的选择数学模型和正确的设定边界条件，结合计算流体力学的各 种理论和水力旋流分离器现有的知识，对现有的设备进行合理的优化，对旋流器内部的 流场做出模拟计算，根据溢流的油的含量，进口处第二相的体积率等操作参数来分析旋 流器的分离性能随着各个参数的变化规律，找到模型的效率规律，定量分析了旋流分离 流场的各种参数，并找出不足点对其进行改进。 本文对液液旋流分离器的流动和分离机理进行了深入的探索，对水力旋流分离器 内部的流场状态和湍流状态的情况做出了说明和计算，根据分流效率和整个流场的湍流 能量损耗来验证了增加稳流管对减少旋流器内整个流场能量损失的可行性和实用性，对 未来进行更深入的研究打下了一定的基础。 关键词：水力旋流器；c f d ；流场模拟；能量损耗：尾流管 东北大学顽士学位论文 a b s t r a c t t h e o r e t i c a ls t u d ya n ds i m u l a t i o no fs t a t i ch y d r o c y c l o n e s e p a r a t o r a bs t r a c t t h er e s e a r c ha i m sa tt h ed e m o n s t r a t i o na n dm e n d so fd e s i g no nt h en e wh y d r oc y c l o n e a n du s e st h em u l t i p h a s et oa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nt h ei n t e r i o ro ft h eh y d r oc y c l o n ef l o w , t o o p t i m i z et h er e s u l ti no r d e rt oi m p r o v et h ee q u i p m e n t t h eh y d r oc y c l o n ei sak i n do fb r o w s e ra n dc l a s s i f i c a t o r ye q u i p m e n t b e c a u s eo fi t s s i m p l ys t r u c t u r et h eh y d r oc y c l o n ef i n d sa p p l i c a t i o ni nm o r ea n dm o r ei n d u s t r i e s n o w , t h e m a i nr e s e a r c hm e a s u r ei se x p e r i m e n t a t i o nw i t hr e a ls i t u a t i o na c c o r d i n gt os i n g l ef a c t o lw h i c h c o s tm o r ea n di si n e f f i c i e n ta n dc a n tm a t c ht h ei n d u s t r i a ln e e d s t h i st h e s i su s ef l u e n ta n d c o m b i n ew i t has e r i o u so ft h e o r e t i c a lt os i m u l a t et h ef l o wf i e l do ft h eh y d r oc y c l o n eb y s e l e c t i n gt h ep r o p e rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dd e f i n i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o ne x a c t l yt o i m p r o v et h ee x i s t i n gh y d r oc y c l o n ei nar e a s o v a b l ew a y ，a c c o r d i n gt ot h eo v e r f l o wo fo i l c o n t e n t ，_ t h ee n t r a n c er a t eo ft h es e c o n dp h a s ea n dt h es i z eo fo p e r a t i n gp a r a m e t e r st oa n a l y z e t