（工程力学专业论文）复合式水力旋流器耦合流场的研究.pdf

大庆石油学 皖硕= l 研究生学位沦文 复合式水力旋流器耦合流场的研究 摘要 复合式水力旋流器是一种新型的水力旋流器。它是依靠流体在旋流器内部形成强螺旋 流运动产生离心力而使不同密度的介质分离的。在复合式水力旋流器运行过程中，振动是 不可避免的。因而，对考虑振动的复合式水力旋流器的耦合流场进行研究是很必要的。近 年来，应用计算流体力学( c f d ) 的快速发展与广泛应用使耦合流场的数值模拟成为可能， 同时耦合流场的数值模拟也受到越来越多学者的重视。 在对复合式水力旋流器进行振动测试，分离特性实验研究的基础上，本文基于r n g k - e 湍流模型，建立了耦合数学模型。采用控制体积法、非平衡壁面及f l u e n t 软件的用户 自定义功能首次对复合式水力旋流器耦合流场进行了数值模拟。通过数值计算得到了旋流 器内部流场的速度分布特性、压力分布特性、湍动能及其耗散律分布特性规律。 同时为了验证数值计算结果，对静态分离段内部速度场进行测试。并且将实验数据 同数值模拟结果进行了比较，外自由涡区的切向速度数值计算与实际测量数值基本一致， 轴向速度的数值模拟结果和实际测量结果非常接近。这说明本文所采用的数学模型及算 法对复合式水力旋流器内部流场的数值计算是可行的，证明了数学模型和算法的正确性。 本论文所建立的数学模型和所使用的数值计算方法为进一步研究复合式水力旋流器 的分离机理、流场特性及结构优化设计提供一定的理论基础和经验。 关键词：复合式水力旋流器数值模拟湍流数学模型流场振动用户自定义 一 垒! ! ! 坠竖 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo fi n t e r n a lf l o wf i e l dt o c o m p o u n dh y d r o c y c l o n e a b s t r a c t t h ec o m p o u n dh y d r o c y c l o n ei san e wm a c h i n e i ts e p a r a t e sd i f f e r e n ti m m i s c i b l el i q u i d s d e p e n d i n go nc e n t r i f u g a l f o r c ew h i c hs t r o n gv o r t e xi n h y d r o c y c l o n e f o r m s l i b r a t i o ni s i n e l u c t a b l ew h e nt h ec o m p o u n dh y d r o c y c l o n ei sw o r k i n g s ot h er e s e a r c ho fi t sn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc o n s i d e r i n gl i h r a t i o ni sn e c e s s a r y r e c e n t l y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o u p l i n gf i e l di s p o s s i b l eb e c a u s eo ft h ef a s td e v e l o p m e n ta n de x t e n s i v eu s e so fc f d ，a n dt h e nm o r ea n dm o r e s c h o l a r sh a v er e g a r d e du s i n gc f dt os i m u l a t ec o u p l i n gf l o wf i e l do fh y d r o c y c l o n e o nt h eb a s i so fl i b r a t i o nt e s t i n ga n de x p e r i m e n t s t u d yo fs e p a r a t i o nc h a r a c t e ro n h y d r o c y c l o n e ，t h ea r t i c l eu p b u i l d e dm a t h e m a t i cc o u p l i n gm o d e l b ya m e l i o r a t i o no fm o d e l n a m e dr n gk - e t h ea r t i c l ef i r s t l ys i m u l a t e st h ei n t e r i o rf l o wf i e l do fc o m p o u n dh y d r o c y c l o n e u s i n go nc o n t r o lv o l u m em e t h o d ，n o n e q u i l i b r u mw a l lf u n c t i o na n du s e r - d e f i n e df u n c t i o n si n f l u e n td i s t r i b u t i n gc