（检测技术与自动化装置专业论文）新型收油器的流体数值模拟与优化.pdf

了 丫节 t h ef l u e n tn u m b e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o no f n e w s k i m m e r at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y f a nf u l i n ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh o uj i e m i n j u n e2 0 1 1 、， ii：一=媾；， 一弋舻 丫 丫警 ， 7 譬 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博硕 士学位论文 = = 堑型蝗迪鲞的逋佳数值搓翅皇选丝：。除论文中已经注明引用的内容外，对 论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者签名：麴丛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，i l p - 大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密矾请在以上方框内打“ 论享作者签名：勺乱确乖卜导师签名： 7 拦刁1 、 日期：知f 年7 月5 日 j弋口 、了咚 丫y 气 j 毒 中文摘要 摘要 随着社会经济的飞速发展，无论从航天、汽车、军工、燃料等哪方面讲，石 油制品都已经成为贯穿国民经济各个领域的必需品，并由此引发了一系列的海洋 石油泄漏事件，可以毫不夸张地说，石油在带给人们巨大收益与便利的同时，也 带来了日益严重的海洋溢油污染问题。为了减小溢油对海洋生态环境造成的危害， 并从资源回收再利用的角度考虑，采用收油器进行海上溢油回收是目前最理想的 溢油应急处理方式。 现有收油器大都或多或少的存在功能单一、回收效率不高、结构复杂、受环 境条件影响大等缺点，急需改善。本文通过对新型动态曲面式收油器和现有各种 类型收油器的比较分析，从工作原理中找出各自的优缺点，并通过c a d 与c f d 相结合的方法，针对动态曲面式收油器中具有油水预分离功能的导流板进行不同 设计模型的数值模拟，最后通过综合比较各模型流场特性来获得最优的收油器入 口流道结构，从而提高其油水分离效率。具体工作如下： 1 以动态曲面式收油器为优化对象，在分析其工作原理后，找出对收油器的 油水分离效率起主要影响的结构因素并对其进行合理的抽象与简化。针对该结构 建立具有不同尺寸和形状的c a d 模型及相应的数学模型。 2 将上一步已经建立的各c a d 模型进行网格化处理，并利用流体仿真软件 f l u e n t 在模型内部只有水的情况下进行单相流的数值模拟，从而获得各模型内 部的速度场分布特性。 3 计算各模型内部曲面流道附近流场的速度矢量，并以代表油滴上浮速度的 y 轴正向平均速度和代表流体流动趋势的x 轴正向平均速度来综合比较各模型设计 的优劣，从而得到曲面流道的最优设计模型。 4 运用f l u e n t 软件中的混合物模型( m i x t u r e ) 模拟计算各模型内部油水 分离状况，得到各个模型内部的油水分离效率，从而与单向流的分析结果进行相 互验证。最终从理论上使收油器达到最佳的油水分离状态，并结合实践调整或改 进收油器导流板的形状和位置，以获得更加实用的高性能收油器。 关键词：油水分离；动态曲面式收油器；数值模拟 一 、； rojli_l-、ilijljjlliifii i；i? 誓r 芦 y 。 f 7 2 1 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , b o t hi na e r o s p a c e ，a u t o m o t i v e , m i l i t a r y , f u e la n do t h e rw a y s ，p e t r o l e u mp r o d u c t sh a v eb e c o m ean e c e s s i t yi na l la r e a s t h r o u g h o u tt h en a t i o n a le c o n o m y , a n db r i n gas e r i e so fm a r i n eo i lp o l l u t i o n i ti sn o e x a g g e r a t i o nt os a yt h a tp e t r o l e u mb r i n gh l l g eg a i n sa n dc o n v e n i e n c ef