（化工过程机械专业论文）油水分离用复合式水力旋流器的数值模拟研究.pdf

摘要 摘要 我国多数油田现已进入开发的中后期，很多油田的含水率超过8 0 ，由于 环境保护的要求，大量的油田采出液将作为注入水回注到地下，这需要高效节 能的油水分离技术。基于旋流分离原理的旋流分离技术因良好的工作性能得到 广泛应用，但是传统的水力旋流器也存在诸多不足。复合式水力旋流器是将静 态水力旋流器和动态水力旋流器的特点有机结合在一起而开发出来的新型分离 设备，有广阔的应用前景。 本文基于c f d 对复合式水力旋流器内部的强旋流场进行了数值模拟研究， 使用g a m b i t 软件建立几何模型，根据内流场各向异性的特点，选择采用雷诺应 力模型，并结合混合模型计算得到了压力场、速度场和油相浓度场的分布情况， 揭示了压力、切向速度、轴向速度、径向速度以及油相体积分数的分布规律。 本文研究了分流比、含油浓度、流量和叶轮转速四个操作参数对复合式水 力旋流器压力降性能和分离性能的影响作用。结果表明，分流比的减小、流量 和叶轮转速的增加会导致底流压力降升高；溢流压力降随着分流比、含油浓度、 流量和叶轮转速的增大而增大；当分流比和叶轮转速增加、流量减小时，简化 效率会相应提高。通过正交试验方案得到各操作参数对底流压力降的主次影响 关系为：流量、叶轮转速、分流比和含油浓度；对溢流压力降的主次影响关系 为：分流比、流量、含油浓度和叶轮转速：对简化效率的主次影响关系为：流 量、叶轮转速、分流比和含油浓度，并据此优选出简化效率最大的一组操作参 数工况。 本文考察了旋转栅叶轮和溢流管的部分结构参数对复合式水力旋流器工作 性能的影响，通过分别改变叶轮直径、叶轮长度、叶片数目和溢流管直径来研 究了底流压力降和溢流压力降等的变化情况，为以后进一步的设计研究提供了 一定参考。 关键词：油水分离；复合式水力旋流器；雷诺应力模型；数值模拟 a b s t r a c t m o s to i lf i e l di nc h i n ah a se n t e r e dt h em i d d l ea n dl a t e rp e r i o do fe x p l o i t a t i o na t p r e s e n t ，a n dt h em o i s t u r ec o n t e n to fm a n yo i lf i e l di sm o r et h a ne i g h t yp e r c e n t d u e t ot h er e q u i r e m e n t so fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，al o to fp r o d u c e dl i q u i dw i l lb e i n j e c t e db a c kt ou n d e r g r o u n d ，s oi tn e e d sh i g he f f i c i e n c ya n de n e r g ys a v i n go i l - w a t e r s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s eo fg o o dw o r k i n gp e r f o r m a n c e ，t h eh y d r o c y c l o n e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nh y d r o c y c l o n es e p a r a t i o np r i n c i p l e ，i sw i d e l y u s e d h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lh y d r o c y c l o n ea l s oh a sm a n ys h o r t c o m i n g s c o m p o u n d h y d r o c y c l o n ew h i c hi si nc o m b i n a t i o nw i mt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ch y d r o c y c l o n e a n dd y n a m i ch y d r o c y c l o n e ，i san e wk i n do fs e p a r a t i o ne q u i p m e n t , a n di th a sb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sp a p e r , i n t e r n a l s t r o n g l ys w i r l i n gf l o wi n s i d ec o m p o u n dh y d r o c y c l o n e w a sr e s e a r c h e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nc