h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo fh y d r oc y c l o n ew i t ht h ec h a n g e so fv a r i o u sp a r a m e t e r st of i n d t h ee f f i c i e n c yo ft h em o d e lp a t t e m ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h eh y d r oc y c l o n ef l o wf i e l d v a r i o u s , p a r a m e t e r sa n dt oi d e n t i f i yi m p r o v e m e n t s t oi t sl a c ko fp o i n t s 、 i nt h i s p a p e r , l i q u i d l i q u i dh y d r oc y c l o n es e p a r a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef l o wa n d i n ，d e p t he x p l o r a t i o no fh y d r oc y c l o n es e p a r a t o r sw i t h i nt h es t a t ea n dt h et u r b u l e n tf l o wf i e l d i nt h ec a s eo fs t a t em a d ead e s c r i p t i o na n dc a l c u l a t i o n ，a c c o r d i n gt od i v e r tt h ee n t i r ef l o wf i e l d e f f i c i e n c ya n dt h et u r b u l e n te n e r g yl o s s t o v e r i f yt h a tt h ei n c r e a s ei ns t e a d yf l o wt u b et o r e d u c e t h eh y d r oc y c l o n ef l o wf i e l dw i t h i nt h ew h o l ee n e r g yl o s so ft h ef e a s i b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yo f t h ef u t u r ef o rm o r ei n d e p t hr e s e a r c hh a sl a i das o l i df o u n d a t i o n k e yw o r d s ：h y d r oc y c l o n e ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd b , n a m i c s ( c f d ) ：f l o w f i d d s i m u l a t i o n ；e n e r g yl o s s ；w a k et u b e v ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘：要i i i a b s tra c t v 第1 章绪论1 | 1 ，l 课题背景介绍1 f 1 2国内外研究现状及进展2 1 2 1国外液液旋流分离器的研究概况。2 1 2 2 液一液旋流器在国内发展现状3 1 2 3 液液旋流器的应用情况3 1 1 3 水力旋流分离器的主要的研究方法4 1 3 1 数学的方法4 1 3 2 计算流体力学4 1 3 3 流场数值模拟的大致步骤与方法5 1 4 水力旋流分离器的研究及结构特点6 1 4 1 动态水力旋流分离器6 1 4 2 静态水力旋流分离器7 1 5 本文的主要研究工作和预期的成果8 1 5 1 本文的主要研究工作和路线一8 1 5 2 本文的主要预期的成果9 第f 2 章与水力旋流分离器相关的基本理论及动力学分析1 1 2 1 主要研究方法11 2 ，2 基本方程理论及假设1l 2 2 1 旋流器的基本理论1 1 2 2 。