h a r a c t e r i s t i co fv e l o c i t y , p r e s s u r e k i n e t i ce n e r g ya n dd i s s i p a t i o nr a t eo f t u r b u l e n c ei ni n t e r n a lf l o wf i e l do fh y d r o c y c l o n ew e r eg a i n e db yn u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a tt h es a m et i m e ，w ea t t a i n e dv e l o c i t yf i e l db yt e s t i n gs t a t i cs e p a r a t e ds e g m e n tf o r c h e c k i n gu pt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b yc o m p a r i n ge x p e r i m e n td a t aa n dr e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h ec o m p a r i n gt a n g e n t i a lv e l o c i t yr e s u l to fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e a s u r ei sb a s i c l yi d e n t i c a li no u t e rf r e e d o m t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t so fa x i a lv e l o c i t ya n dt h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ev e r ya p p r o a c h t h et w or e s u l t ss h o wm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o m p u t i n gm e t h o d sa d o p t i n gi nt h i sa r t i c l ea n d p r o v et h ec o r r e c t n e s so f m a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o m p u t i n gm e t h o d t h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o m p u t i n gm e t h o dc a na c c u r a t e l yf o r e c a s tt h ei n t e r n a lf l o w f i e l do fc o m p o u n dh y d r o c y c l o n e ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yb a s i ca n de x p e r i e n c ef o rt h es t u d yt o c o m p o u n dh y d r o c y c l o n es u c ha ss e p a r a t i o nm e c h a n i s m ，f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g n k e y w o r d s ：c o m p o u n dh y d r o c y c l o n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t u r b u l e n c e m m a t h e m a t i cm o d e lf l o wf i e l dl i b r a t i o n u s e r - d e f i n e df u n c t i o n s 人庆石油学院硕士研究生学位沦义 第一章绪论 水力旋流器( i q 【y d r o c y c l o n e ) 是一种利用混合液中互不相溶介质之间的密度差，通过离 心力的作用在其内部进行分离的装置”1 。水力旋流器最早应用于固一液两相介质的分离， 即从水中分离出固体介质。并首先在选矿和采矿业中获得应用。 2 0 世纪6 0 年代末期，英国南安普顿大学的m a r t i nt h e w 等人开始研究用水力旋流器 来分离油一水两相介质。1 。经近十年的努力，他们终于得出了肯定的结论，并设计出样机， 于1 9 8 3 年设计生产出第一个商用的高压v o r t o i l 型水力旋流器。该旋流器在澳大利亚的 b a s ss t r a i t 油田的平台上进行试验，取得了令人满意的结果，从此开辟了水力旋流器应用 的另一个新的领域：液一液分离。 