f d g e o m e t r i cm o d e lw a s b u i l tb yg a m b i ts o f t w a r e ，a n dr e y n o l d ss t r e s sm o d e lc o m b i n e dw i t hm i x t u r em o d e l w a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ea n i s o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lf l o wf i e l d t h e d i s t r i b u t i o ns i t u a t i o no fp r e s s u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n do i lc o n c e n t r a t i o nf i e l dw a s o b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so fp r e s s u r e ，t a n g e n t i a l v e l o c i t y , a x i a lv e l o c i t y , r a d i a lv e l o c i t ya n do i lv o l u m ef r a c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ff o u ro p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha ss p l i tr a t i o ， o i l c o n c e n t r a t i o n ，f l o wa n di m p e l l e rs p e e d o n p r e s s u r e l o s sa n ds e p a r a t i o n p e r f o r m a n c eo fc o m p o u n dh y d r o c y c l o n e t h er e s u l t ss h o wt h a ts m a l l e rs p l i tr a t i o ， l a r g e rf l o wa n df a s t e ri m p e l l e rs p e e dw i l ll e a dt oi n c r e a s i n gu n d e r f l o wp r e s s u r ed r o p o v e r f l o wp r e s s u r ed r o pi n c r e a s e sa l o n g 谢t l lh i g h e rs p l i tr a t i o ，o i lc o n c e n t r a t i o n ，f l o w a n di m p e l l e rs p e e d w h e ns p l i tr a t i oa n di m p e l l e rs p e e di n c r e a s e ，o rf l o wd e c r e a s e s ， s i m p l i f i e de f f i c i e n c yw i l li n c r e a s ea c c o r d i n g l y t h r o u g ho r t h o g o n a lt e s t ，t h ep r i m a r y i n f l u e n c i n gf a c t o ro ff o u ro p e r a t i o np a r a m e t e r so nu n d e r f l o wp r e s s u r ed r o pi sf l o w , f o l l o w e db yi m p e l l e rs p e e d ，s p l i tr a t i oa n do i lc o n c e n t r a t i o n t h ep r i m a r ye f f e c tf a c t o r o no v e r f l o wp r e s s u r ed r o pi ss p l i tr a t i o ，f o l l o w e db yf l o w , o i lc o n c e n t r a t i o na n d i m p e l l e rs p e e d t h ep r i m a r yi n f l u e n c i n gf a c t o ro ns i m p l i f i e de f f i c i e n c y i sf l o w , i i f o l l o w e db yi m p e l l e rs p e e d ，s p l i tr a t i oa n do i