2 旋转流体的能量方程1 3 2 2 3 自由涡基本方程1 4 一v i i 东北大学硕士学位论文目录 2 2 4 强制涡的基本方程1 5 2 2 5 组合涡的基本方程1 5 2 3 旋流器内液滴运动分析1 6 2 3 1 液滴受到的阻力1 6 2 3 ，2 油滴破碎1 7 2 3 3 油滴运动方程一1 7 2 4 分散相液滴迁移分析1 9 2 4 1对重相分离的影响+ 19 2 4 2 对轻质分离的影响1 9 2 5 旋流器分离效率理论预测2 0 2 5 ，1 液滴轨迹求解2 0 2 5 2 粒级效率和总分离效率的确定方法。2 0 第3 章数值模拟2 3 3 。1f l u e n t 主要流程2 3 3 + 2g a m b i t 建模2 3 3 3 f l u e n t 设置2 8 3 3 1求解器的选择2 8 3 3 。2 湍流模型的选择2 8 3 3 3多相流模型的选择3 3 第4 章模拟结果及讨论一3 7 4 1 模型的收敛3 7 4 2 相流模拟结果3 7 4 2 1关于压力3 8 4 2 2 流场的切向速度4 2 4 2 _ 3 流场的轴向速度。4 7 4 2 4 流场的径向速度4 8 4 2 5分离能力5 0 4 3i 吴差5 2 第5 章分离器的改进i 5 3 一v t t t 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 问题的提出5 3 ：5 2 模型的建立5 3 。5 3 结果分析5 4 第76 章结论及展望5 9 参考文献一6 1 致谢6 5 一x 一 1 1 课题背景介绍 第1 章绪论 石油作为中国乃至世界上最为重要的能源之一，在我国的能源构成中占据了及其重 要的位置f ，随着我们社会经济的发展，石油在工业生产和各种建设的消耗与日俱增，使 我们对石 油更加的依赖，但是伴随着我们近年来的不断的开采，和技术上的限制，使得 油气自给能力不断的下降，从2 0 0 3 年开始我国的原油进口总量在不断的增加，能源的 供给问题已经成为我们国家经济继续扩大发展，国力继续增强的一个拦路虎，已经到我 们不能再对其忽视的地步了。 国内的各大油田，由于建立时间比较长，开采量比较巨大，9 0 年代以后不得不采用 注水式的采油方法，使得采出原油中含水比例越来越大，使得原油提炼的难度不断增加。 随着中国陆地上原油资源不断枯竭，现在约7 0 的油田注水式采油。而且还有不停 增长的趋势。根据我国1 9 8 8 年颁布的污水综合排放标准，石油类最高排放浓度为3 0 m 酊。 我国国家标准规定，对于油田注入水，排放的废水含油量应小于l o m g 1 ，对于渗透低 的油层，：采出水含油量应小于5 m g 1 】。 由此可见油水分离器在现代工业及生产中的重要地位成为了不可或缺的环节，但是 随着海上油田的日益增加，我们的油水分离器的要求又有了新的提高，于是水力旋流分 离器应运而生，旋流分离器可以直接分离采出的混合液，分离效率可以达到8 0 或更高。 这主要归功于：石油分离器在陆地上分离设备非常的庞大，核心部分长将近t o m ， 这对于海上作业平台是不能想象的，这主要因为在海上建造平台十分昂贵，为了尽量减 少建设成本，所以就必须研究及小巧又高效的分离设备，这为水力旋流分离器的发展建 造了施展的舞台。 2 0 0 0 年，我国渤海发现2 0 亿吨的大储量油田群后，我国明确开采目标，重点开采 海洋石油，2 0 0 8 年海洋石油的产量已经达到2 亿桶，海上油气开采已经成为我国国家经 济的一个耨的增长点，高新技术不停地注入此行业，科研经费的不断提高，这为水力旋 流分离器编织了一张辽阔的地图。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2国内外研究现状及进展 旋流分离是一种力用离心沉降原理将非均匀相混合物进行分离的一种机械设备，可 以分离液液，固液，气液，气固的组合，旋流分离作为一种新型的分离设备，以其 独特的优势广泛的应用于化工，冶金和机械等部门和行业。其主要特点是结构简单，无 运动部件，易于操作和安装，成本低廉体积小，处理能力大，分离效率高等诸多的优势 f 2 】 0 1 。2 。1国外液一液旋流分离器的研究概况 液液旋流分离器以英国c o n o c o 公司的v o r t o i l 双锥旋流器最具代表性，最初是 由英国s o u t h a m p t o n 大学的两名教授在7 0 年代设计出来，子1 9 8 0 年1 0 月在旋流器国 际会议上发布了该项成果，最初的旋流直径为3 5 m m 。其后相继出现了3 8 ，5 8 和6 0 r n m 的旋流器，其长度与公称直径比在1 0 2 5 的范围内。1 9 8 5 年第一台商业化的旋流器出现 以后，很快在世界上各个地方得到了推广和应用【3 1 。许多公司都相继投入人员和资金开 发此项新技术，使得液液分离技术得到不断的改进和发展。