随着研究的深入，先后出现了静态、动态、复合式等不同类型的水力旋流器。其中复 合式水力旋流器是在以往技术的基础上提出的一种新型水力旋流器，有很好的发展前景。 随着计算机和测试技术的发展，应用数值模拟技术模拟复合式水力旋流器的耦合流场成为 可能。 1 1 复合式水力旋流器的结构特点及工作原理 1 1 1复合式水力旋流器的结构及其特点 复合式水力旋流器是在静、动态水力旋流器研究的基础上提出的一种新型”1 的液一液 分离设备，其结合了静、动态水力旋流器的优点。对比静、动态水力旋流器的工作状况， 复合式水力旋流器的工作状况在一定程度上得到了改善，使其内部流场更利于分离。因而， 复合式水力旋流器的应用范围“n ”w 不断扩大。 对于静态水力旋流器而言，其结构主要由入口、旋流腔、大锥段、小锻段及尾管段四 部分构成。其内部无运动件，工艺要求也较简单。静态水力旋流器的分离机理是：两种液 体介质的混合液由入口沿切向流入水力旋流器，在其内部形成强烈的涡流”1 ，利用液体之 间的密度差，通过离心力的作用实现分离。静态水力旋流器存在的局限有：处理能力变化 范围小、混合液体的浓度变化不宜过大、需要足够的入口压力等。 动态水力旋流器的混合液体入口在轴线方向上，外壳由电机带动旋转，液体进入旋转 筒后，由摩擦力的带动而形成涡流，从而使油一水两相产生离心分离。动态水力旋流器混 合液体在导向锥及转筒内壁处均受摩擦力作用，因此沿转简跃度方向液流的切向转速可保 持恒定，并且转筒转动方向与液流转动方向致，因此湍流运动太为减少，而且分离区域 长，分离效率大大提高。但动态水力旋流器的也存在缺点：其结构较静态水力旋流器复杂； 旋转叶栅对液体有进一步乳化作用，进而影响分离效率；外壳旋转引起的振动影响旋流器 内部流场的稳定等。 复合式水力旋流器的结构如图卜l 所示。复合式水力旋流器主要由动力头、入口、静 态分离段、出水口及出油口等几部分组成。它将动、静态水力旋流分离技术有机的结含在 第一章绪论 旋流腔空心轴入口腔溢流嘴 底座电机密封装置旋转栅静态旋流分离段底流尾管 图1 - 1 复合式水力旋流器示意图 f i g 1 - ls k e t c ho f c o m p o u n dh y d r o c y c l o n e 一起。具有分离效率高、设备体积小、结构简单、操作灵活、运行连续且稳定等特点。它 弥补了动态旋流器的不足，使振动大大减弱，机械可靠性及运行寿命得以提高：液流旋转 由外部动力驱动，其旋流强度明显增加，因而分离效率更高、压力损失更低。采用类似于 动态水力旋流器的入液结构，同时采用类似于静态水力旋流器的旋流腔结构。由于旋流腔 固定不动，大大降低了结构产生的振动对流场的影响，也保挣了动态水力旋流器旋流强度 高、压力损失小的优点”“。 从复合式水力旋流器结构来看，它不象动态水力旋流器那样有一根较长的旋转简， 因此主支承可以采用单支承结构。由于采用同轴驱动，所以驱动轴必须为空心轴，便于油 核排到集油腔，经出油口排出设备。 1 1 2 复台式水力旋流器工作原理 复合式水力旋流器从结构上可以分为二大部分，即动力部分( 主要实现旋转栅的旋转 运动) 和静态旋流器单体部分。静态旋流器单体的主体由旋流腔段、大锥段、小锥段及底 流直管段四部分组成。液一液分离是利用互不相溶的两种液体间的密度差，在水力旋流器 内部实现离心分离的。当两种液体介质的混合物由入口进入旋流器，在旋转栅的驱动下高 速旋转，进入静态旋流腔内的液体边旋转边沿轴向运动，其运动呈螺旋形。当考查某一轻 质相液滴，如石油液滴在径向的受力时，由于液体的涡流运动，使径向方向的压力分布不 等，边界处较高，核心区域较低，连续相液 体中的液滴产生一个向心压差力昂；另外当 液体在腔内产生旋转运动时，在离心力场内 因惯性力作用，不同液相质点产生大小不同 的作用力，因此油滴存在一个离心力只的作 用。又由于油滴在实际液体中运动，必然存 在粘性引起的斯托克斯阻力e ( 由于原油相 和水相密度差较小，可以忽略方向相反的重 力和浮力引起的作用) 。油滴在这三个力的作 用下，产生了径向方向的运动，因而产生了 两种密度不同的互不相溶的重质相和轻质相 的液体混合物的分离啷j 。图】2 为油滴径向 受力图。 图1 - 2 油滴的径向受力图 f i g 1 2s k e t c ho f f o r c e st oao i l d r o pa tr a d i a ld i r e c t i o n 火庆石油学院硕士研究生学位论文 1 2 水力旋流器内部流场的数值模拟 1 2 1 c f d 概述 c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i dd y n a m i c s ) 技术，即计算流体力学技术，是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。这种计算技 术包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算“”。 计算流体力学是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物，是一门具有强大生 命力的边缘学科。它以计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问 题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以角翠决各种实际问题。