o rp e o p l e ，b u t a l s ob r i n gas e r i o u so fm a r i n eo i lp o l l u t i o n i no r d e rt or e d u c et h ed e s t r o yo ft h eo i ls p i l l o nt h em a r i n ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n dc o n s i d e ra b o u tt h er e s o u r c er e c y c l i n g ，u s i n g s k i m m e rf o rr e c o v e ro i ls p i l li sc o n s i d e r e da st h eb e s tw a yo fo i l s p i l le m e r g e n c y r e s p o n s e m o s to ft h ee x i s t i n gs k i m m e r sm o r eo rl e s se x i s to fs i n 酉ef u n c t i o n ，r e c o v e r y e f f i c i e n c yi sn o th i g h ，c o m p l e xs t r u c t u r e ，a f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n ss e r i o u s a n du r g e n tn e e dt oi m p r o v e b a s e do nc o m p a r ea n da n a l y s i st h en o wd y n a m i cs u r f a c e o i ls k i m m e ra n dt h ee x i s t i n ga l lk i n d so fo i ls k i m m e r , f i n do u to ft h e m s e l v e sa d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sf r o mt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，a n dt h r o u g ham e t h o do fc o m b i n a t i o n c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，s i m u l a t et h ed e f l e c t o rw h i c h h a st h ef u n c t i o no fo i l - w a t e rp r e - s e p a r a t i o ni nd y n a m i cc u r v e ds u r f a c eo i ls k i m m e ro f d i f f e r e n td e s i g nm o d e l s ，a n dt h e nt h r o u g hac o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no fe a c hm o d e l s f l o wf i e l d ，a tl a s t ，a c c o r d i n gt h i st oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ei n l e tf l o wp a t ht o e n h a n c eo i l w a t e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c y s p e c i f i c a l l ya sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ed y n a m i cc u r v e ds u r f a c eo i ls k i m m e ra st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t ，a f t e r a n a l y s i si t sw o r k i n gp r i n c i p l e , f i n do u to ft h em a i ns t r u c t u r ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e o i l w a t e