lc o n c e n t r a t i o n a c c o r d i n gt oo r t h o g o n a l a n a l y s i s ，t h eo p e r a t i o np a r a m e t e rc o n d i t i o nw i t hm a x i m u ms i m p l i f i e de f f i c i e n c y c o u l db eo b t a i n e d t h ei n f l u e n c eo fs o m es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fr o t a r yi m p e l l e ra n do v e r f l o wp i p e o nw o r k i n gp e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h r o u g hr e s p e c t i v e l y c h a n g i n gi m p e l l e rd i a m e t e r , i m p e l l e rl e n g t h ，l e a v e sn u m b e ra n do v e r f l o wp i p e d i a m e t e r , t h ec h a n g eo fu n d e r f l o wp r e s s u r ed r o p ，o v e r f l o wp r e s s u r ed r o pa n ds oo n w e r er e s e a r c h e d i tc o u l dp r o v i d eac e r t a i nr e f e r e n c ef o rf u t u r ed e s i g na n ds t u d y k e yw o r d s ：o i l - w a t e rs e p a r a t i o n ；c o m p o u n dh y d r o c y c l o n e ；r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 为了满足人类日益增长的能源需求，石油资源不断得到开发，我国的大多 数油田现在都已经进入了中、高含水期的开采阶段，尤其是我国东部的大部分 主力油田含水率普遍在8 0 以上，有的甚至高至9 0 t 1 1 。含水量的上升导致原油 开采成本不断提高，因此油田开采领域正面临越来越严峻的挑战。一是污水处 理成本增加，当老油田进入特高含水后期时，开发效益较差，为降低地面处理 费用，保证油田的整体效益，必然需要简化污水处理工艺；二是注水水质的标 准提高，导致油田注水中深度处理水的使用比重提高；三是随着人们日益重视 保护环境，要求合理调配水量，保证污水的采注平衡，防止污水外排。目前大 约7 0 的油田采出水被用作油田注入水，并且这个比例还在增大。很多传统水 处理设备是基于重力沉降原理，已经无法满足新的生产要求，现在急切需要既 能高效处理大量采出液，又可以节能降耗、降低地面工程改造投入的新技术新 方法，这样就应运而生了以旋流分离原理为特点的液液旋流分离技术。 水力旋流器的应用已经有一百多年的历史，只是起初它一直被用于固液分 离。直n - 十世纪六十年代末，英国s o u t h a m p t o n 大学的学者m a r t i nt h e w 2 】等 人开始研究其对油水混合物的分离效果，最后通过大约十年的努力，终于将分 离效率从2 0 提高至8 0 左右，并且设计出了样机。1 9 8 0 年他们的研究成果在 b h r a 组织的国际旋流器学术会议中首次公布，使得人们逐渐关注液液水力旋 流器的研究。目前，在很多国家的油田中，水力旋流器已经被大量用于生产用 水和原油脱水，特别是在空间狭小的海洋平台上，水力旋流器的应用更为广泛。 为了互相交流水力旋流器的最新进展，国际上围绕水力旋流器为主题，先 后在剑桥( 1 9 8 0 年和1 9 9 6 年) 、巴斯( 1 9 8 4 年) 、牛津( 1 9 8 7 年) 、南安普顿( 1 9 9 2 年) 、约克( 2 0 0 0 年) 以及韩国( 2 0 0 5 年) 召开了多次大型会议【3 1 。学者们就水 力旋流器的机理研究和工业应用进行了广泛探讨，这些会议对水力旋流器的发 展起到了极大促进作用。 我国对液液水力旋流器的研究工作开展较晚，但近年来已越来越得到国内 学者的重视。江汉石油机械研究所、四川大学、西南石油大学、东北石油大学 第1 章绪论 以及中国石油大学等科研机构对水力旋流器的分离机理和工程应用进行了大量 研究，取得了很多的成果，但是同国外先进国家相比，还存在着较大差距。 1 2 水力旋流器的分类及结构 水力旋流器可以分离非均相的液体混合物，它能利用两相或者多相间介质 密度的不同，在离心力的驱动下实现两相或者多相的分离。因为离心力场比重 力场大很多，所以水力旋流器的分离效率比基于重力分离原理的装置大得多【钔。 