它通过计算机模拟获得 某种流体在特定条件下的相关信息。随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展， 几十年来c f d 技术取得了蓬勃的发展。 c f d 看作是在流动基本方程( 质量守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程) 控制 下对流动的数值模拟。也就是说用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量和自定义 的标量的微分方程组，求解结果能预报流动过程的细节，并成为过程姨置优化和放大定量 设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理 出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产 生了巨大的影响1 “。现在c f d 技术已经广泛地应用于工业生产、设计和研究部门。 计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学 理论、数值分析等多学科。这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动着这些学科的深 入发展。由于数值模拟相对于实验研究有其独特的优点，例如成本低、周期短、能获得完 整的数据、能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态等。近些年来，作为研究流体流动 的新方法，c f d 技术已经得到越来越广泛的应用。 数值模拟也存在一定的局限性。首先，要有准确的数学模型，这不是所有问题都能做 到的。有些问题，其机理尚未完全清楚，很难有准确的数学模型，因此限制了数值模拟技 术的应用。其次，数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、 收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程则不是有效 的。最后，数值模拟还受到计算机本身条件的限制，即计算机运行速度和容量的限制。 1 2 2 计算流体动力学的工作步骤 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： 1 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，即建立反映问题各个量之间关系的 微分方程及相应的定解条件。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程，动量守恒方程、 能量守恒方程，以及这些方程的定解条件。 2 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有 限差分法、有限元法、有限体积法等。这不仅包括微分方程的数值离散化方法，还包括贴 体坐标的建立，边界条件的处理等等。 3 编制程序和进行计算。这部分的工作包括计算网格的划分、初始条件和边界条件的 处理、控制参数的设定等等。这是整个工作中花费时间最多的部分。由于求解问题比较复 第一章绪冷 杂，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过实验加以验证。正因为这样， 数值模拟又叫数值实验。这部分工作不是轻而易举就可以完成的。 4 。显示计算结果。计算结果一般通过图表方式显示，这对检查和判断分析质量和结果 有重要的参考意义。 以上步骤构成了c f d 数值模拟的全过程。 1 2 3c f d 在水力旋流器研究中的应用 多年来，国、内外的许多学者一直在对旋流器速度分布进行研究，分别采用电测、光 测等方法测定其内部各点的速度( 切向、轴向速度) 及加速度，分析微粒( 固体颗粒或液滴) 在连续相液体介质中的运动状态，从而掌握微粒在水力旋流器内部的运动规律，建立相应 的数学模型。例如，k ，t h s i e n 和r k 。r a j a m a n i 利用激光多普勒测速技术l d a ( l a s e r d o p p l e r a n e m o m e t e r ) 测出了固一液水力旋流器内部流体的轴向速度和切向速度，并用所建立的数 学模型对径向速度做出了预测“”。在国内，四川联合大学测定过固一液水力旋流器的流场。 尽管水力旋流器的结构相对比较简单，但影响其分离效率的结构参数和操作参数却很 多，这些参数的最佳值要完全通过实验确定，其实验量是非常大的。近年来，随着计算机 的飞速发展，应用计算机根据c f d 的原理和方法，对旋流器内部流场进行数值模拟受到 越来越多的学者的重视”。 国内、外的一些研究人员先后开展了液一液分离静态水力旋流器流场数学模型的研 究，建立的一些理论模型可以帮助人们认识影响静态水力旋流器分离性能的主要参数，以 利于进行更深入的研究“”。在所建立的模型中，按采用的湍流模型可以分为两类，即 k - e 湍流模型和雷诺应力模型。 f r a s l e r ”采用标准k - e 模型，考虑旋转对湍流分布的影响，对湍能耗散方程进行了 修正，在耗散方程中加入一项旋转对流动的影响因素。