rs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eo i ls k i m m e ra n dc o n d u c tr a t i o n a la b s t r a c ta n d s i m p l i f i e d b a s e do nt h es t r u c t u r ee s t a b l i s hi t sc a d m o d e l sw h i c hh a v ed i f f e r e n ts i z e s a n ds h a p e sa n dc o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l s 2 w i t ht h ec a dm o d e lt l l a th a v ea l r e a d yb e e ne s t a b l i s h e dl a s ts t e pm e s h i n g , u s i n g f l u i ds i m u l a t i o ns o f t w a r ef l u e n tc o n d u c ts i n 百e p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w h e nt h e r ei so n l yw a t e ri nt h em o d e lt oo b t a i nt h ef l o wf i e l do ft h em o d e li n s i d e 3 i nt h ev e l o c i t yf i e l dt h a tn e a rt h ec u r v e ds u r f a c ef l o wp a t h ，c a l c u l a t et h ep o s i t i v e y - a x i sa n dt h ep o s i t i v ex - a x i sa v e r a g es p e e do fe a c hm o d e l ，t h r o u g hw h i c ht oc o m p a r e t h em e r i t so ft h ed e s i g n e dm o d e l si nw h i c ht h ey - a x i sa v e r a g es p e e dr e p r e s e n tt h e v 。吁 英文摘要 f l o a t i n gr a t eo ft h eo i ld r o p l e t sa n dt h ex - a x i sa v e r a g es p e e dr e p r e s e n tt h ef l u i df l o w t r e n d s ，a n df i n a l l yo b t a i nt h eo p t i m a ls t r u c t u r em o d e lo fs u r f a c ef l o wp a t h g u s i n gt h em i x t u r e m o d e lw h i c hi si nf l u e n ts o f t w a r es i m u l a t et h eo i l - w a t e r s e p a r a t i o nc o n d i t i o n so ft h ei n t e r n a lm o d e l s ，a n dg e tt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yv a r i a t i o n w i t ht h eo p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sc h a n g e s ，w h i c hv e r i f i e st h ea c c u r a c yo fo p t i m i z a t i o n r e s u l t s e v e n t u a l l ym a k et h eo i ls k i m m e ra c h i e v et h eb e s to i l w a t e rs e p a r a t i o n c o n d i t i o n si nt h e o r y , a n dw i t hp r a c t i c e ，a d j u s to ri m p r o v et h es h a p ea n dl o c a t i o no ft h e d e f l e c t o r k e y w o r d s ：d y n a m i c s u r f a c eo i l s k i m m e r ；o i l - w a t e rs e p a r a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 、。 