水力旋流器有多种结构形式，按照结构特点分类，水力旋流器可简单分成静态、 动态和复合式水力旋流器三种结构形式。 1 2 1 静态水力旋流器 静态水力旋流器没有运动部件，它包括单锥型和双锥型两类结构形式。其 中，单锥型旋流器主要由入口、溢流口、圆柱段、锥段、平尾段和底流口构成， 它的典型结构尺寸由a m o c o 采油公司的y a n g 等人【5 】提出，如图1 1 所示；双锥 型旋流器比单锥型旋流器多一个锥段结构，主要由入口、溢流口、圆柱段、大 锥段、小锥段、平尾段和底流口构成，其典型结构尺寸由英国s o u t h a m p t o n 大学 的t h e w 等人1 6 j 提出，如图1 2 所示。 溢流 图1 1 单锥型旋流器示意图 图1 2 双锥型旋流器示意图 2 底 滚 口 轨 底 流 口 撬 第l 章绪论 静态水力旋流器的工作原理如图1 3 所示，当油水混合液沿着切向进口流入 旋流器时，在壁面的限制下，切向直线运动会转变为高速旋转的涡旋运动；接 着当它们从圆柱段旋流腔流进锥段结构后，由于受到逐渐收缩的锥段作用，涡 旋流强度得到加强；因为液体的高速转动会产生强大的离心力，所以密度较大 的水相将被甩向壁面，通过底流口流出，而密度较小的油相会逐渐迁移到轴心， 最后从溢流口排出，从而实现了油水两相的分离1 7 j 。 磁娜沌l i 曦幽 参眨 篱舞藩 一竺 图1 4 动态水力旋流器结构图 动态水力旋流器的工作原理是：油水混合液从入液口沿轴向方向低速流入 3 第1 章绪论 旋流腔，在转动的外壳驱动下，转为做高速旋转运动，产生与静态水力旋流器 类似的涡速度场分布，从而在离心力的作用下实现油水分离【8 1 。 1 2 3 复合式水力旋流器 复合式水力旋流器是一种新兴的旋流器结构形式，它有机结合了静态和动 态水力旋流器的特点，其结构由两部分组成：一是静态水力旋流器单体部分， 主要包括圆柱段旋流腔、大锥段、小锥段和底流尾管段；二是动力部分，主要 包括电机、旋转栅叶轮以及空心驱动轴等，其结构简图如图1 5 所示。由于复合 式水力旋流器含有旋转的部件，所以有学者也把它归为广义的动态水力旋流器。 缢i 袁睦空心驱动轴入口睦 禚座电机 密封装置旋转棚叶轮静态水力旋蕊嚣单体 底流露管 图1 5 复合式水力旋流器结构示意图 复合式水力旋流器的工作原理是：电机带动旋转栅叶轮高速转动，油水混 合液从入口腔流入后，被旋转栅强制旋转加速，产生高转速涡流，旋流强度在 大小锥段得到加强并保持，在离心力作用下，轻质的油相迁移到轴心形成油核， 反向经溢流嘴、空心驱动轴和溢流腔流出，而重质的水相被甩到静态水力旋流 器旋流单体的外壁，沿底流尾管从底流口排出【9 】。 复合式水力旋流器是对静态和动态旋流器的改进，在继承它们优点的同时， 又弥补了二者的不足。与动态水力旋流器类似，复合式水力旋流器依靠外部动 力驱动旋转栅叶轮的高速旋转，压力损失小，并可以在低压下运行；但是静态 水力旋流器完全依靠自身压力来提供油水混合液的高速旋转，压力损失较大， 所需的入i = 1 压力也很高【10 1 。另外，静态水力旋流器利用自身的运动造旋，所以 对入口的流量要求较高，分离效率有限；而复合式水力旋流器依靠旋转栅叶轮 造旋，转速可自由调控，离心强度往往比静态水力旋流器高，更能适应来液处 理量的波动，提高分离效率，有利于现场操作。同时，与动态水力旋流器相比， 复合式水力旋流器的旋流腔外壳固定不动，只有叶轮旋转，使得振动大大减弱， 4 第1 章绪论 降低了振动对油核的干扰，提高了设备运行寿命和机械可靠性。 复合式水力旋流器由于出色的工作性能正得到人们越来越多的重视，它将 在油田地面和化学工程领域发挥极大地作用，使得工艺应用更加科学，势必产 生巨大的经济效益【l l 】，是一种很有发展前途的水力旋流器。 1 3 国内外数值模拟研究现状 水力旋流器的研究手段无外乎有数学方法、试验方法以及数值模拟方法三 种。数学方法需要做很多的抽象和简化，难以得到解析结果。试验方法是理论 研究和数值模拟方法的根本，其结果真实可信，但是它周期长、工作量大、费 用高。随着近十几年来计算机技术和c f d 仿真技术的飞速发展，数值模拟方法 已然成为了研究水力旋流器的重要手段。它可以在计算机上完成，投入资金少， 能够较全面地揭示出流场分布，并且避免了因试验测试手段的限制而无法检测 到的盲区。而本文旨在用数值模拟方法对水力旋流器进行研究分析，所以本节 主要介绍前人的数值模拟研究现状。 1 3 1 单相流场的数值模拟研究现状 水力旋流器的内部流场非常复杂，湍流模型的合理选用对其单相流场的模 拟影响很大。国内外学者通过尝试采用各种不同的湍流模型对水力旋流器内流 场的特性进行了数值模拟研究，取得了很多重要成果。 b o y s a n 等【1 2 】虽然没有对水力旋流器的进行数值模拟，但是他们选择代数应 力模型模拟分析旋风分离器流场的方法和思路，为水力旋流器的数值模拟研究 提供了有益的借鉴。后来，h a r g r e a v e s 和s i l v e s t e r l l 3 】使用跟b o y s a n 一样的数学 模型，对液液旋流分离管内部的强旋流动进行了数值模拟，所得的模拟结果同 实测数据较吻合。 