采用该模型计算旋流器内部的三维 流场，其速度分布的数值模拟结果与实验结果尚存在一定差距，尤其在主要分离段出入较 大。 李玉星等人”3 侧采用r n g 尽e 模型，以s i m p l e 算法为基础，对静态液一液分离水 力旋流器的内部流场进行了数值计算，从所得到的流体流动的速度矢量图和流线图可以看 出，该模型的数值模拟结果能够反映出旋流器内部流体流动的基本规律，但与实测结果仍 存在一定的误差。 李建明、陈文梅等人。1 针对水力旋流器中存在着较强旋流，从而引起各向异性湍流 流动的特点，以强旋流场的雷诺应力模型为基础，得出可模拟静态水力旋流器中液相湍流 流动的各向异性的k - e 模型，计算出的速度分布规律与实测结果比较一致。 从这些研究结果可以看出，由于液一液水力旋流器内部的流场属于强螺旋流，鉴于实 际流动中的湍流性，数值模拟应采用湍流模式。在湍流与螺旋流的相互作用中，流线弯曲、 流动斜交、回流及压力梯度等都是主要因素，特别是湍流对旋流所产生的体积力十分敏感， 更为复杂的是他们的综合作用不同于他们独立作用的叠加。在流场数值模拟方面，模型的 选择仍是一个有争议的问题。采用雷诺应力模型，在个别确定结构的水力旋流器流场数值 模拟时，表现出其计算结果更加接近实测，但该类模型具有计算量大、边界条件不易确定 及收敛性低等缺点。k - s 模型求解相对容易，尽管其在数值模拟水力旋流器流场时误差较 大，但研究成果已体现出合理修正的k - r 模型在模拟水力旋流器内部流场方面是可行的。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 随着水力旋流器应用范围的迅速扩大和人们对其分离性能指标要求的日益提高，按照 传统的经验或半经验公式进行旋流器设计方法的局限性越来越明显。通过数值模拟技术研 究旋流器内部流场的分布特性和流动状态，对旋流器分离机理的认识和结构优化设计方面 的推动作用已经得到了一致的认同。这方面的研究主要集中在平稳情况下运行的静态水力 旋流器和复合式水力旋流器方面，未考虑振动。对于新型复合式水力旋流器耦合流场的数 值模拟，目前尚无此方面的相关报道。复合式水力旋流器作为一种新型旋流器有着广泛的 应用前景，但对其结构及尺寸的优化设计还有待于进一步的研究，因而考虑振动对其内部 流场的影响是很有必要的。计算机数值模拟方法为复合式水力旋流器内部流场的研究提供 了一条科学、有效、快捷的研究途径，并为其结构及尺寸优化提供便利条件。 1 3 耦合流场的研究现状 耦合顾名思义就是几种具有不同特性的运动形式相互作用。而对于流体和固体，流体 在固体内流动必然会并存有流体的流动、压力波动以及固体的振动等多种运动形式，而它 们的耦合作用就称为流体与固体之间的耦合( f l u i ds t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ) ，或者简称为流 固耦合1 ( f s i ) 。 流体和结构之间的耦合互动问题几乎在所有的工业领域中都能遇到，而对于复合式水 力旋流器，其耦合振动问题是这一领域较前沿的研究方向，有着广泛的工业应用前景，同 时也面临着很多具有挑战性的问题。 对该问题研究比较早的是输流管的流固耦合，在十九世纪，m e n a b r e a 和j o u k o w s k y 就对该问题进行了研究。而自从二十世纪五十年代以来，由于科学技术的快速发展、计算 方法的不断改进和完善，以及人们对该问题的日益重视，对管道的流固耦合问题的研究也 有了长足的发展，至今流固耦合问题已经成为- - f - j 多学科交叉、理论和实际应用结合的前 沿性学科。 在复合式水力旋流器正常运行过程中，振动是不可避免的，这必将影响旋流器内部流 场的分布规律及分离效率。因而，研究考虑振动的耦合流场的分布规律与分离机理是很必 要的。 对复合式水力旋流器的流固耦合的问题尚无相关的报道，因而，我们也只能从管道系 图卜3 水锤、激励源与流固耦合之间的关系 f i g 1 3r e l a t i o na m o n g w a t e rh a m m e r , i n s p i r a t o r sa n dc o u p l i n g sb e t w e e ns o l i da n dl i q u i d 第一章绪论 统的流固耦合中借鉴一些经验，为复合式水力旋流器的更充分利用和发展做些贡献。 管道系统的耦合3 作用一般可分为：流固耦合，波流耦合和波波耦合等三类。一般情 况下，分析过程中都忽略流体的压缩性，所以对考虑压缩性的波流耦合和波波耦合研究很 少，而对流固耦合的研究较多。w i g g e r t 汹1 用图卜3 来说明了水锤，流固耦合现象以及激 励源之间的关系。 归纳起来，耦合根据不同的结合机理可以分为以下的几种： 1 摩擦耦合 摩擦耦合“”舯“删是由于流体具有粘性，而流体与管壁之间又存在着相互运动，这样通 过粘性摩擦力的作用而导致的一种边界接触耦合。这种耦合形式在一般情况下对系统特性 的影响不大，可以不用考虑。但是在高频范围内，由于运动的频率相关特性，它的特性变 得很复杂，这时将不能忽略其影响。 2 泊松耦合 泊松耦合是流体力学与管壁之间产生的一种由局部相互作用而导致的沿程耦合，由于 该耦合的强烈程度与管材的泊松比有密切的关系，所以称之为泊松耦合。泊松耦合存在于 整个管道当中，所以属于分布耦合。 3 结合部耦合 结合部耦合是流体在流经阀门、弯头、三通等结合部位时，由于流体压力或是某一方 向上的动量变化从而使流体对结构产生作用力；结构也会使流体的运动状态发生变化。 