（轮机工程专业论文）动态曲面式撇油器流道优化设计研究.pdf

中文摘要 摘要 随着海洋石油开采和船舶运输业的迅速发展，海上溢油事故频繁发生。为了 降低溢油对海洋生态环境的损害，并从回收资源的角度考虑，采用撇油器对海面 上的溢油进行回收，是目前最理想的海上溢油处理方式。现有撇油器大都不同程 度的存在回收能力和回收效率低下、结构复杂、对环境条件要求高等缺点，亟待 改善。 本文在分析现有各种类型撇油器的工作原理及其优缺点的基础上，针对一种 对油水混合物具有预分离功能的新型动态曲面式撇油器，通过c a d 与c f d 相结 合的方法，对撇油器的不同设计模型进行数值模拟，然后对计算结果选择多个评 价指标进行综合评价，来优化撇油器进口流道结构以提高油水分离效率。具体工 作如下： 1 以撇油器进1 3 流道上缘的弧度( r 9 为优化参数，建立具有不同r 2 值的c a d 模型和数学模型，利用流体仿真软件f l u e n t 模拟计算各模型内部水的流动，得 到各模型内部的流场特性。 2 通过层次分析法和模糊评价方法相结合，对各计算模型中描述撇油器内部 流场特性的三个评价指标值，即：模型内流场y 轴正向平均速度的评价值矿，y 向 速度标准差评价值d 和y 轴正向流动趋势的评价值p 进行综合评价，得到与最优 评价值相对应的设计参数r 2 ，即流道的最优结构模型。 3 利用f l u e n t 软件中的m i x t u r e 混合物模型模拟计算所有结构模型内部 油水混合物的分离效率，得到分离效率随r 2 的交化趋势，验证r 2 作为优化参数的 合理性和优化设计结果的准确性。 关键词：动态曲面式撇油器；数值模拟；优化设计；层次分析法 英文摘要 r e s e a r c ho nt h eo p t i m u md e s i g no ff l o wc h a n n e li nt h e d y n a m i cc u r v e dp l a n es k i m m e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo f f s h o r ep e t r o l e u mp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n , t h e m f l r i n eo i ls p i l l so c c u rf r e q u e n t l y i no r d e rt or e d u c ei m p a i r m e n to fs p i l to i lt o w a r d s m a r i n ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dl e c o v c rp e t r o l e u mr e s o u r c e ，t h ep r i m ew a yt od e a l w i 血o i ls p i l li st or e c o v e rs p i l to i li nt h es e a m o s to fe x i s t i n gv a r i o u ss k i m m e r sn e e d i m p r o v i n gb e c a u s eo fd r a w b a c k ss u c h a sl o wr e c o v e r y c a p a c i t y a n de f f i c i e n c y , c o m p l i c a t e ds l 卫a c t u r ea n ds t r i c tr u n n i n gc o n d i t i o n s b a s i n go nt h ea n a l y s i so ft h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt h em e r i t s f a u l t so fs k i m m e r s i nb e i n g , t h i st h e s i st a k e san e w d y n a m i c a lc u r v e dp l a n es k i m m e rw i t l lt h ef u n c t i o no f o i lw a t e rp r e - s e p a r a t i o na st h eo p t i m i z e do b j e c t b yt h ec o m b i n a t i o no fc a da n d c f d ， d i f f e r e n td e s i g nm o d e l so fc u r v e df l o we h a n n e li nt h en e ws k i m m e ra r es i m u l a t e da n d e v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa r ec h o s e nt oe v a l u a t es i m u l a t e dr e s u l t ss y n t h e t i c a l l y ，t h u st h e s t r u c t u r ep a r a m e t e ro fc u r v e df