一 、 由- 睹 咀 f 钿 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景和研究意义1 1 2c f d 及其软件介绍。2 1 2 1c f d 的产生和发展。2 1 2 2f l u e n t 软件概述，3 1 2 3 利用f l u e n t 进行模拟分析的步骤4 1 2 4 有限体积法6 1 3 结合c f d 与c a d 进行优化设计的成功应用7 1 4 论文的主要内容8 第2 章动态曲面式收油器的原理简介及其优势分析。9 2 1 现有收油器综述9 2 1 1 利用油对某些物质的粘附特性制作而成的收油器9 2 1 2 利用油水密度差来达到油水分离目的的收油器。1 2 2 1 3 利用油和油水混合物的流动特性来进行油水分离的收油器1 4 2 1 4 通过在集油舱内建立真空来完成油水分离的收油器。1 5 2 2 动态曲面式收油器的原理分析1 6 2 3 动态曲面式收油器的优势1 7 2 4 本章小结。1 9 第3 章收油器曲面流道的建模与仿真2 l 3 1 曲面流道的模型设计与计算步骤概述2 l 3 2 收油器的几何建模2 1 3 3 计算网格的划分：2 4 3 4 计算模型的建立2 5 3 4 1 湍流模型2 7 3 4 2 关于r e a l i z a b l ek 模型的选择2 9 3 5 控制方程和边界条件的设定3l 3 5 1 模型假设3l 3 5 2 边界设置3 2 3 6 计算收敛判断：3 4 3 7 计算结果分析3 6 3 8 本章小结4 0 第4 章油水两相流的模拟仿真4 l 4 1 引言4 1 4 2 两相湍流计算模型建立4 l 4 3 物理模型及网格划分4 4 ；4 4 边界条件的确定4 4 4 5 计算过程及收敛判断4 5 4 6 计算结果分析4 7 4 6 1 分离效率4 7 4 6 2 油相浓度分布云图4 7 4 7 本章小结5 2 目录 第5 章总结与展望5 3 5 1 总结5 3 5 2 展望5 3 参考文献。5 5 至i 【谢5 9 、 厂 、 q 口 “ ， k 新型收油器的流体数值模拟与优化 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和研究意义 随着社会经济的迅速发展，无论从航天、汽车、军工、燃料等各方面讲，石 油制品都已经贯穿于国民经济的各个领域并带来了一系列的海洋溢油污染问题。 尤其是最近发生的墨西哥湾溢油事件以及大连港石油泄漏事件一方面给我们敲响 了警钟，一方面突显了海洋生态的脆弱性以及协调处理海洋开发与海洋治理的重 要性。目前我国各种海洋开发正在加速进行，海上开采活动日益频繁，海上能源 运输日趋活跃，发生海洋污染事件的几率也随之增大。溢油污染具有随机性、和 突发性两大特点，随着越来越多的大型、超大型油轮不断投入运营，溢油事故一 旦发生，势必会引发大量的溢油进入海洋环境，使自然资源和生态环境遭受巨大 损害【i 】。随着时间的推移，进入海洋中的溢油可能会在外界条件的作用下发生漂移、 扩散以及风化等一系列的变化，使其处理难度增加，溢油处理不仅会耗费大量的 人力、物力、财力，严重时甚至会危及到一个城市的生存和发展，因此探求更加 快速有效的溢油处置、回收和清除技术迫在眉睫。 常用的溢油处理方法包括物理回收法、化学处理法以及微生物分解法【2 】。物理 回收方法主要是采用机械装置如收油器、专业收油船等进行海面溢油回收；化学 处理法主要是依赖于消油剂的喷洒以及在特定的条件下进行海面溢油燃烧的方 法；微生物分解则主要靠一种能够分解石油的微生物，然而由于消油剂毒性的存 在以及微生物分解的缓慢，并且从环境保护和资源回收再利用的角度着想，应用 机械设备进行海面溢油回收是最理想的溢油处理方式。作为最主要的机械溢油回 收装置，目前真正得到应用的收油器种类繁多，但从工作原理来看，主要分为粘 附式、真空抽吸式、堰式、动态斜面式等多种类型【3 1 ，然而传统的收油器由于受自 身缺点的限制，大部分都是非常具有针对性的。它们或受油品黏度的限制，只能 回收特定黏度的溢油；或受油膜厚度的限制，只能回收较厚油层的溢油；或受外 界条件的限制，对风浪及水中垃圾特别敏感；或受回收地点的限制，只能在港口 以及平静水域进行溢油回收；或受回收能力的限制，回收的油水混合物中含水量 高。所以当前急需一种安装快捷方便、无视油品黏度、回收效率高、回收能力强 的新型收油器。 