于是，在结合部发生流体与结构之间较强的耦合作用。结合部耦合对系统运动特性的影响 同样十分明显。 4 b o u r d o n 耦合 b o u r d o n 耦合在管道的弯段处，其截面形状往往不是圆的，这就强制改变了流体的运 动方向和流动状态，从而引起流体压力的变化；而流体压力的作用对弯管又具有某种“拉 直”的效应。这种流固耦合效应称为b o u r d o n 耦合。 对考虑振动的复合式水力旋流器，其实际的耦合流场的数值计算研究是指在理论研究 成果的基础上，在符合实际工作情况的条件下，对旋流器进行适当的假设，使复杂的壁面 和流体的振动得以简化，这对于复合式水力旋流器的优化设计是十分必要的。 对于复合式水力旋流器来讲，流体与边壁之间的相互影响一般就分为两个方面，一 方面是旋流器器壁的振动对流体的影响；另一方面是流体的脉动对旋流器的器壁的影响， 但是由于旋流器内的强螺旋流的影响，脉冲对其影响很小，在此我们忽略。对复合式水力 旋流器的振动进行建模，由于侧重点不同，所建立的模型也有一定的不同，但是一般的都 采用了这样的假设：流体无粘性，不可压缩；壁面振动不考虑剪切变形和截面转动惯量的 影响等。 1 4 本论文研究的内容及意义 14 1 本论文研究的内容 本课题的研究范围涉及到旋流分离技术、流体力学、计算流体力学、测试技术、数值 6 大庆石油学院硕土岍究生学位论文 计算方法和计算机科学等多学科。运用c f d 在计算机上进行计算，得到复合式水力旋流 器内部耦合流场的轴向速度、切向速度、径向速度、压力、湍动能及湍流耗散率等描述流 场特性参数的分布规律。通过对水力旋流器内部流场的深入研究，掌握流体的运动规律， 能够为复合式水力旋流器的结构设计和尺寸优化提供理论指导。研究的主要内容包括以下 几个方面： 1 建立物理和数学模型 在现有的复合式水力旋流器样机的基础上对其进行合理的简化，以建立相应的物理模 型。基于r i n gk - e 湍流模型，在考虑振动对流场的影响的情况下，建立能够真实描述复 合式水力旋流器的内部流场的耦合数学模型。 2 在计算机上绘制几何模型，并对其进行网格划分 在计算机上建立复合式水力旋流器的几何模型，然后采用贴体坐标对计算域进行网格 划分。 3 对边界条件进行处理 对入口边界、底流出口边界、溢流出口边界、近壁条件和壁面处理等作出合理的假设 和处理。 4 边界条件的加载 在计算机上，对振动进行合理假设和处理，加载到流体计算软件中去，以得到符合复 合式水力旋流器的耦合流场的正确运算方法。 5 离敬方程，选取算法，进行求解 采用有限体积法，将描述流场的偏微分方程组转化为节点上的代数方程组。应用耦合 求解器，隐式方案求解离散方程。 6 分析计算结果 对计算数据和实验数据进行比较分析，反复修正各种条件使得计算数据与实验数据相 吻合。通过分析得出复合式水力旋流器耦合流场的分布规律。 1 4 2 本论文研究的意义 在水力旋流器发展应用初期及以后相当长时期内，由于理论分析计算上的困难和测试 手段的限制，水力旋流器的研究主要集中在分离或分级性能以及操作性能的研究上。即把 水力旋流器视为一个“黑体”( 基本上不考虑内部流动状态) ，通过改变设计和操作参数以 及物理特性的外部条件来研究所对应的分离分级性能，从而得到一系列的经验和半经验数 学模型，用于指导同类型水力旋漉器的设计与运行操作。随着对水力旋流器的深入研究， 按照传统的方法进行设计和优化的局限催越来越明显。 复合式水力旋流器在正常运行过程中，振动是不可避免的，这必将影响旋流器内部流 场的分布规律及分离效率。那么。研究其内部耦合流场的分布规律也就非常必要。 计算机的飞速发展，使得应用c f d 技术模拟耦合流场成为可能呻“1 。本课题运用计 算流体力学理论，建立适合于复合式水力旋流器流场的耦合数学模型。通过求解流体力学 的基本数学方程，模拟出复合式水力旋流器内部流体的耦合流动状态。分析计算结果得到 复合式水力旋流器内部流体耦合流场的流动规律。这将对旋流分离技术继续深入的研究和 应用起到积极的促进作用。 本研究首次将计算机数值模拟方法应用到复合式水力旋流器的流固耦合流场的研究 7 第一章绪论 上，不仅为其耦合流场的研究提供了一条科学、有效、快捷的途径，而且为复合式水力旋 流器的结构尺寸优化奠定了理论基础。 1 5 本章小结 1 简要概述了复合式水力旋流器的结构特点和工作原理。 2 介绍了计算流体力学技术及其在旋流器中的应用。指出旋流器建模需要将数学方法 和实验方法结合起来考虑。 3 介绍了耦合的意义、特点以及耦合研究的现状，并对该旋流器的振动耦合提出观点。 4 提出复合式水力旋流器流态的数学模型建立及振动耦合的数值模拟是本论文的研 究重点，并阐述了其中的主要研究内容及本论文的研究意义。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第二章复合式水力旋流器的振动特性分析 机械振动是工程技术和日常生活中常见的现象，大多数情况下，机械振动是有害的。 复合式水力旋流器是通过电机带动旋转栅旋转，工作时必然产生振动，振动也必然会对流 场产生影响。为了模拟复合式水力旋流器在一个有较高分离效率下的相对稳定的流场，我 们在实验中测量了大量的数据，为复合式水力旋流器的振动耦合流场的模拟做好准备。 一般振动测试大致可分为两类：一类是测量设备和结构所存在的振动；另一类是对设 备或结构施加某种激振使其产生振动。