在高含水原油开采中，旋 流器能有效的除去油中的大量水，脱水原油的含水率不超过2 0 ，还可以把低含水原油 中的水脱去，使原油的含水量低于1 ，达到外输要求。 8 0 年代末，为满足油田各种油水分离器的要求，国外对水力旋流分离器做了进一步 研究，在更小口径旋流器研究上取得进展，旋流器公称直径可在8 - 2 8 m m 范围内，如 c o n o c o 的k 型，f 型和g 型等。k 型旋流器与3 5 m m 旋流器相比，不单提高了除油 效率和降低了压力损失，而且还有较宽的高效率区【4 1 。在分离1 5 口m 平均粒径的油滴时， k 型液液旋流器的除油效率提高2 2 5 5 。在较宽的工作范围内，k 型液液旋流分离 器的净水出口浓度低于2 1 0 。在采出液分离方面，他们采用液液分离进行采出液的 初级分离，采出液含水量大于5 0 。通过预分离，油中含水低于2 0 ，水中含油低于 1 1 0 。原油脱水方面，用旋流器除去原油中的残余水( 一般低于5 0 ) ，通过脱水处 理，油中含水量低于1 。 随着液，液旋流分离器结构的不断改进，旋流管的多管串联和并联的模数化组合设 计，使其处理能力和适应能力进一步增强，使其范围不断的扩大。液液旋流分离技术 在生产中的应用，极大的缓解了采出液含水量不断增加与原有生产处理系统能力有限的 矛盾1 5 1 。 2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 ，2 2 液一液旋流器在国内发展现状 我国在液液旋流分离技术研究方面起步比较晚，8 0 年代末才开始由相关大学，研 究院和油田研究院投入人员和资金来开发此项技术。据不完全统计，江汉机械研究所， 大港油田设计院，华北油田设计院，胜利油田设计院等科研机构已经开始该研究工作。 通过几年努力，取得了一些进展1 6 。已经有一些液液旋流分离器通过了工业性试验，在 油田投入试用，受到了欢迎。 但是，就整体技术水平而言，与国外相比存在较大的差距，基本上处于仿制和试用 阶段。在我国，液液旋流分离技术的研究和应用处于起步阶段，与生产发展的需求极 其不相适应，国内有关单位的旋流器产品大多是模仿国外的产品，掌握不了和新技术， 导致操作性能时好时坏，推进该项技术在生产中应用，具有重要的意义。 1 2 3 j 液一液旋流器的应用情况 水力旋流器在石油工业中有着广泛的应用前景。目前在各大油田上水力旋流器技术 应用比较成熟的有钻井液固控( 除砂器、除泥器) 、原油除砂、原油脱水、含油污水处理 等。此外；随着某些油田采出液含水量的增加，国外的一些研究者们已经考虑将水力旋 流器技术用于井下油水预分离，以减小井口提升能耗和降低采出液水处理的费用。 水力旋流器在化工工业中的应用虽然没有像在选矿、造纸、石油等行业的应用那么 普遍，但是仍有很广泛的应用，特别是在一些工业污水处理等方面大都用到了水力旋流 器来初步分离污水中的杂质。 旋流器具有体积小、重量轻、分离性能好、运行可靠和模块化设计等优点，很快在 世界各地的油田得到了推广。从1 9 8 5 年形成产品以后，很快在澳大利亚、英国、非洲、 西欧、东南亚等国家和地区的海上和陆地油田得到应用。旋流器已被用于脱除原油或凝 析油中的残余水( 典型含水率低于5 0 ) 。该装置可将原油中含水率降至1 。脱出水中 含少量原j 油，可重新循环至一级或二级分离器进行处理【7 】。 由于旋流器具有分离效率高、处理量大、重量轻、占地面积小、无运动部件、运行 可靠、结构布置灵活、处理调节方便和对运动不敏感等特点，它不仅能够处理增长的产 液量，同时还改善了环境保护，其优良的操作特性使其成为理想的传统分离设备替代产 品。在我【国石油工业正致力于满足更为严格的环保标准和不断改善经济效益，因此，旋 流器将是经济有效的解决方法。它将在油田的含油污水处理上，特别在空间及重量受限 的海上平台及对运动比较敏感的浮式平台上实现一场革命。 气一 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 3 水力旋流分离器的主要的研究方法 两相流动被认为是一种自然界中的基本流动，水力选分离器作为一种高技术的分离 设备，以其独特的优势广泛应用的化工石油等各个行业，所以人们对其研究工作一直没 有停止过，随着技术条件的提高，人们对旋流器的研究方法和各种应用手段也是日趋更 新，主要的研究方法有几个： 1 3 1数学的方法 数学解析，是一种最基本的研究方法，人们最开始对旋流分离器的内部的流场的特 性就是用数学的方法来描述的。是这一领域中最早运用，也是非常重要的一个方法。在 上世纪5 0 年代就已经推到除了空气柱直径与溢流管尺寸的数学关系式f 8 ) 。从此以后各种 描述流场特性的方程应运而生。