第1 章绪论 针对目前我国溢油回收设备严重缺乏的不利局面，本文在深入分析了新型动 态曲面式收油器【4 】工作原理的基础上，运用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 ) 与 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 相结合的优化设计方法，对其具有油水预分离功能的 关键部位的设计参数进行了优化，从而在理论上使其达到具有最优油水分离效果 的尺寸和形状，并结合实际进行调整和改进以得到实用性更高的新型收油器。 1 2c f d 及其软件介绍 1 2 1c f d 的产生和发展 流体流动大量存在于自然界及多种工程领域中，为了解决各种实际问题，必 须进行了解和预测各种未知的流动状况。这就需要给出控制该流动过程的相关物 理量如速度、压力等。为了获得流场中各点具体物理量的数值和变化情况，理论 上来说只能通过求解该物理量所满足的连续方程、动量方程和能量方程等基本控 制方程，然而鉴于这些方程本身通常为非线性的偏微分方程，所以仅有极少数的 问题能够得到确切的解析解或摄动解【5 】，于是，计算流体动力学应运而生。 计算流体动力学是研究基于流动基本控制方程下流动的一种数值模拟方法【6 1 。 数值模拟是在计算机上实现的一个特定的运算，通过数值计算和图像显示履行一 个虚拟的物理一数值试验。通过这种数值模拟的方法，即使是极其复杂的问题， 也可以得到其流场内部各个空间位置上的速度、压力和温度等基本物理量的分布， 甚至是这些物理量随时间的变化规律等。此外，还可以由此推算出其它的相关物 理量( 例如旋转式流体机械的转矩、流动损失和效率等) 。 计算流体动力学的基本思想可概括为：用已经离散化的有限个离散点上的变 量值的集合来替代原来在时间域和空间域上连续的物理量，通过某种特定的原则 和方法对流动的基本控制方程进行离散化处理，从而由各离散点上变量之间的关 系建立起代数方程组，求解该方程组即可获得各个所求变量的近似值r 7 1 。 近十多年来，计算流体力学获得了飞速的发展和更加广泛的应用，几乎所有 关系到流体流动、热能交换、组分传输等现象的问题，使用c f d 进行分析和模拟 后都能够得到更好的解决和处理，计算流体力学已经不仅仅作为一种研究工具， 而且还作为一种设计工具应用在环境工程、水利工程、土木工程等各种领域【8 】。对 于这些问题的处理，过去主要是通过基本的理论分析和大量的物理模型试验来实 2 、 它p v 善 娥 p 蜗 新型收油器的流体数值模拟与优化 现的，理论分析虽然可以清晰的见到各种因素对结果的影响，但却要求对计算模 型进行必要的比例缩放和合理的简化，而且许多非线性的流动问题很难得到确切 的理论解；实验测量的结果虽然真实可信，但模型试验通常受到各种因素的干扰， 如模型的比例、尺寸、测量的精度、大量的经费投入、人力和物力的消耗以及较 长的试验周期等【9 】。同纯试验和纯理论的传统方法相比，数值模拟的方法在工程应 用中显得越来越重要，它不仅能够减少大量的经济投入，而且能够抓住主要问题、 忽略次要的干扰，并将结果同理论、实践相结合，从而成为不断完善地解决某种 问题的方法。此外，计算流体力学与计算机辅助设计的结合还可以进行结构参数 的优化设计和放大设计。例如汽车流线外形对性能的影响，水轮机、风机和泵等 流体机械内部的流体流动等【l o l 。 1 2 2f l u e n t 软件概述 随着计算机技术的发展以及计算流体力学的不断成熟，c f d 己经渐渐成为一 种在工程设计领域起着举足轻重作用的设计方法。于是自1 9 8 1 年以来，出现了多 款c f d 商用软件，例如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d a p 、f i r e 、f l u e n t 等【1 1 1 ，这些软件具有如下普遍特点： 1 具有比较完善的功能和很强适用性、对工程中的各种复杂问题几乎都可以 求解； 2 前后处理系统方便易用，可以同其他c a d 和c f d 软件进行连接，使用户 能够便捷的完成造型、网格化分等工作，还可以使用户对自己的开发模块进行拓 展； 3 容错机制和操作界面比较完备、稳定性高，且可在多种计算机、操作系统 及并行环境下运行。 、 f l u e n t 是美国f l u e n t 公司在1 9 8 3 年推出了一款性能优良的c f d 软件， 同p h o e n i c s 一样，f l u e n t 也是基于有限体积法的商业软件，同时也是目前通 用性最强、功能最完善、国内应用最为普遍的c f d 软件之一【1 2 】。 f l u e n t 提供的网格划分原则十分灵活，用户不仅可以通过使用结构网格来 解决较为简单的流动问题；而且还可以通过非结构网格的单独使用( 如三角形网格、 四面体网格、金字塔形网格等) 或混合应用来解决外形复杂的流动问题【1 3 1 。它还允 3 第1 章绪论 许使用者针对求解的具体问题进行网格的粗化或细化处理。