根据我们的实验要求，对振动进行测量，只需测出 被测对象某些点的位移或速度、加速度和振动频率。 2 1 测试过程和测试系统的一般组成 一般来说，测试工作的全过程包含着许多环节：以适当的方式激励被测对蒙信号的转 换，信号的调理，分析与处理，显示与记录。测试系统的框图可用图2 - 1 来表示： 图2 - 1 测试系统框图 f i g 2 - 1s k e t c ho f t e s t i n gs y s t e m 厂磊 i 记录 l i一 传感器直接作用于被测量，并能按定的规律将测量转换成同种或别种量值输出，这 种输出通常是电信号。 信号调理环节把来自传感器的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。这时的 信号转换，在多数情况下是电信号之间的转换。例如，将幅值放大，将阻抗的变化转换成 电压的变化，或将阻抗的变化转换成频率的变化等等。信号处理环节接受来自调理环节的 信号，并进行各种运算、滤波、分析，将结果输至显示、记录或控制系统。 信号显示、记录环节以观察者易于认识的形式来显示测量结果，或将测量结果存储。 并非所有的测试系统都具备上图所示的所有环节，所应用的环节必须遵循各环节输出量与 输入量之间保持一一对应和尽量不失真的基本原则，且必须尽量减少或消除各种干扰。 第二章复台式水力旋流器的振动特性分析 2 2 实验装置及测试仪器 1 实验装置 具体的实验装置如下图2 2 和图2 3 所示。 图2 - 2 f i g 2 2 2 实验中传感器测量位置 图2 - 3 f i g 2 - 3 图2 - 4 传感器测试位置示意图 f i g 2 4s k e t c ho ft e s t i n gt r a n s d u c e r sp o s i t i o n s 各传感器的布置位置如图2 - 4 所示，1 、2 传感器在旋流腔与大锥段交界处，3 、4 传 感器布小锥段支撑处，5 、6 传感器布小锥段变径处，7 、8 传感器在底流口处。采用的传 感器型号是t s l l 0 2 ，频率范围为i 1 5 0 0 h z ，横向 2 l ，由于复合式旋流器最高频率低于1 0 0 0 t f z ，实验所用采样频 率为f 得精确频谱主峰的所在频率。在信号处理时，凡是将信号截断、分块都相当于对信号加了 矩形窗，矩形窗的主瓣高为t 、宽为2t - j 、第一旁瓣幅值为- 1 3 d b 、相当于主瓣高的2 0 ， 旁瓣衰减率为2 0 d b 1 0 倍频程。和其它窗相比，矩形窗主瓣最窄，旁瓣则较高，泄漏较大。 在实验中我们测量了大量的数据，从中分析各工况下产生的振动对复合式旋流器的影 响。在正式进行数据分析之前，首先要对原始数据进行平稳性检验。本实验采用目视检查， 平稳随机振动信号的重要特征是振动的平均值波动很小r ，且振动的峰谷变化比较均匀。 鉴于李森同学所作的振动特性研究工作，可以看出旋流腔、大锥段和小锥段的振动趋 势相似。由于大锥段是主要的分离部分，因而，我们采用大锥段的振动数据对复合式水力 旋流器进行耦台数值模拟。 2 4 振动的数学模型 鉴于复台式水力旋流器的轴向振动很微小和流体的脉动对流场的影响很微小，本文只 考虑与轴向垂直方向上的振动对流场的影响。因而，我们可以取z 坐标方向为轴线方向， x 坐标和y 坐标分别为横截面的两个方向，坐标方向如图2 - 5 所示。 四y谷 x x 图2 5 复合式水力旋流器的坐标示意图 f i g 2 5s k e t c ho f c o m p o u n dh y d r o c y c l o n e sc o o r d i n a t e 通过振动测试实验采集到的数据，我们可以得出复台式水力旋流器边壁的振动在一定 大庆石油学院硕士研究生学位沦文 时问范围内重复出现，因而我们可以假设其边壁振动的速度是几个线性的简单周期信号的 叠加。则与复合式水力旋流器轴向垂直的边壁振动速度“”如表2 2 ( 部分数据) ，其表达 式为： v a o = a 。s i n ( 2 ，v f t 十怫) ”。 ( 2 - 4 ) 一( ，) = 以s j n ( 2 刀五，+ ) 式中：v a t ) 、( f ) 分别为j 和，方向上的振动速度；以和以分别是不同频率下的振 动速度的最大振幅：正和厶为振动的频率；纯和是不同频率下的相角；通过振动测试 实验的数据进行提取。 流量5 5 m 3 h ，分流比为1 2 ，旋转栅的频率3 0 h z 时，分离效率最佳，此时n - - m = 1 0 ， 以、a 。、工、厶、识、的值如表2 2 所示。 表2 - 2 不同频率下的4 、以、z 、厶、纯、的值 f i g 2 、2 t h ev a l u eo fa ，a m ，f n ，f 。，甲。a n d 节。u n d e rd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s n m 肱( h z ) 4 ( 1 0 1 m s 。)