但是数学是一门需要长时间积淀的学术，而许多方程本 身就是相当复杂，其中以n s 方程为例，它本身就是一组相当复杂的二阶非线性偏微分 方程，迄今为止在数学上还没能对其做完整的解析，所以现在运用这些方程的时候就要 做出各种的假设，使得最后得出的结论带有很多偶然的成分不具有通用性。 1 3 。2 计算流体动力学 随着计算机的飞速发展和各种稳定、精确、快速的算法的出现，以计算机解决流体 力学问题( 包括流场的数值模拟) 的各种数值方法逐渐发展为一门独立的学科计算流体力 学。它主要把描述流体运动的连续介质数学模型离散成大型的数学方程组，建立可在计 算机上求解的算法。为研究流体运动提供了新的途径和广阔前景。 流体动力学的数值模型与其说接近理论流体动力学，不如说它更接近实验流体动力 学，在计算机上进行一次特定的计算非常像一次物理实验，因为分析者打开方程等着看 产生什么结果，这与实验工作者做的完全相似。用计算机发现物理现象是确实可能的。 尤其是那些在实验室中实际上不可能或者特别难以做到的模拟实验，通过合理的数值模 型，可以掌握参数的分布规律，用于指导实践工作。最重要的物理现象对一些独立的理 论近似( 例如常粘性系数，边界层近似等) 的敏感性，也能检验本构方程的正确性。 c f d 方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值模拟试验、流动诊断等功能采用 c f d 方法通过计算机进行样机性能试验。能够很好的在图纸设计阶段预测流体机械的性 能和内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片振动等不良现象，力求可 d 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能发生故障的隐患消除在图纸设计阶段。在流体机械研究领域，用于分析和认识流体机 械内部流劫理论的研究方法主要有三种：理论分析、实验研究和数值模拟。由于理论分析 与实验研究在研究复杂流动时存在很多困难，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟正 逐步成为研究叶轮机械内部流场的主流研究方法之一。而将数值模拟与理论分析和实验 研究有机结合在一起就成为现阶段最为理想、最为有效的研究方式【9 】。 以前人工需要1 0 0 万年才能完成的计算量在现代的高级计算机上仅需要几分钟就能 完成，从而使得人们可以对所要模拟的流场能够进行更精细的网格划分。另外，数值计 算方法本身的发展，也极大的推动着计算流体力学的发展。各种算法的提出使得计算精 度计算速度都得到了极大的提高，特别是网格生成技术的发展使碍数值模拟结果精度更 高分辨率更高计算更易于收敛，而且对于一些几何结构复杂的流场的模拟也相当成功。 在上述各种技术共同发展的推动下，计算力学在近十几年有了飞速的发展，并出现了不 少优秀的| c f d 专业工程软件。 数值方法可以容易的改变计算条件，研究复杂初边界条件下的流通现象，具有灵活、 经济、限悯较少的优点。是研究流体力学一种很有前途的方法和方向。 本文就是一个应用性很广的计算流体的专业软件- f l u e n t 来模拟水力旋流分离器 的流场情况。 1 3 3 | 流场数值模拟的大致步骤与方法 1 建立基本方程 从流体力学的基本原理出发，建立质量、动量等守恒方程组，特别是两相流或多相 流，不同的模型理论，往往导致不同的方程组。 2 确定初边界条件 按给定的几何形状及尺寸，由问题的物理特征出发，确定计算域并确定初边界条件。 3 建- 立或选择模型 由物理概念的基本假设和实验事实出发来构造各个过程的模型。如两相流模型等。 4 建应离散化方程 用数值法求解偏微分方程，必须将该方程时空离散化，时间常有各种差分格式，空 间上采用差分或有限元、边界元等方程离散。 5 筛l j 定求解方法 对同样的问题有不同的求解方法，如n s 方程有直接解法，流函数法，流函数涡量 一气 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 法，压力数度法等等，其中各项又有不同的分支。 6 编写计算程序 由上述方程和求解出发，编写计算机程序。 7 ，检验结果 一旦程序调试成功，可以对各种情况迸行大量的模拟计算，得到一批变量场的结果。 此后可以与实验结果等比较检验。 8 改进模拟和解法 对现存得模拟实验及解法进一步加以改进，直到收敛曲线小到一个可以接受的得结 果为止。 1 4 水力旋流分离器的研究及结构特点 水力旋流分离器主要分为静态水力旋流设备和动态水力旋流设备 1 ，4 1动态水力旋流分离器 动态水力旋流分选设备是一种由外壳旋转带动液体介质运动的旋流分选设备。