l o wc h a n n e li so p t i m i z e dt oe n h a n c ee f f i c i e n c yo fo i l w a t e rs e p a r a t i o n t h es p e c i f i cw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h er a d i a no fu p p e rl i m bo fc u r v e df l o wc h a n n e l ( r 2 ) i sc o n s i d e r e da s o p t i m i z e dp a r a m e t e ra n dc a d m o d e l sa n dm a t h e m a t i cm o d e l so fc u r v e df l o wc h a n n e l i nt h es k i m m e rw i t hd i 位r e n tr 2a r ee s t a b l i s h e d ，a n df l u i ds i m u l a t i o ns o f t w a r e f l i t e n ti su t i l i z e dt oc a l c u l a t ew a t e rf l o wi nt h em o d e l sa n do b t a i nt h ei n t e r i o rf l o w f i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u sm o d e i s s e c o n d l y ，b y t h ec o m b i n a t i o no f a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt h e o r i e s ，t h r e ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ，w h i c ha r e 矿a s e v a l u a t i o no fm e a nv e l o c i t yi nt h ep o s i t i v ed i r e c t i o no fa x i sy ，da se v a l u a t i o no f v e l o c i t ys t a n d a r dd e v i a t i o ni nt h ed i r e c t i o no fya x i s ，pa se v a l u a t i o no ff l o wt r e n di n t h ep o s i t i v ed i r e c t i o no f a x i sy ，a r ec h o s e nt oe v a l u a t es t a t eo f f l o wf i e l di nt h es k i m m e r , a n dt h er 2a s s o c i a t e d 谢mo p t i m u me v a l u a t i o n , i e o p t i m i z e dd e s i g nm o d e lo fc u r v e d f l o wc h a n n e li nt h es k i m m e ri so b t a i n e d 菱奎垫壅 一 f i n a l l y , t h em i x t u r em o d e li nt h ef l u e n ti sa p p l i e dt o c a l c u l a t es e p a r a t i o n e f f i c i e n c yo fo i lw a t e rm i x t u r e a n dt h ec h a n g eo fs e p a r a t i o ne f f i c i e n c yv a r y i n gw i t hr 2 i so b t a i n e dt ov e r i 鸟r a t i o n a l i t yo f r e g a r d i n gr 2 勰o p t i m i z e dp a r a m e t e ra n da c c u r a c yo f o p t i m u md e s i g nr e s u l t k e yw o r d s ：d y n a m i cc u r v e dp l a n es k i m m e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m u m d e s i g n ；a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o e e s s 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， 撰写成博士，硕士学位论文：动盔曲厦式邀迪矍选道馑丝退让硒塞：。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。 