p e r i c l e o u s 等【1 4 】使用p h o e n i c s 程序对n a v i e r s t o k e s 方程求解，得出了与 k e l s a l l 1 5 】的实测结果相吻合的结论，同时指出，在模拟水力旋流器的流场时需要 对标准的舡模型进行适当的修正。 d u g g i n s 和f i l c h 1 6 】等人为了改善标准的肛骥型基于各向同性的涡粘性的不 足，提出了一种改进的肛骥型，以引进各项异性的湍流特性。在该模型里，轴 向和径向方向的雷诺切应力的湍动粘性的计算方法与标准的缸模型相同，而切 向方向的雷诺切应力的湍动粘性通过式( 1 1 ) 所示的混合长度模型计算，最终该模 5 第1 章绪论 型较准确地计算出旋流器流场的湍动能以及湍动能扩散率。但是，由于该模型 没有考虑到流场对雷诺正应力的湍动粘性的影响，仅仅考虑了对雷诺切应力的 湍动粘性的影响，所以该模型并没有完全引入强旋流场各项异性的特性，因此 还需要进一步的完善。 盘t 厂t 厂 2 ，口= 孵，2l 半一卫l( 1 1 ) o r厂 h s i e h 和r a j a m a n i t r 7 】采用涡流函数法来求解n a v i e r - s t o k e s 方程，同时，对 混合长度模型进行了改进，其湍动粘性考虑了混合物粘度和密度的影响，并且 由于混合长度的关联式是通过实测数据优选出的，故在一定程度上考虑了各向 异性的特性，所以模拟结果较其他混合长度模型精确，与实测结果较吻合。但 是，模型中的经验公式应用面窄，不便于推广。 d y a k o w s k i 和w i l l i a m s l l s , 1 9 在对小直径的水力旋流器进行数值模拟时，将雷 诺应力分量的六个代数方程同肛模型联立求解。该方法也称为扩展的肛模型， 实质上为一种较简单的雷诺应力代数模型。该模型既考虑了湍流粘性的各向异 性特性，又注意到平均应变率同平均涡量间的非线性关系，最终得到的模拟结 果能较理想地与实测数据吻合。 m a l h o t r a 2 0 1 为了适应旋流管内部流场的各向异性特性，按照式( 1 2 ) 对标准的 缸s 模型的耗散项进行修正。式中，在雷诺数较大时，l = c l k o 一、 c f = 0 1 8 + o 1 8 5 ( p c ) ，最后得到的计算结果比标准的缸模型有所改善。 0 0 5 1 2 50 1 5 只一乞= c d ( 寺) 一c ，( 蒜) ( 1 2 ) l厶i i , h e 等【2 1 1 使用引入r i c h a r d s o n 数修正湍动能耗散率的方法来对矗模型进行 改进，同时考虑了强旋流场各项异性的特性，模拟得到了流场的速度分布，以 及自由涡、强制涡和最大切向速度的位置。从模拟结果还可看出，轴心附近的 较大区域内存在上行回流现象，同时认为，计算结果的精度与网格质量密切相 关。 c u l l i v a n 等 2 2 1 对比了f l u e n t 软件里各个湍流模型对旋流器流场的模拟结 果，表明r s m 模型更适合模拟强旋流场。同时认为，r s m 模型中的压力应变项 选用二次压力张力模型比线性压力应变模型更为精确。 凌国平【2 3 】使用修正的普朗特混合长度湍流粘性模型，并结合锯齿形边界网 6 第1 章绪论 格模拟了旋流器的内流场，得到了切向、轴向和径向速度的分布图以及流线图。 通过与多普勒激光测速仪测得的轴向速度和切向速度值进行对比表明，模拟得 到的结果基本准确。 戴光清、李建明等在文献1 2 4 】中通过对髓妨程的模型系数进行部分修正来模 拟水力旋流器的湍流流场，得到了轴向、径向和切向速度以及湍动能耗散率的 分布图，与实测数据比较吻合。又在文献1 2 5 】中参考代数应力模型，得出了各向 异性的肛模型，并使用该模型对一直径为8 0 m m 的水力旋流器强旋流场进行数 值模拟。模拟结果显示，在旋流器内部存在有大小两个旋涡；压力在靠近壁面 位置比较大，随着半径的减小而降低，也与实测的结果基本吻合。 褚良银等【2 6 】采用柱坐标下的代数应力模型对水力旋流器进行了数值模拟， 通过与实测结果比较，证明了该数学模型的可靠性。模拟结果显示，湍动能呈 现出两边高中间低的不对称鞍形的分布特点，而湍动能耗散率同湍动能分布规 律相近；在位于溢流管下部的内旋流范围内，压力脉动强度和相对脉动强度较 大。 陆耀军、周力行等 2 7 , 2 8 , 2 9 1 先后使用标准如模型、r n gk - 模型和雷诺应力输 运方程模型( d s m ) 数值模拟了液一液旋流分离管中的强旋流动。结果表明，标准 缸s 模型在预测强旋流场时存在很大缺陷，而r n gk - 骥型的模拟结果较标准肛s 模型虽有所改善，但是同实际结果仍然存在某些定性上的差距。与这两种湍流 模型相比，d s m 模型的模拟结果最为精确。它能够合理地预测出切向速度的 r a t l k i l l e 涡结构和位置，并揭示了切向速度的双峰分布现象，还描述了轴向速度 的上行流、下行流和零速区以及湍动能、静压的分布规律。除了个别区域以外， 模拟结果与激光d o p p l e r 诊断结果相比，在定性和定量上都能够较好吻合。 梁政等【3 0 】使用不同的湍流模型对相同参数的水力旋流器进行了数值模拟研 究，通过将计算结果同实验结果进行对比，得出r s m 模型比肛骥型更适合对 水力旋流器进行模拟。