该设 各不仅能克服静态旋流分选设备沿轴向由液体运动速度衰减而引起旋流强度减弱的现 象，而且能大幅度提高分离效率，极大地扩展了操作及应用范围，这体现在对处理量及 入口压力的操作范围有很灵活的适应性，是一种值得深入开发研究的油水高效分离设 备。动态水力旋流分选设备具有功能多、操作工艺简单、分离效率高、体积及占地面积 小、安装方便、运行费用低等优点。其运行工艺封闭，可避免二次污染，对环保极为有 利：主要缺点是运行过程中产生较大的振动，旋流器内壁磨损较大，但它毕竟是具有很多 分离设备所没有的优点，仍不失为一种理想的分离设备i 。如下图，主要包括l ，入口：2 机械密封( 入v i ) ；3 旋转头；4 进水通道；5 导向锥；6 转筒；7 旋流区：8 溢流出口：9 出水节流 口：1 0 出水通道；l1 机械密封( 出1 2 1 ) ；1 2 底流出。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 1 动态旋流分离器结构 f i g 1 1t h es 仃u c n l r eo f d y n a m i ch y d r o c y c l o n e 1 4 2 静态水力旋流分离器 ：译_ ： 尘一厂= ： 7 。l 怔1 r - i 善-_ 一 上( 兰。 ! ， ：，广 一 ”一 il 三 i f 贸“一一t 图1 2 静态旋流分离器儿何结构 ( a ) 传统旋流分离器( b ) 双入口双锥旋流分离器 ( c ) 双入口单锥旋流分离器 f i g 1 2s t a t i ch y d r oc y c l o n eg e o m e t r y ( a ) t r a d i t i o n a lh y d r oc y c l o n e ( b ) d u a l - e n t r a n c e d o u b l e t a p e r e d h y d r oc y c l o n e ( c ) t h ee n t r a n c eo f as i n g l e d u a l - c o n e h y d r o c y c l o n e 静态水力旋流设备因其结构简单，无运动部件，而更早地得到了更多关注。目前已 实现了产品化，尤其在石油石化工业含油废水处理中得到了一定的推广应用川i 。水力旋 流器作为固液分离设备、油水两相分离设备及在石油化工等领域的实际应用方面都取得 了相应的研究成果。它是依靠流体运动所产生的离心运动，将两种密度差不同的流体分 离。其工作原理是基于离心沉降，将待分离的料浆以一定的压力从水力旋流器上部周边 切向进入旋流器内，产生强烈的旋转运动，由于大小颗粒之间存在着粒度差异，所受的 离心力、向心浮力和流体曳力大小不同，受离心沉降作用，大颗粒( 重相) 受离心力较大， 沉降到器壁，由沉砂口排出，小颗粒( 轻相) 由溢流管排出，从而达到分离或分级的目的。 7 p l l 一 1 1 一 = ! h 、 一，二 t j 7 v 、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 水介质旋流器作为一种结构简单，无须加重质就能实现按密度分选的细粒物料分选设 备，越来越受到科研人员的关注1 。 根据分离原则，科学家对旋流器的几何结构和参数进行了重大的改进，设计出了图 l 卫f b ) 、所示的双锥双入口型油水分离旋流器。与传统的旋流器相比，这种旋流器具有 以下特点：( 1 ) 采用双切向进料口，提高了内部流场的对称性，有利于形成稳定的旋流， 减小旋流子内液体的搅动，同时提高了中心油柱的稳定性，使富集到中心的油滴能够顺 利从溢流口排出，从而避免单切向进口所出现的油柱晃动和重新混合的现象；( 2 ) 由于增 加了短而锥度较大的过渡段，可以增大旋流加速度便于油水分离；( 3 ) 采用一锥角很小的 细锥管( a = 1 5 ) 作为分离段，在这种细锥管内，流体旋转速度变化缓和并能被维持很一长 一段距离，同时使流体在细锥管内的停留时间相应增加，因而有利于分散相油滴的径向 迁移；( 4 ) 采用一很长的尾管，增了旋流器的平缓段，在平缓段内仍有回流存在，有利于 细小油滴的分离；( 5 ) 由于旋流腔直径比溢流口直径大得多，能够有效地抑制短路流的产 生，因此在油水分离旋流器中溢流管不必插入，溢流口相对较小，可以方便地进行低分 流比调节；( 6 ) 长径比很大，其表现特征就是旋流器形状细长，可增加油滴在旋流器中的 停留时间，增大了分离几率，同时可维持较大的旋流强度。 1 5 本文的主要研究工作和预期的成果 1 5 1 本文的主要研究工作和路线 本文是在前人研究的理论基础上进行的，数值模拟、理论分析和模型实验是研究流 体力学的三种主要手段。