另外，f l u e n t 还可 以通过计算结果进行网格调整，这种具有自适应能力的网格对于精确求解梯度较 大的流场有非常实际的作用。由于网格的自适应和调整并非在整个流场内实施， 而只需要在加密的流动区域内进行，因此可以节约计算时间。 f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它具有同多种c a d 软件和c a e 软 件的接口能力1 1 4 】：f l u e n t 不仅可用于二维平面流动模拟、二维轴对称流动模拟 和三维流动模拟，而且可完成多种坐标系下的流动模拟分析、恒定与非恒定流动 模拟分析、不可压缩流体和可压缩流体模拟分析、层流和紊流模拟分析、传热和 传质模拟分析、化学反应和组分混合模拟分析、多相流模拟分析以及多孔介质模 拟分析等。其中，它的湍流模型主要包括r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型等，本文 应用的湍流模型为可实现的加模型。 在f l u e n t 中，用户可以定义多种类型的边界条件，如压力入口、自由出流 以及速度入口边界条件等，多种局部的圆柱和笛卡尔坐标系的分量输入也可采用， 所有的边界条件都可以随空间和时间而不断变化，包括周期和轴对称变化等。另 外，f l u e n t 还可以使用户通过自定义程序自行设定连续性方程、动量守恒方程、 能量守恒方程、初始化条件、自定义边界条件和多孔介质模型等f 1 5 - 1 6 1 。 使用c 语言编写的f l u e n t 不仅处理能力强大，而且使用起来十分灵活。一 方面，它能够实现内存的动态分配；另一方面，它又具有十分高效的数据结构。 高级用户能够选择自行编写菜单宏或菜单函数来进行界面的自定义与优化，还可 以运用自定义函数对其进行扩展和补充【1 7 1 。 1 2 3 利用f l u e n t 进行模拟分析的步骤 对任意流体流动进行数值模拟，通常情况下都可分为如下几步：根据所要解 决的工程实际问题或抽象物理问题，建立反映其本质的数学模型；探寻高效率、 高精度的计算方法；编制程序和进行计算；显示计算结果。对于恒定流动问题， 其数值模拟过程可用图1 1 所示，若为非恒定问题，则可将该图理解为一个时间步 的计算过程，循环这一过程即可计算下一个时间步的变量值【1 8 】。 具体针对f l u e n t 来说，其进行数值模拟的过程可分为如下几步： 1 确定几何形状，生成计算网格； 4 v r 一- k l ， k - 新型收油器的流体数值模拟与优化 2 输入并检查网格； 3 选择求解器； 4 选择求解的方程； 5 确定流体的材料和物理性质； 6 确定边界类型及其边界条件； 7 条件计算控制参数； 8 流场初始化； 9 求解计算； 1 0 保存结果，进行后处理等。 建立控制方程 确立定界条件 划分计算网络，生成计算节点 建立离散方程 离散定解条件 给定求解控制参数 求解离散方程 解是否收敛? y 显示和输出计算结果 n 图1 1 定常流动数值模拟流程图 f i g 1 1t h ef l o wg r a p ho fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ns t e a d yf l o w 5 第1 章绪论 1 2 4 有限体积法 在计算流体动力学中，通常采用区域离散化的数值计算方法来研究流体运动 的基本规律。有限差分法、有限元法和有限体积法均为比较常用的离散化方法【1 9 1 。 其中，又以有限体积法为当前最流行的广泛应用于各种c f d 软件中的数值离散方 法，f l u e n t 也是通过这种方法来实现偏微分方程的离散求解，所以在这里对其 作一下简要介绍。 有限体积法，也称控制体积法，是将计算区域划分一系列的控制体积，将待 求解的微分方程对每个控制体积积分得出离散方程，这里的未知数即为网格节点 上的因变量，但是为了求出控制体积的积分，必须假定因变量的值在网格节点之 间的变化规律。而且从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权余量法中 的子域法，从未知解的近似方法来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法， 总之，子域法加离散，就是有限体积法的基本思科2 0 】。 流体的流动一般要遵循三个最基本的守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律，在流体力学中，这三个守恒定律均由相应的控制方程来描 述，具体体现为连续性方程、动量方程和能量方程。