又认为在设置合理时，r s m 模型的计算结果同实测结果 的误差通常不超过1 0 。 赵立新等【3 l 】采用r s m 模型数值模拟了油水分离用水力旋流器的内流场，从 模拟结果中可看到短路流和循环流现象，揭示出轴向、径向和切向速度的分布 规律，发现轴向和切向速度的计算结果与实测数据在定性上基本一致。该模型 实现了对径向速度的模拟，为进一步研究结构优化奠定了基础。 杨琳等【3 2 】采用雷诺应力模型( r s v 0 模拟了双锥形油水分离用旋流器的内流 7 第1 章绪论 场，得到了压力、油相体积、速度以及湍动能的分布特性，计算结果与前人文 献的结果吻合，验证了r s m 模型的可行性和正确性。 张攀峰等【3 3 j 使用雷诺应力模型( r s m ) 模拟了动态水力旋流器的强旋流场，计 算结果很好地显示了切向速度分布的涡结构以及三维速度场的分布特点，并且 同前人的实验结果较接近，为以后进一步研究动态水力旋流器的分离机理和结 构优化等方面内容打下了基础。 马艺等【3 4 j 以分析速度场和压力场分布为目的，使用雷诺应力模型分别模拟 了切入式和新型轴流式旋流器的内流场，结果显示：与切入式旋流器相比，轴 流式旋流器在切向和轴向速度的衰减速度方面更慢，表明流体在轴流式旋流器 中的阻力相对较小；轴流式旋流器的径向压力降更大，而轴向压力降相对较小， 表明轴流式旋流器有利于分散相向轴心位置迁移，而能量损失更小。因此，轴 流式比切入式旋流器的性能更好。 刘华炜等【3 5 j 利用f l u e n t 软件中的r n g 肛端流模型和多重参考系模型( m r f ) 对中心进料式结构的动态水力旋流器流场进行了数值模拟研究，准确地反映了 速度场和压力场的分布情况，并能够模拟出旋流器的径向和轴向速度的分布规 律。 李启成等p 6 j 采用d s m 湍流模型数值模拟了用于含油污水分离的动态旋流 器的强旋流场，结果表明，压力降和入口压力对分离效率的影响是通过转速或 者流量的变化而间接体现的。又研究了三维速度场的分布规律，其中，轴向和 切向速度的计算结果同实验结果较吻合。 王尊策等【3 使用修正的r n g k - 骥型数值模拟了复合式水力旋流器中的强 旋流场，模拟结果在总体上较好。切向和轴向速度的仿真结果同实测值比较吻 合，其中，在近壁面的外自由涡区域中，切向速度的计算结果和实测值基本相 同，但是，最大切向速度的计算结果与实测值仍存在一定的差距。同时指出若 要实现对复合式水力旋流器更精确合理的数值预报，则还需要更深入地探索。 1 3 2 两相流场的数值模拟研究现状 实现油相和水相的有效分离是油水分离用水力旋流器的功能，只有通过加 入多相流模型才能更好地研究分析油相和水相在旋流器中的运动规律，探讨其 分离机理。随着多年来人们对水力旋流器研究的日益深入，两相流的数值模拟 也取得了很多有意义的结论。 8 第l 章绪论 林文漪等【3 8 】使用k s k 。两相湍流模型和双流体模型对水力旋流器内的两 相流场进行研究，引进了分散相数密度的概念，将油相假设为颗粒群性质的拟 流体，同时认为分压力由两相根据各自容积分数承担。从双流体模型出发，用 k s 一后。两相湍流模型进行封闭，建立了极柱坐标下的二维定常的两相流方程 组，预测结果较合理。并通过对不同的入口和几何参数旋流器的模拟表明，对 分离效率影响最大的是入口速度和锥体中心角。 陆耀军掣3 9 】在对液液旋流分离管进行数值模拟时，忽略了相间的相互作用， 湍流模型选择为d s m 模型。同时，为追踪油滴的切向、轴向及径向运动，对油 相选用g o s m a n 等学者推荐的随机轨道基本模型，即在油滴的动量方程中，流场 的瞬时速度分量分别用时均速度分量及脉动速度分量替代；同时，假设油滴为 球形，因油相和水相的密度差很小，故忽略了作用于油滴上的虚假质量力和浮 力，也不考虑b a s s e t 力、s a f f i n a n 力和m a g n e s s 力，最终计算得到了两组不同粒 径油滴在两种旋流分离管中的运行轨迹。虽然计算结果在定量上还存在一些差 距，但在定性上能够很好地说明两种旋流管不同的分离特性和油滴的分离过程。 李玉星等【4 0 】使用代数滑移混合模型( a s m ) 和i 矾g 肛g 湍流模型，并基于 s i m p l e r 算法，对液液水力旋流器进行了三维数值模拟研究，得到了内部流场 的流线图、速度矢量图以及油相和水相的浓度分布图，计算结果和理论分析相 同。他们又在文献 4 1 】中采用相同的两相流和湍流模型，模拟得到了旋流器的分 离效率流量曲线、粒级效率曲线以及压力分布规律，其中分离效率与实测值的 相对误差在1 0 以内，压降与实测值的误差在5 以内。 s n o r o o z i 等【4 2 】采用代数滑移混合模型( a s m ) 和雷诺应力模型( r s m ) 数值模 拟研究了四种不同旋流腔结构旋流器的内部流场，针对标准型旋流腔结构的旋 流器，其模拟计算得到的分离效率与前人【4 3 删的实验数据能很好的吻合。研究表 明指数型结构旋流器的分离效率提高了大约8 ；循环流会阻碍径向流动，导致 分离效率降低；旋流腔的结构形状能影响循环流的大小，二次型旋流器的循环 流最大，故分离效率最低。 