理论分析主要是用在工程问题的初步设计阶段，无法用于研究 复杂的、以非线性为主的流动现象。模型实验方法是研究流动机理、分析流动现象、探 讨并获得流动新概念、推动流体力学发展的主要手段，不足的是研究周期长、费用高， 同时需要解决一系列复杂的试验技术问题。近年来，随着计算机技术的飞速发展，数值 模拟已经成为人们科学研究的主要方法之一【m 巧】。数值模拟具有成本低、设计计算速度 快周期短、资料完备、结果可视化和直观化以及具有模拟真实条件和理想条件的能力等 特点。水力旋流器的结构参数和操作参数对其分离性能有着很大的影响，准确的结构设 计和操作参数的设定可以有效的提高旋流器的性能。但是最优化的结构尺寸和操作参数 的获取需要人们对旋流器内部的流体流动机理有更深刻的理解，并且完全依靠实验手段 来研究是比较困难的，需要消耗大量的人力财力。因此本文旨在通过计算机模拟实验的 r 一 东北大学顽士学位论文第1 章绪论 方法来研究旋流器的结构参数和操作参数对旋流器分离性能的影响，并与实验结果进行 比较。另外，在原来旋流器结构尺寸的基础上，通过计算机模拟来研究增加尾流管旋流 器内部的速度分布、分离效率以及分离粒度，论证采用尾流管出e 1 旋流器来增强普通旋 流器的生产能力的可行性和实用性。 1 5 2i 本文的主要预期的成果 一、：i 实现对旋流器流场全景式模拟和各参数的定量显示。目前由于技术等方面的限 制，人们对水力旋流器内部流场的观测基本上还是局限于对单个运动参数的局部测定， 对一些重要的物理量诸如压力、速度、湍流度等还不能方便实现在某一特定时刻全流场 的定量显示。所以本文首先要实现对流场各个重要物理量的全景式模拟，实现对它们的 定量显示，从而为进一步的数值分析创造条件。 二、1 分析了整理了整个流动的过程和原理。由于水力旋流分离器的流畅十分的复 杂，原理包含的种类也十分的全面，本文通过对各个数据和图画的直观描述分析了流场 的分布和各种现象的产生及其条件，这让我们对整个最基本的水力旋流分离器有个整体 的了解， 也为以后别人的研究提供了参考。 三、i 优化了基础水力旋流分离器的结构。本文对水力旋流分离器进行了大量的对比 论证，然后增加了尾流管这个看似平常但是对整体的流畅影响很大的一部分，然后通过 两种旋流器的各种能量消耗，以及速度等的原理和现象，来分析改进后的旋流器的优势 和在生产中的前途。 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文第2 章与水利旋流分离器相关的基本理论及动力学分析 第2 章与水力旋流分离器相关的基本理论 及动力学分析 2 1 主i 要研究方法 通迎试验方法可以对水力旋流分离器的分离及各项性能进行研究，但是，通过常规 试验方法很难了解油水混合物在分离器中的分离过程，也不能获得方便简洁的流动和分 离的流埸信息；更不能方便的反复修改设备的各种尺寸和结构来适应试验的需要。随着 计算机技术的日趋成熟和发展和相应的商业软 牛不断的成熟，对与现有的应用已经变得 更加的使利和实用。本文选用f l u e n t 来完成数值模拟。 2 2 基本方程理论及假设 2 2 1 旋流器的基本理论 水力旋流器正常工作的时候，液体在压力的作用下由进液口沿切线方向进入旋流 器，然后转为旋转运动在旋流器内部高速旋转。 由于旋流器的入口雷诺数r ：型很 y 大，流场为湍流态，雷诺应力远大于粘性应力，可以忽略流体的粘应力。所以旋流器内 部的液体流动是复杂的三维旋转运动，是和涡流密切相关的，有必要简单的介绍一下关 于旋转流、空化、能量和涡的理论。 动能 质量为i i i 的物体以速度v 运动时候所具有的动能为1 2 m v2 。因此，如果有一股流 体，其全部微团都以同样的速度运动时，它的动能也一定是1 2 m v2 。对于单位重量的 黼劫能可以写成女日下形式警= 等= 警= 等。同样 器寺竿= 孚，簇= 华= 掣：譬“脯单位了m 2 ，譬 的单位是尝。 东北大学硕士学位论文 第2 章与水利旋流分离器相关的基本理论及动力学分析 在大多数情况下，一个截面上的不同流体微团的速度是不一样的。因此，需要将所 有的积分求出真实值。用口( 动能修正系数) 来表示动能的真实值是比较方便的，只有 在某些情况下，才有必要使用口的确切数值，在大多数情况下，路去口与1 的差另l j 所导 致的误差是可以忽略不计的，一般口的精确值是不知道的，所以习惯上的湍流情况假设 g = l 。在层流情况下，速度往往很小，单位重量的流体的动能是可以忽略不计的。 空化 液体再极短的时间内流过一个绝对压强很低的区域的时候出现的快速蒸发的在凝 结现象，称之为空化，这一现象不可能在气流中出现，因为气体在低压之下状态是不会 改变的，而液体在压强足够低的条件下是会有液体变为气态。