论文作者签名： 年 月日 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“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内 论文作者签名：导师签名： 日期：年月 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 第1 章绪论 1 1 课题的来源和提出 本学位论文得到了项目“围栏式水面油污清除装置研发”的资助。 随着石油工业和海上油运的发展，海上溢油事故不断发生，海洋石油污染己 引起各国的关注【1 】溢油污染是一种随机性、突发性污染，随着现代投入营运的大 型、超大型油船的数量不断增加，一旦发生溢油事故，将有大量的石油溢出进入 海洋环境，并迅速扩散和漂移，使自然环境和生态资源遭受巨大损害【2 】。溢油进入 海洋中会随着时间的延长发生漂移、扩散和风化等一系列的变化，使其处理难度 增加，因此探求更加快速有效的溢油处置、回收和清除技术追在眉睫。 从保护环境和回收资源的角度考虑，采用机械装置对海面上的溢油进行回收 是最理想的海上溢油处理方式。撇油器是最主要的溢油回收装置之一，现行使用 的撇油器种类很多，按溢油回收的工作原理来分，主要有粘附式、抽吸式、堰式 等多种类型1 3 】但是大都存在回收的油水混合物中含水量高、回收速度低下、回收 效率易受风浪影响和所需l 临时存储设备容量大等缺点，亟待改善。 针对目前我国溢油回收设备严重缺乏的不利局面【4 1 ，本文对具有预分离功能动 态曲面式撇油器【5 】的工作原理进行了深入分析，同时采用c f d ( c o m p u t a t i o nf l u i d d 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关键的设计 参数进行了优化，进而得到可实用的高性能撇油器。 1 2c f d 及其软件简介 1 2 1c f o 简介 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，即计算流体动力学技术，是一种用于 分析流体流动性质的计算技术，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网。计算流体动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。它以电子计算 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、 第l 章绪论 计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。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。1 7 - 1 0 1 计算流体力学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量和自 定义标量的微分方程组，求解结果能预报流动过程的细节，并成为过程装置优化 和放大定量设计的有力工具。【l l 】 计算流体力学的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场( 如 速度场、压力场) 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原 则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数 方程组获得场变量的近似解。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影响。 1 2 - 1 4 理论分析所得的结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，但它要求对计算 对象进行抽象和简化，才能得出理论解。对于非线性的流动问题很难给出结果。 实验测量结果真实可信。实验研究往往受到各种因素的困扰，如模型尺寸、流场 的扰动、测量精度、经费投入以及人力和物力巨大的耗费、实验周期长等等。与 纯实验和纯理论这两种传统方法相比【” c f d 工程预测的作用变得越来越重要，被 视为流体力学的一次革命。c f d 支持并完善纯实验与纯理论，并成为与这两种方 法同等重要的一种方法f 1 6 】。c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成 了研究流体流动问题的有机体系。另外，c f d 也可以和c a d 结合起来，进行结构 的优化和放大设计。自1 9 世纪八十年代中期以来，c f d 技术迅速成为一种常用工 具并广泛应用于工程分析和设计，例如飞行器及车辆的设计。 1 2 2f l u e n t 软件概述 由于c f d 已经逐渐成为一种可以给工程设计各方面带来很大受益的设计方 法，为了能使工程师节省大量的编程时间，有关人员编制了c f d 软件( c f dc o d e ) ， 使c f d 计算变得方便、简单。c f d 软件一般包括三个主要部分：前处理器，解算 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 器，后处理器。常见的c f d 软件有：f l u e n t 、p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、 h d a p 、f i r e 等。