黄思等 4 5 , 4 6 】采用多相流的欧拉欧拉分析方法和雷诺应力湍流模型( r s m ) 分 别对单锥型和双锥型的水力旋流器流场进行了三维数值模拟研究，体现了油水 两相从均相来流逐渐分离、聚合和迁移的分离过程，并且计算出的分离效率同 c o l m a n 的实测数据较吻合。该模型能够模拟分散相体积分数在l o 以上、湍流 流场带有各向异性特性的情形，因此该研究有较高的学术价值。 9 第1 章绪论 刘海生等 4 7 , 4 8 】采用多相流的欧拉欧拉方法和雷诺应力湍流模型对单锥型水 力旋流器流场进行了数值模拟研究，分析了油相体积分数、各方向速度以及压 力的分布规律，得到了流量效率曲线，模拟结果和实测数据基本吻合。他们又 使用同样基于各向异性的湍流模型( l i 汛应力模型) 对油水分离旋流器进行了 数值模拟，得到的流线图、速度矢量图以及等压线图与理论分析相同，并探讨 了分流比、入口压力和溢流管直径对旋流器分离效率的影响关系，得出在分流 比4 、入口压力0 2 m p a 、溢流管直径6 m m 时，分离性能较优。 白志山等【4 9 , 5 0 】使用基于欧拉欧拉方法的代数滑移模型( a s m ) 分别对不同公 称直径的单锥型和双锥型旋流管进行了数值模拟研究，得到了不同粒径油滴的 浓度分布、滑移速度分布以及粒级效率曲线。结果表明，粒级效率随着流量的 增大而增大，当流量为2 0 m 3 l l 时，旋流管能够分离出大部分粒径为2 0 朋的油 滴，模拟结果与实测数据基本吻合。他们还利用数值模拟手段对单锥型旋流器 的结构进行优化设计，而且该优化结果得到了实验的验证。 俞接成等【5 l j 利用基于欧拉方法的混合模型( m i x t u r e ) 以及r s m 湍流模型对油 水分离旋流器( l l h c ) 进行了数值模拟研究，模拟得到的速度场和分离效率结果 能够同实测数据较好地吻合，为以后进一步优化设计液液旋流器提供了一定的 参考。 琚选择等 5 2 ，5 3 】使用两相流滑移模型( a s m ) ，并结合雷诺应力模型，对除油水 力旋流器流场进行了非稳态数值模拟，揭示了油水两相的分离过程。研究结果 显示，旋流器能形成稳定的油核，其最大的含油浓度大约为9 0 。油相体积分 数在油核附近还存在显著的过渡，而且有自上游至下游逐渐减小的趋势。 王振波等【5 4 j 采用混合模型( m i x t u r e ) 和雷诺应力模型分别对单入口和双入口 结构的切流式水力旋流器流场进行了数值模拟研究，结果显示：单入口结构的 切流式旋流器流场相对不稳定，有较明显的偏心现象出现；在双入口结构的切 流式旋流器中，油相与水相的体积分数径向梯度相对较大，表明油相更容易往 轴心位置迁移；双入口结构的切流式旋流器比单入口结构工作性能更好，并且 该结论得到了实验结果的验证。 马艺等【5 5 j 使用双流体模型和雷诺应力模型数值模拟了导叶式结构的液液旋 流器流场，考察了操作参数和物性参数对油相浓度分布的影响，计算得到的分 离效率值和实测结果的误差不超过5 。从模拟结果可看出油相浓度沿径向位置 的减小而增大，沿轴向位置的减小而减小；还发现当入口速度增加以及油水密 1 0 第1 章绪论 度差增大时，油相更倾向于往轴心位置聚集，此时能够使分离效率升高。 盛磊祥掣5 6 j 通过f l u e n t 软件建立流体动力学模型，采用m i x t u r e 两相流模型 和r s m 七方程湍流模型，并利用参数化建模，实现了对动态水力旋流器的数值 模拟，计算出三维速度场、压力场和油相浓度的分布规律。又以分离效率作为 指标建立了正交试验表，得到了优化的结构参数组合，并通过对各个因素进行 非线性回归分析，最终求出了分离效率的回归公式，为动态水力旋流器的进一 步研究设计提供了有益的参考。 j i n y uj i a o 等1 5 7 】通过结合实验和模拟仿真两种方法，对带旋转叶轮的旋流器 进行了研究，其中数值模拟采用离散相模型( d p m ) 。结果表明，旋转叶轮对分离 效率的影响非常大，叶轮转速越大，分离效率越高；叶轮转速决定了叶轮区域 流场的切向速度大小；当叶轮转速小于2 0 0 0 r p m 时，分离效率随入口流速的增 大而增大，而当叶轮转速较高时，分离效率随入口速度的增大而减小。 王尊策等【5 8 】使用代数滑移模型( a s m ) 以及修正后的r n g k - 瑞流模型对复合 式水力旋流器流场进行了数值模拟研究，得到了油相的滑移速度和体积分数分 布情况，并且绘出了不同流量下的分离效率曲线，通过模拟得到的分离效率值 和实测值之间的误差不超过7 。 综上所述，国内外学者对水力旋流器的数值模拟研究已经开展了很多的工 作，也取得的了许多成果。由于静态水力旋流器产生最早，自身无运动部件， 结构相对更简单，所以人们对它的数值模拟研究也最成熟和广泛，从单相流的 速度场、压力场的分布规律，到两相流分离效率、分离过程的模拟结果都已经 日益精确，跟实测结果越来越吻合。动态水力旋流器产生比静态水力旋流器更 晚，结构也更复杂，人们对它的数值模拟研究相对少一些。由于它有一个由电 机带动的旋转转筒，在实际操作中，振动很大，会对流场产生干扰，影响轴心 油核的形成，而数值模拟往往不容易考虑到这点。