液流中出现空化的可能性 是需要探讨的，因为这会导致严重的危险。 与空化密切相关的危险的，瞬时低压状态，按照伯努利定理式，是由于瞬对告诉所 致。根据这一定理，在某个给定的位置，在液流中没有能量加入或吸出的情况下，如果 速度头增大，压力头就必然相应的减小。但是，只要还有些液体存在而尚未蒸发，就 有一个最小可能的绝对压强，成为液体的蒸汽压。这个蒸汽压取决于液体的种类及其温 度。此值通常是低于大气压的。如按液体的实际状态算出其绝对压强比蒸汽压低，这就 表明计算所依据的假设是不对的，因此，空化的临界状态 ( p 。r h ) 曲。= p ， ( p c i t ) a b s = p a 咖+ ( p 。m ) g 。g 。 ( p 。m ) p 舻= 一( p 。廿n p 。) 此处p 栅，p ，以及p 。嘲分别表示液流的( 绝对) 大气压强，( 绝对) 蒸汽压强，以及 可能的临界( 或最小) 压强。 如果液体中某点的局部速度太高，以至于压强降低到其蒸汽压强，那么，该点的液 体就会汽化，从而形成一些蒸汽泡。当流体流入压强较高的区域时，蒸汽泡会突然凝结， 换言之，气泡会崩塌或爆聚。当这个现象发生再固体壁附近时，优于有液体射流从正对 着壁面的一侧进入此液泡而开始发生爆聚。有些研究人员估算过射流速度可以达到 il o m s ，而当这股射流撞击壁面时会导致高达5 0 7 0 0 k p a 的压强。他们也估算了爆聚的 热量。这使气穴周围的液体温度在不到千分之一秒的时间内升高到2 1 0 0 。c ，尽管这些射 流很小，但他们_ 以高频率不断出现；再与高温和气泡坍塌所导致的激波结合在一起，就 可能使壁面材料损坏i m 】。 1 2 这种作用往往使水轮机转子泵的叶轮以及舰船的螺旋桨发生严重而迅速的损坏，因 为很快使材料产生了孔洞。 流体的粘性 由牛顿内摩擦定律导出r ：掣 砂 式中jr 表示切应力，单位p a ； d u d y - - 一一表示流体的剪切变形速率： 一- i 一一则表示切应力和剪切变形速率二者之间的比例系数，又称为流体的动力粘 度，单位p a * s ，我们还将p 的比值称为运动粘度，常用矿表示，单位为m 2 s ，本文 中的石涮的运动粘度为o 0 0 3 m 2 s 。 研究流体流动过程中，如果考虑流体的黏性，则称为黏性流动。相应的称流体为黏 性流体；? 若不考虑黏性则称为理想流体的流动，相应的称流体为理想流体。 牛顿内摩擦定律适用于空气、水、石油等绝大多数机械工业中常用的流体。凡是符 合切应力与速度成正比，可以用一条通过远点的直线表示的流体叫做牛顿流体，即严格 满足牛顿内摩擦定律且保持为常数的流体，否则就称其为非牛顿流体 f 涡理论 流体的旋转运动可以根据流体质点在旋转运动时是否存在自转现象分为自由涡运 动和强制涡运动两大类。凡是流体质点在运动过程中不围绕自身轴线旋转( 自转) 的运动 称为自由涡运动，也称为无旋运动。自由涡运动的一个标志是角速度矢量为零。凡是流 体质点在运动时绕自身轴线旋转( 自转) 的运动称为强制涡运动，也称有旋或有涡运动。 强制涡运动的标志是角速度矢量不为零。其中强制涡运动是流体漩涡运动的主体，完全 的自由涡运动只有在理想的流体中才能出现，具体粘性的流体是不能形成真正的自由涡 运动的【1 7 】。 2 2 2i 旋转流体的能量方程 当流体围绕垂直轴线做旋转运动时，在其半径r 处取一宽度为d r 厚度为d z 长方形 流管，在同一水平面上的伯努利方程为 日：z + 卫+ i 曙( 2 1 ) _ p g 2 9 式中h 一总压头，m ： 1 3 东北大学硕士学位论文第2 章与水利旋流分离器相关的奎本理缝垦碧塑逊 z 一二一势压头，m ； p 半径r 处的压力，p a ； p 流体的密度。k g m 3 ； 一一半径r 处的切向速度，m s ： 将式子( 2 1 ) 对半径微分，得 一d h ：上塑+ 堡盟 ( 2 2 ) 玉 p gd r gd r 就微元体d r d z r d o 而言根据微元体径向受力平衡可得 p r d t 走i z 一( p + d p ) r d 6 t t r d 2 + p r d 臼d r d z 旦：0 ( 2 3 ) 即得 垒：口受 ( 2 4 ) 将式子( 2 3 ) 代入式子( 2 1 ) 得到 望：显盟+ ! 显：显( 盟+ 显) ：三旦旦( 以) ( 2 5 ) d r g d r g r g d r r gr d r 式子( 2 5 ) 就是忽略了粘度影响的旋转流体能量方程，也就是旋转流体运动的基本 方程。在不同的条件下可以推出不同的旋转运动的基本方程。 2 2 。3 自由涡基本方程 在无限大的液体内插入一根旋转轴，旋转轴周围的液体在黏性阻力下运动，经过一 段时间而速度得以稳定速度分部和自由涡的