这类软件的c f d 分析功能很强，适用的范围也比较广，可以调 节的细节也比较多，也有一定的二次开发功能。1 1 ；i 在众多的c f d 软件中，f l u e n t 是应用范围最为广泛的一种，它是由f l u e n t 公司开发的一款性能优良的c f d 软件包，用于模拟具有复杂外形的流体流动以及 热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，用户可以使用非结构网格， 例如二维三角形或四边形网格、三维四面体六面体，金字塔形网格来解决具有复杂 外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格 进行修改( 细化粗化) 。1 1 1 对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确地预测流动，自适 应网格( s o l u t i o n a d a p t i v eg r i d ) 是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一 特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应加密 方法( s o l u t i o n - a d a p t i v er e f i n e m e n t ) 使网格加密方法变得很简单，并且减少了计算量。 其原因在于：网格加密仅限于那些需要更多网格解的区域。1 1 9 1 f l u e n t 是用c 语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存 分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行， 交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，f l u e n t 使用c l i e n t s e r v e r 结 构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。 在f l u e n t 中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户 界面是通过s c h e m e 语言及u s pd i a l e c t 写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜 单函数自定义及优化界面。 f l u e n t 采用有限体积法 2 0 1 来积分偏微分方程。f l u e n t 采用四种湍流模型 来解单相及多相问题：涡流粘性常数模型、七一，模型、k 一占模型和雷诺应力模型。 f 1 1 团n t 也为用户提供了在求解问题的每个步骤中，采用自己的f o r l l r a n 模型添加或替换其中的一些程序的界面。这使得这个软件包可以更加有效的达到 用户的目的、更加广泛地应用。 第1 章绪论 ( 1 ) 求解法 f l u e n t 提供了两种数字化方法可供选择，一种是分离求解法，一种是耦合求解 法。无论采用哪种方法，f l u e n t 都会求解质量、动量、能量守恒方程以及其它 变量例如湍漉和化学组分。两种算法都采用以控制体为基础的算法，鄙： 采用网格技术，把整个计算区域分成离散的控制体； 积分单个控制体的控制方程来构造离散的未知因变量( 如：速度、压力、 温度) 以及守恒变量的代数方程； 把离散方程线性化并解出最终的线性方程组得到因变量的更新值。 这两种数字化方法离散过程很相似，但线性化以及解离敞方程的步骤是不同 的： 分离求解法以前一直被f l u e n t 4 采用作为求解算法。这种方法按照一定 的顺序求解控制方程( 即每个方程都独立求解) 。由于这些控制方程是非线性并且是 耦合的，因此在得到收敛解之前，需要对解循环进行多次迭代； 耦合求解法对于连续性方程、动量方程、以及在适当情况下引入能量、化 学组分传递方程同时求解( 即耦合求解) 。采用分离求解法的程序，依次对额外标量 的控制方程进行求解( 即互相独立并独立于耦合序列之外) 。由于控制方程是非线性 的( 并耦合在一起) ，因此在得到收敛解之前，需要对解循环进行多次迭代。 ( 2 )离散化 f l u e n t 采用以控制体积为基础的方法将控制方程转变为可以数字化求解的 代数方程。控制体积法是通过积分每个控制体韵控秘方程，得到在控制体基础上 的各个量的守恒方程。 通过分析标量声的稳态的传递守恒方程，我们可以很容易理解控制方程的离散 化。在任意控制体积v 中，的方程的积分形式如下所示： 叮p 妒西2 叮r ，v 声面+ i q d 矿 ( 1 1 ) 式中： p 密度； 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 哥一速度矢量； j 一曲面面积矢量； l 一声的扩散系数； v 妒一的梯度； 黾每一单位体积妒的源项。 上面的方程被应用于区域内每一个控制体积或者单元。下面图1 1 的二维三角 单元就是控制体积的一个例子。在给定单元内离散上面的方程有： n 璺h - 艺乃聃刁= 艺( v l 五+ s y ( 1 2 ) 式中： a i r 艄一封闭单元的面的个数； ，通过表面f 的对流量； 订通过表面的质量流量； 互表面的面积； ( v l 一与面f 垂直的v 的强度； 矿一单元体积。 