对于这三个方程，可以用一 个统一的表达式表示如下： a ( p 伊) + 西沁( 历伊) = d i v ( f g r a d q 口) + s ( 2 1 ) 其中缈代表某一个变量，r 是扩散系数，s 是源相，式中从左到右分别为时间 项、对流项、扩散项和源相，通过应用有限体积法，在控制体积内对它的一般形 式的控制微分方程进行积分，即对其积分形式的守恒方程进行求解，可得： 工昙( 胛) d y + d i v ( p f f f o ) d v = fd i v ( f g r a d q o d v + 肛矿 ( 2 2 ) 应用高斯散度公式可以将式( 2 2 ) 变换为： 坛( 胛) d 矿+ 护( 历伊) 姒= f 元( f g r a d q o d a + 肛矿 ( 2 3 ) 上式左边第一项表示在控制体积内变量的总量随时间的变化量，左边第二项 表示变量因对流而引起的沿控制体积表面外法线方向n 的流出率，右边第二项是 扩散项积分，其物理意义为控制体积内变量因扩散引起的净增加量。上述守恒方 6 叼 孓 v fp 新型收油器的流体数值模拟与优化 程中四项的物理意义可以简单的描述如下： 驴随时间的变化量+ i 对流引起的净减少量= 1 扩散引起的净增加量+ i 弛源引起的净增加量 在应用有限体积法求解上述方程时，要求因变量的积分守恒对任意一组控制 体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足，这也是有限体积法吸引人 的优点所在。 1 3 结合c f d 与c a d 进行优化设计的成功应用 在液压传动方面，文献【2 1 】使用f l u e n t 显示特殊液压阀腔的纯水液压滑阀流 道内部流体的数值模拟结果，通过分析后发现，虽然原始结构能够很好的减小稳 态液动力，但是却会使出口形成很高的负压和很大的压力降，为了使流场内的流 线更加平滑，同时减小过大的压力梯度和气蚀对液压阀的破坏，文献采用了一些 诸如倒角、抛物面、球阀等特殊结构对其进行建模和优化，最终通过比较优化前 后的压力、速度矢量图发现，改进后的液压阀能很好的达到减轻气蚀、提高阀的 性能和使用寿命的效果。 在内燃机进气道设计方面，文献【2 2 】通过c a d 与c f d 相结合的优化设计方法 来修正柴油机螺旋进气道，通过理论分析可以得出位于直流段到螺旋室过渡段的 最小流通截面对螺旋气流与切向气流的比例分配影响最大，为了确定最小流通截 面的变化对原进气道流量系数和涡流比的影响，文献以最小流通截面所在部位作 为优化对象以建立不同的c a d 模型并进行c f d 数值模拟，从其结果中可以得出， 在修改原进气道之后，最小截面面积的适当增加有助于提高进气道的平均涡流比。 在多相流方面，许多学者应用f l u e n t 针对不同结构参数的旋风分离器1 2 3 】进 行内部流场的数值模拟，他们首先从理论上找出不同结构参数对其分离效率和压 降的影响，然后通过比较不同结构参数的旋风分离器的动、静压力和三维速度分 布云图，从中选择结构合理、流场分布好的旋风分离器。最后，再对所得的最优 旋风分离器模型进行内部压力和速度的模拟分析，从而得到使其性能达到最佳的 结构参数。 在船舶与海洋工程中，文献【2 4 】应用c f d 对喷水推进泵进行了性能分析和优化 设计，文中采用了不可压缩的三维连续方程和雷诺方程来模拟喷水推进泵内部的 流场，为了保证几何模型相对位置的准确性，采用三维造型软件u g 进行几何建 7 第1 章绪论 模，并且为了提高计算的精度与准确度，全部采用结构化网格进行网格划分。最 终通过观察比较改进前后喷水推进泵内部的流场矢量图，发现在修改之前，泵的 前置定子与转子间的轴向距离过大，而缩短该间距可进一步提高泵的效率并减轻 泵的重量。此外，通过c f d 后处理功能，可清晰显示出喷水推进器内各种流动特 性，同时证明了当前置定子与转子处于最佳轴向距离时，定子出口处的不均匀度 和速度环量最好。 随着计算机技术的飞速发展，c f d 应用的领域也在不断地拓展。目前，c f d 方法已经在各种工程领域中成为性能评估和流场分析的有效工具，不仅因为它可 以在模型试验之前对各种装置的性能进行预估。而且它还可以对各种设计方案进 行有效的分析、比较和优化，不但节省了时间、费用，而且还提高了项目和工程 的进度、质量和水平【2 5 】。 1 4 论文的主要内容 1 通过对动态曲面式收油器与现存各种类型收油器的工作原理及优缺点的 比较分析，找出动态曲面式收油器的优势所在，并找到了影响该收油器的油水分 离效率的主要因素是位于集油箱入口处曲面流道的形状，其中入口流道下缘的形 状对其影响最大。 2 根据曲面流道的不同结构，建立1 2 个箱体结构相同而流道结构不同的收 油器三维模型，之后将已经建立的各c a d 模型进行网格化处理，最后运用流体仿 真软件f l u e n t ，在流体介质是水的情况下进行单相流的数值模拟，从而得到1 2 个 三维模型的单相流流场 3 观察各模型内部流道附近速度场的分布情况，并以代表油滴上浮速度的y 轴正向平均速度和代表流体横向流动趋势的x 轴正向平均速度来综合比较各模型 设计的优劣，从而得到最优的曲面流道结构参数。 