复合式水力旋流器产生最晚， 并且极大地减少了振动，比传统的水力旋流器更有发展前途，近年来得到了人 们越来越多的重视。但是，人们对复合式水力旋流器目前仍以实验研究为主， 数值模拟研究开展得很有限。从湍流模型的使用上看，随着时间的推移，静态 和动态水力旋流器大致经历了从标准肛模型到修正的肛模型( 包括了r n g k - s 模型) ，再到雷诺湍流模型的发展过程。前人的研究表明，具有各向异性特征的 雷诺模型更适合模拟旋流器内部的强旋流场，而在对复合式水力旋流器的流场 进行数值模拟时，王尊策等学者仅使用过r n gk - 模型，目前还未见到使用雷诺 第1 章绪论 应力模型的报道。可以预见，雷诺应力模型将在复合式水力旋流器的数值模拟 中发挥更大的作用。 1 4 本文的主要研究内容 复合式水力旋流器作为一种最近产生的新型水力旋流器，比传统的水力旋 流器具有更多的优点，拥有更大地应用前景和研究价值，因此，本文的研究对 象选择为复合式水力旋流器。为了缩短研究周期、降低费用，本文采用数值模 拟的方法对复合式水力旋流器的内部流场进行分析。在湍流模型的选择上，选 择更适合模拟具有各向异性特征的强旋流场的雷诺应力模型。本文主要研究内 容如下： ( 1 ) 复合式水力旋流器的理论分析 阐述复合式水力旋流器内部涡流运动的特点，推导出旋转流体的能量方程， 进而得到自由涡、强制涡和组合涡的基本运动方程，并简要介绍复合式水力旋 流器的三个主要特征参数。 ( 2 ) 复合式水力旋流器内部流场的数值模拟研究 基于流体动力学理论得出了基本方程，并针对复合式水力旋流器内部流场 的各向异性特点，选用雷诺应力模垂d ( r s m ) 和混合模型( m i x t u r e ) 等对内部的流动 特性进行了数值模拟，得到压力、切向速度、轴向速度、径向速度以及油相体 积分数的分布规律。 ( 3 ) 操作参数对复合式水力旋流器性能的影响分析 基于c f d 研究了主要操作参数( 分流比、含油浓度、流量以及叶轮转速) 对复合式水力旋流器的压力降性能和分离性能的单因素影响规律，并通过正交 试验方案得出这些操作参数分别对底流压力降、溢流压力降和简化效率的主次 影响关系。 ( 4 ) 几何结构对复合式水力旋流器性能影响的分析 基于c f d 研究了旋转栅叶轮和溢流管的主要结构参数( 叶轮直径、叶轮长 度、叶片数目以及溢流管直径) 对复合式水力旋流器的工作性能的影响关系， 为以后进一步设计提供参考。 1 2 第2 章复合式水力旋流器的理论分析 第2 章复合式水力旋流器的理论分析 2 1 复合式水力旋流器流场的特点 在复合式水力旋流器的内部流场中，流体做非常复杂的三维旋转运动，这 种流体的旋转运动又称作涡流运动。复合式水力旋流器的分离过程，实际上是 流体旋涡从产生、到发展、直至最后消亡的过程。因此，有必要先简单地介绍 一下复合式水力旋流器涡流运动的基础理论。 当流体做三维旋转运动时，按照质点是否存在自转进行分类，可以将涡流 运动分成自由涡运动和强制涡运动。自由涡运动也称为无旋或者无涡运动，它 的流体质点不随自身瞬时轴线旋转，其特征是角速度矢量等于零，即a - 0 = 0 。与 之相反，强制涡运动又称作有旋或者有涡运动，它的流体质点会绕着自身的瞬 时轴线旋转，其特征是角速度矢量不等于零，即国0 。与自由涡相比，涡流运 动的主要形式是强制涡。在实际情况下，具有粘性的流体形不成真正的自由涡， 只有当粘性对运动的影响非常小时，涡流运动才能近似为自由涡。 2 1 1 旋转流体的能量方程 图2 1 旋转运动的微元体 假设流体围绕其垂直的轴线转动，如图2 1 所示，在半径，位置截取一段厚 度出、宽度咖的微元体，则同一水平面上的伯努利方程可表示为： 日：计p + 芝 ( 2 1 ) p gz g 式中：h 总压头； 第2 章复合式水力旋流器的理论分析 z 势压头； p 半径，处的压力； p 流体密度； 半径，处的切向速度； g 重力加速度。 将式( 2 1 ) 的方程两边对半径，进行微分，有： 一d h ：上鱼+ 一u e d u o ( 2 2 ) 出 d g 由g 西 、 对体积为咖d z r d o 的微元体单独分析，若作用在该微元体上的压力与离心 力平衡，则沿半径方向的外力之和应该等于零，可得： p r d 6 t t i z 一( p + 印) r d a 龙+ 州a 舭竺互：0 经过化简可得： 字：p 堕( 2 3 )= p 上( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，可得： _ d h ：丝单+ 土生：塑( 挚+ 丝) ：一1 u o )( 2 4 ) 谢r r fudf(rueg d r gg d r g 式( 2 4 ) 表示涡流运动的能量微分方程，反映了流体在涡流运动中的能量变化 规律。同时，式( 2 4 ) 也称作涡流运动的基本方程，当假设条件不同时，由该式可 以分别导出在不同的涡流运动形式下流场的分布规律速度及压力沿径向的 分布规律。 2 1 2 自由涡的基本方程 如果外界不提供能量，则流体的总压头不变，此时的涡流运动可以视作自 由涡运动。于是，在式( 2 4 ) 中，令d h d r = 0 ，有： _ d 口) ：0 上式经变形后，可得出自由涡运动的速度分布式，即：