以( 1 0 1 m s l )纸( r a d )( t a d ) l3 0 01 4 61 3 o一0 4 1 30 4 0 9 2 6 0 o5 4 41 6 2 70 5 0 3- 0 5 7 2 3 9 0 01 0 7 94 8 30 5 9 20 5 6 7 4 1 6 7 51 7 3 9 05 1 0 00 3 9 60 3 7 8 5 2 4 7 55 1 9 0 3 8 50 3 0 9 0 3 0 8 64 0 7 54 3 6 08 4 4 00 4 2 10 4 3 7 74 3 7 52 6 6 02 0 3 00 4 9 60 5 0 9 86 5 5 01 6 4 09 2 4 00 9 8 90 9 8 l 98 4 0 01 7 7 02 6 5 0o 6 1 2o 6 7 1 l o9 0 2 51 1 1 01 9 0 00 。5 9 40 5 9 6 将表2 - 2 的数值代入到式子( 2 4 ) 中就能得到已知系数的方程组，这就使求解更加 容易。 2 5 本章小结 1 简单地介绍了振动测试的组成，实验装置及测试仪器以及实验的部分数据。 2 简要介绍了振动数据的处理方法。 3 提出复合式水力旋流器流态的振动耦合的数值模拟的实现方法。 第三章 复合式水力旋流器振动耦台流场的数值模拟 第三章复合式水力旋流器振动耦合流场的数值模拟 水力旋流器流场的研究在机理研究中占有举足轻重的地位，而其运行时振动是不可避 免的，这必然对其内部流场产生影响。为了寻找更合理的水力旋流器结构和建立有效地预 测其性能的数学模型，对其内部流体振动耦合后的运动规律进行研究是非常必要的，即是 对旋流器的耦合流场特性进行研究是很必要的。 鉴于已有的水力旋流器流态数学模型均没有考虑结构的振动对流场的影响，对复合式 水力旋流器内部耦合流场的研究，是拟结合复合式水力旋流器的结构特征，在湍流模式的 基础上，将流体模型和结构的振动模型综合起来，建立合乎其内部流场实际的耦合流态模 型，为水力旋流器结构的合理设计、运行参数的合理选择提供依据。 正确认识分离段内流体的耦合流动状态、研究其耦合流场分布规律，可以合理确定水 力旋流器运行的操作参数，提高水力旋流器的运行效率。这将有利于推动旋流分离技术的 发展，同时也为类似流体机械内部耦合流场的分析提供新的思路。具有重大的现实意义。 对水力旋流器流场的研究主要分为两个方面：一是速度场，主要是通过实验的手段对 三个速度分量进行测定，分析其分布规律，或以流体力学基本方程进行理论分析；二是压 力场，目前国f l , j 步r 对其研究主要局限于外特性上。由于实验条件所限，对其流场内部的压 力分布研究较少。 随着数值分析、计算流体力学、测试技术、微型计算机和湍流模型理论的发展，数值 模拟技术在流体动力学研究及工程实践中得到广泛的应用。本章从水力旋流器流场分析的 基本理论出发，选出了适合于复合式水力旋流器内部流场计算的r n g 尽s 模型，通过对 振动的合理处理和对r n gk - e 模型的研究，建立了能真实描述复合式水力旋流器内部流 场的耦合数学模型洲。通过数值模拟技术得至- i l y 复合式水力旋流器内部耦合流场的分布特 性，为进一步的研究打下理论基础。 3 1 流场的数学模型 3 1 1n s 方程 由流体力学可知，微分形式的动量方程为： p 等钟等 当容积粘度“= 。，五= 一吾掣。由牛顿流体本构方程 o p = 一p 6 8 + a 6 h 可h + 2 坪u 得到： ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 大庆石油学院硬l 学位论文 盯口一【p + 专胛叫氐+ 2 # e ( 3 3 ) 将( 3 - 3 ) 式代入( 3 一1 ) 得： p - 磊- = w , a i ( p 争u 吲协剀 t ， ( 3 4 ) 式为牛顿流体的运动方程，称为纳维一斯托克斯方程( n a v i e r s t o k e se q u a t i o n ) ， 简称n - s 方程。 对于不可压缩流体，v h = 0 ，故n - s 方程可写成： p 鲁= 一妾+ 差 s ， 或写成向量形式： 尸掣：一v p + # v 2 口 ( 3 6 ) 在水力旋流器流场研究中常采用桂坐标系统这是由于在该坐标系下，旋流器的液流 运动可以分解为径向、切向及轴向三维流动，而这三个方向的实际流动状态可利用激光测 速仪等设备进行测定。考虑旋流器内部液体的流动可视为轴对称流动，故在柱坐标系下， 相应的n - s 方程可写为： 0 v ，等鼍一爿= 一考+ ( 鲁+ 等+ 鲁一 p ( v 鲁誓+ 纠= ( 争+ ；警+ 争专) p ( v ，等誓) = 一考+ ( 争+ ；等+ 等 ( 3 7 ) 在柱坐标系中，不可压缩流体的连续方程为： ! 生+ ! 鉴+ ! 二：0( 3 - 8 ) 。ra zr 通过( 3 7 ) 式和( 3 - 8 ) 式，并作出适当的假设，可相应得到径向速度队轴向速度n 和切向速度瘦该说明的是，在建立n s 方程中，斯托克斯作了三点假设： 1 ) 在静止流体中，切应力为零： 2 ) 应力张量口。与变形速率张量e 。之闯为线性关系： 3 ) 流体是各向同性的。 由此可见，n s 方程的解析解通常只有在少数简单的边界条件下获得，对于水力旋流 器这类具有复杂边界条件的流动问题的理论精确鳄至今尚无法给出洲。因为，对于水力旋 流器而言，经过大量的实验研究表明，旋流器内流体的流动是强旋转流动，即流体是各向 第三章复合式水力旋流器振动耦合流场的数值模拟 异性的。所以，在分析旋流器内部流场时，若不作适当的技术处理，而直接采用n s 方程， 是不可能获得精确解的。 3 1 2 时均方程一雷诺方程 湍流出现在速度变动的地方，这种波动使得流体介质之间