4 运用f l u e n t 软件中的混合物模型( m i x t u r e ) 模拟计算各模型内部油水 分离状况，从计算结果中得出已成功分离的溢油的百分比，并得到分离效率随优 化参数的变化规律，从而验证通过分析单相流流场可间接衡量收油器性能的优化 设计方法的准确性。最终从理论上使收油器达到最佳的油水分离状态，并结合实 践调整或改进收油器导流板的形状和位置。 锄 。f 。 新型收油器的流体数值模拟与优化 第2 章动态曲面式收油器的原理简介及其优势分析 2 1 现有收油器综述 收油器是一种在不改变溢油的物理、化学性质的基础上专门设计用于回收溢 油、油水混合物的机械装置【2 6 1 。一般来说，收油器主要由收油头、传输系统和动 力站三部分组成。收油头的作用是完成油水分离；传输系统的作用是传送动力、 泵出回收的液体等( 主要包括泵浦或真空装置、软管和其它连接件) ；动力站则是 为系统和泵提供动力源。 随着石油工业的迅速发展及各种溢油事故的频繁发生，许多制造商将眼光放 在了收油器的市场上，并由此诞生了基于不同原理的各种各样的收油器。例如美 国a b a n a k i 公司的带式收油器以及芬兰l a m o r 公司的堰式收油器等。一般说 来，虽然收油器的原理不同，但是大部分收油器的工作效率都受限于实际海况、 油膜厚度、黏度等特殊情况。近些年来，随着新型收油器的相继研制成功，许多 产品己经成功在设备市场上站稳脚跟，并逐渐呈现出智能化、多样化、便捷化的 特剧2 7 1 ，但从工作原理上看，目前应用最为广泛的收油器仍然只有以下几种： 1 利用油对某些材料的粘附特性制作而成的收油器( 如绳式、鼓式、盘式、 刷式和带式等) ； 2 利用油和水的密度差来达到油水分离目的的收油器( 如普通堰式、可调节 堰式、斯勒普式和引流堰式等) ； 3 利用油和油水混合物的流动特性进行油水分离的收油器( 如动态斜面式， 也称d i p 式和倾斜板式等) ； 4 利用在集油舱内建立的真空对油水混合物进行分离的收油器( 如真空式和 气流式等) 。 2 1 1 利用油对某些物质的粘附特性制作而成的收油器 溢油通常对某些具有亲油性的材料( 如聚丙烯、p v c 和铝等) 具有较强的粘附 能力，通过用这种材料制成的物体( 如盘片、宽带，毛刷或吸油绳等) 的连续运动， 使具有一定黏度的浮油脱离水面，并通过挤压或刮擦等手段将油从粘附材料上分 离下来，之后通过输油泵将其转移到储油装置中，从而实现溢油回收【2 8 】。 9 第2 章动态曲面式收油器的原理简介及其优势分析 1 刷式收油器 刷式收油器( 如图2 1 ) 指利用毛刷回收溢油的机械装置，主要由几组或几排刷 子、刮片和集油器组成。利用亲油性原理制作而成的它是专门针对黏度较高的溢 油而设计的，对低粘度油品几乎无效，但过高的黏度又会堵塞集油刮板，因此其 最佳黏度值在1 0 0 1 0 3 c s t 之间，其特点回收效率和回收速率高、随波性好、能适 用于l 米高的波浪、易维护【2 引。此外，油的乳化倾向会因毛刷的“搅拌 作用而 加重。 图2 1 刷式收油器 f i g 2 1b r u s hs k i m m e r 图2 2 盘式收油器 f i g 2 2d i s cs k i m m e r l o 叫 、 新型收油器的流体数值模拟与优化 2 盘式收油器 盘式收油器( 如图2 2 ) 是指利用亲油性材料制作的盘片在油水混合物中旋转， 当盘片旋出时，吸附的溢油被刮片刮入集油器，并泵送到储油容器的溢油回收设 备。其优点在适合回收中等黏度溢油的同时对轻质油也具有良好的适应性，并且 回收效率高，对垃圾适应性较好，维护简单，适用区域范围广【2 引。但这种方法回 收速率一般且不能用于行进中的溢油回收，常用于静态回收。另外，同刷式收油 器一样，在回收过程中溢油的乳化倾向会因盘片的搅拌作用而加重。 3 鼓式收油器 鼓式收油器( 如图2 3 ) 是指利用柱面的旋转使粘附在其上的溢油被带离水面， 通过刮擦的方法将柱面上溢油收集，并泵送到储油容器的溢油回收装置 2 8 。同 盘式和刷式一样，它也只能回收中等黏度的溢油，对低黏度溢油虽然也能回收， 但回收速率很低；对黏度过高的溢油会因粘附在刮板上无法流入集油舱，因此回 收效果不佳。此外，鼓式收油器也不能用于行进中的溢油回收。 图2 3 鼓式收油器 f i g 2 3d r u ms k i m m e r 4 带式收油器 带式收油器( 如图2 4 ) 类似于传送带的工作原理，首先随着带的转动使粘附在 其上的溢油被带离水面，之后通过刮擦或挤压等手段或者利用油的流动性，将已 分离出的溢油聚集起来，并将其泵送到集油舱。这种收油器主要适用于回收粘度 较高的溢油，而且自身构造的限制使它易受水面垃圾的影响，尤其是长的线状垃 第2 章动态曲面式收油器的原理简介及其优势分析 圾。一般情况下，该收油器用于良