f l u e n t 所解的方程和上面所给出的一般形式相同，而且很容易扩展到多维 情况和由任意多边形、多面体组成的非结构网格。 图l - 1 用于显示标量输运方程离散的控制体积 f i g 1 1c o n t r o l v o l u m eu s e d t o i l l u s t r a t e d i s c r e t i z a t i o n o f a s c a l a r t r a n s p o r t e q u a t i o n 第1 章绪论 ( 3 )离散方程的线性化形式 离散化标量传递方程( 方程1 2 ) 中含有在单元中心的标量以及周围单元的未 知变量。一般来说，相对于这些变量，此方程是非线性的。方程( 1 2 ) 的线性化形式 为： 郎= 丸+ 6 ( 1 - 3 ) 曲 其中下标柏是指相邻单元，唧和分别是妒和丸的线性化系数。 每一个单元的邻近单元的数量取决于网格的拓扑结构，但是一般说来都等于 围成该单元的表面的数量( 边界单元除外) 。 在网格中每一个单元都可以写出相似的方程。这样就产生了具有稀疏系数矩 阵的代数方程。对于标量方程，f l u e n t 是用点隐式( g a u s s - s e i d c l ) 线性化方程求 解法与代数多重网格方法( a m g ) 连接起来从而解出这个线性系统。 1 3c f d 与c a d 结合的优化设计方法综述 几乎所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题。都可以通过计算 流体力学的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计 工具在水利、土木工程、环境工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。 2 1 】 尤其在机械优化方面应用最为广泛。 在植保机械方面，j a n ep a t t e r s o nf i f e ，r i c h a r dc d e r k s e n 等人瞄】在生物杀虫剂 的机械喷施实验中，使用f l u e n t 显示标准扁平扇喷头内部流体的数值模拟。通 过f l u e n t 软件模拟喷头内部流场以及把喷头出口处的平均能量耗散率输入模 型；最终运用f l u e n t 软件生成模拟模型，预测生物体是否受损以及损伤程度。 此研究的结果充分地显示了运用c f d 软件估计喷雾机具内部流场，从而预测生物 防治机械喷施有效性的可行性，有助于生物防治的实施。 美国f o r d 汽车公司运用f l u e n t 软件对发动机冷却水套以及汽车空调系统进 行了详尽的模拟。由于发动机水套的几何形状十分复杂，为了提高网格的质量和 灵活性，于是采用了完全非结构的四面体网格，从而大大缩短了工程师前期建模 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 的时间。对发动机水套进行c f d 分析有助于在设计时在增加冷却效率和减少流动 损失中取得最佳平衡。乘客和驾驶员的舒适程度是空调系统模拟的重要指标，而 通过f l u e n t 进行模拟更容易改善气流的品质，从而达到优化设计过程，提高舒 适度的目的。田】 文献1 采用逆向工程的方法建立了y c f 3 2 0 0 柴油机螺旋进气道三维几何模 型，利用气道稳流试验台的试验结果作边界条件，在a v lf i r e 软件中进行了三 维c f d 数值模拟；首次给出了气道c f d 数值模拟中判定计算结束的原则：按试验 所得的r i e a r d o 和f e v 评价参数验证了计算结果，两者趋势吻合良好，验证了应 用c f d 评价气道的可行性；给出了气道详尽的流场信息，提出了气道改进建议； 依气道改进建议修磨了缸盖，并进行了稳流试验，试验结果与预期的目标吻合良 好，验证了应用c f d 改进气道的正确性。 在化工过程机械领域，c f d 的使用更是为科技发展提供了有力支持。许多学 者对燃气轮机燃烧室内的空气射流冷却进行了计算机模拟，分析了改变射流孔间 距与孔径之比及射流板和目标板之间的间距与孔径之比对流动和传热的影响，预 测与实验结果非常吻合。它还能够直观地分析交错流动，射流碰撞及通过射流孔 的流量分布不均匀对流阻和传热的影响，并清晰地解释了一些很难理解的实验结 果，为燃烧室射流冷却壁的结构设计提供了大量数据。东北电力学院针对组合式 粗粉分离器进行了气固两相流的研究，通过模拟试验，新研制的粗粉分离器效率 提高2 0 ，阻力下降5 0 0 p a ；我国著名的哈尔滨汽轮机厂很早就采用c f x 软件来 模拟设计汽轮机，他们的产品享誉海内外：在油田中广泛使用的塔设备，分离设 备可以通过模拟计算分析其生产性能：我国广东佛山水泵厂也应用流体力学软件 f l u e n t 模拟水泵内部流场，指导生产实际等等。【2 5 】 文献【2 5 1 利用c f d 方法对油田当前使用较多的双锥型水力旋流器模拟分析，根 据简化效率对比，以入口形式、溢流出口直径、旋流腔长度为参数得出不同结构 尺寸旋流器的分离效率，并通过对比得到最优结果。现场中应用计算得到的优化 结构可以提高分离效率6 左右。 第1 章绪论 1 4 论文的主要内容 ( 1 )通过对比分折现有各种类型擞油器的工作原理及优缺点，以动态曲面式 撇油器为优化对象，在分析其工作原理后，得出了对撇油器的分离效率起主要影 响的结构因素是进口流道的形状，其中进口流道上缘的弧度影响最大。 ( 2 ) 在进口流道上缘弧度的取值范围内选取2 0 个不同弧度值，建立c a d 模 型和数学模型，利用流体仿真软件f l u e n t ，在流体介质是水的情况下模拟计算， 得到2 0 个模型的三维单相流流场。 ( 3 )在所得的每个模型内部流场选取9 个面，对这9 个面上的三个评价指标 值，即：模型内流场y 轴正向平均速度的评价值矿，y 向速度标准差评价值d 和y 轴正向流动趋势的评价值尸进行计算。并利用层次分析法确定9 个面的权值，从 而得到每个模型的加权评价参数。通过综合评价目标函数得出最优的流道上缘弧 度值。 ( 4 )在流体介质是油水混合物的情况下，利用f l u e n t 软件中的m i x t u r e 混合物模型对所有模型进行模拟计算，从计算结果中得到出油口油相的百分比， 即撇油器的分离效率，最高的仍然是通过单相流流场分析得到的最优模型。从而 验证了通过分析单相流流场的间接方法衡量撇油器内部结构对油水分离效率影响 的方法的正确性。 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 2 1 现有撇油器综述 溢油回收是指在不改变溢油形态的情况下，利用各种手段将油从水面上分离 出来，以清除水面溢油。溢油的类型和环境不同，回收溢油所采用的方法和手段 也不相同。专门设计用来回收水面溢油油水混合物，而不改变其物理、化学特性 的机械装置称为撇油器。阴 撇油器是机械回收溢油的主要设备。一般说来，绝大多数撇油器在风速小于 1 0 m s ，波高小于o 5 m 时可正常使用捌。 这些年来已经有几十种撇油器相继研制诞生，而且许多产品已经在设备市场 上站住了脚，特别适于隐蔽浅水处运用。但对开放海域只有少数几种类型应用最 为广泛。 2 8 , 2 9 1 按撇油器的工作原理进行分类，主要有以下几种 3 0 l ： ( 1 ) 粘附原理包括带式、盘式、鼓式、刷式和绳式等； ( 2 ) 堰式原理包括普通堰式、可调节堰式、斯勒普( s l u r p ) 式和引流堰式 等； ( 3 ) 水动力原理包括动态斜面式( d i p 式) 和倾斜板式； ( 4 ) 抽吸原理真空式或气流式。 2 1 1 应用粘附原理的撇油器1 3 1 - 3 3 1 溢油通常对聚丙烯、p v c 和铝等物质具有较强的粘附能力，通过利用对油具 有粘附性的材料制成的物体( 如盘片、宽带，吸油刷、或吸油绳等) 的连续运动，将 具有一定粘度的浮油带离水面，并通过刮擦或挤压等手段将油从粘附材料上分离 下来，转移到输油泵和储油槽中，实现溢油的回收蚓。 ( 1 ) 刷式撇油器 刷式撇油器( 图2 1 ) 应用毛刷和油的粘附作用来进行溢油回收，对低粘度的油 几乎形不成回收能力；而对高粘度的油，油在被向上带起的过程中会由于重力而 滑落，或因流动性差而堵塞集油刮板，所以油粘度最佳值在1 0 0 1 0 3e s t l 3 0 l 。如果 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 流速很低而毛刷的运动速度很高，在毛刷脱离水面上升的过程中，粘附的油就会 脱落。另外由于毛刷的“搅拌”作用，油乳化的倾向比较严重。 图2 1 刷式撇油器 v l g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f b r u s hs k i m m e r =i 图2 2 盘式撇油器原理图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f d i s cs k i m m e r ( 2 ) 盘式撇油器 盘式撇油器( 图2 2 ) 利用亲油材料制成的盘片旋转经过油水界面时，溢油粘附 在盘片上而被带离水面，在盘片运动过程中，应用刮板将盘片上的溢油刮下并收 集，然后通过泵浦输送到指定位置。这种比较适合回收中等枯度溢油，低粘度溢 油也可回收，但回收速度很低 3 5 1 。这种回收方法对长周期波浪不敏感，对波商不 大于盘片直径的短波适应性较好。但不能在行进中回收溢油，常用于静态回收。 另外，回收过程中溢油乳化倾向较为严重。 ( 3 ) 鼓式撇油器 图2 3 鼓式撇油器原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f d r u ms k i m m e r 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 鼓式撇油器( 图2 3 ) 在工作时，溢油粘附在旋转的柱面上被带离水面，通过刮 擦将柱面上溢油收集，然后用泵回收。它只能回收中等粘度溢油。低粘度溢油回 收速率很低。高粘度溢油由于粘附在刮板上而不能流入集油槽，所以回收效果很 差1 3 6 】。不能在行进中进行回收，只能采用固定式回收方式。 ( 4 ) 带式撇油器 图2 4 带式撇油器原理图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f b e l ts k i m m e r 带式撇油器( 图2 4 ) 的工作原理类似于传送带，溢油粘附在带上而被带离水面， 然后通过刮擦或挤压以及油的流动性，将回收的油聚集起来，用泵将其输送到指 定位置【3 7 】。它适用于回收中高粘度溢油。对水面垃圾比较敏感，特别是长的线状 垃圾。只能在海况良好情况下使用，采用静态回收方式，所以应用范围极小3 6 1 。 ( 5 ) 绳式撇油器 图2 5 绳式撇油器原理图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o p es k i m m e r 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 绳式撇油器( 图2 5 ) 的长绳圈在两个固定托辊的支撑下保持环状，牵拉绳圈在 水面上运动，在粘附作用下溢油附在绳上被带离水面。然后让绳圈通过挤榨装 置，将绳上粘附的溢油剥离并收集起来实现回收。高粘度溢油由于和绳圈脱离很 困难。所以只适用于回收中低粘度溢油。回收过程中对水面垃圾不敏感，包括浮 冰，通常在静水下工作【3 6 】。 2 1 2 应用堰式原理的撇油器【3 8 j 9 j 应用堰式原理的撇油器( 图2 6 ) 设置一个低于水面的堰，在重力的作用下，水 面上的溢油经过堰顶流入集油井内，然后将油用泵输送到指定的存储位置。其特 点是直接对漂浮的油层进行回收，回收能力很高，根据堰缘的设计不同，大约粘 度在3 0 4 0 0 0 0c s t 的油都可有效地回收。但普通堰式收油机对波浪和水流的适用 性较差，在油层较薄或有风浪的情况下易同时回收大量的水，即使在静水条件下 对低厚度的油层也会同时回收大量的水( 通常油只占2 0 3 0 甚至更低) ，这往往浪 费了现场有限的泵力资源和贮存空间。因此，通常只适用于静水情况下油层较厚 的各种粘度的浮油。 一( 霞巧豺孬 图2 6 堰式撇油器原理图 f i g 2 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f w e i rs k i m m e r 1 ) 普通堰式撇油器 采用一个带折堰的收油头，让水表层的浮油通过堰顶流入集油容器内，然后 通过特制的泵抽吸到贮油容器中，达到回收溢油的目的。根据泵是否装在收油头 上，这种形式的堰式回收装置分为外装泵和内装泵两种形式。采用外装泵形式的 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 堰式回收装置只能回收中低粘度溢油，对各种水面垃圾敏感，回收速度和效率受 波浪影响很大。适用于对围控的油膜进行静态回收。 当应用内装泵形式，输油泵直接装在收油头上，通常选用螺秆泵。这种方法 可以输送高粘度溢油，提高了对垃圾的抗御能力，而且减少了输送过程中油的乳 化倾向。这种回收方法对高粘度溢油也可以有很好的回收效果。但是回收速率和 效率受波浪的影响依然严重。同样只适用于静态回收被围控油膜。 q ) 可调堰式撇油器 可调堰式的回收装置( 图2 7 ) 根据泵的流量大小来调节堰高，当流量增大时， 降低堰高，当流量减小时，增大堰高，从而使回收设备能够只收取水层上面的浮 油，因此可大大改善普通堰式回收设备的不足，提高溢油回收的效率，可适用于 油层较薄及有轻微波浪的情况【3 6 】。 l | | k ： = 二二孑缗j 、一 图2 7 可调堰式撇油器原理图 f i g 2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f a d j u s t a b l ew e i rs k i m m e r ( 3 ) 引流堰式撇油器 图2 8 旋转引流堰式撇油器原理图 f i g 2 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f r o t a t i n gd r a i n a g es k i m m e r 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 应用机械或水动力等手段将水面浮油引入回收设备，如利用旋转的浆叶( 图2 8 ) 或喷管的射流加速水面浮油的流动，促使其快速进入收油器，提高了溢油回收的 速率和效率。这种堰式装置适宜回收中低粘度溢油，在有波浪存在时，引流作用 将受到很大影响。通常适用于静水中工作。 2 1 3 应用水动力原理的撇油器 利用泵吸或装置运动过程中产生的水流，将浮在水面的溢油“拖带”进入特 定的集油空间内，油水发生重力分离，将分离出的溢油回收。现在水动力式溢油 回收技术主要有两种应用形式：动态斜面式( d i p ) 撇油器和倾斜板式撇油器。 ( 1 ) 倾斜板式撇油器 当斜面的倾角大于1 2 度时，阻挡面前方没有发生“上游效应”。用中粘度 ( 1 0 0 0 c s t ) 的油做实验时，会发现油总会沿着斜面向下滑动，而且非常可靠。如果 当水流介于0 7 5 1 2 5 k n ，油到达斜面的下端时，会因水的浮力作用重新浮起来， 并集中而形成一层厚的油层。 h - - 图2 9 倾斜板式撇油器原理图 f i g 2 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l x e ds u b m e r s i o np l a n es k i m m e r 倾斜板式撇油器的工作原理如图2 9 所示，在油粘度高于2 1 0 4 c s t 时无效， 更高粘度的油将会滞留在撇油器的前部，很难随水流到收集槽的表面。这一原理 进一步限制了泵和撇油器在收集槽中的应用。对于适当的天气条件和油粘度低于 1 0 4 c s t 时，在收集槽中形成一个厚油层，由于经过了油水的分离，所以回收的油中 动态曲面式撤油器流道优化设计研究 含水率很低，但是却会随撇油器前进速度、波浪和油粘度而增加。另外，浸没水 中的油重新上浮的原理限定了在油从撇油器下面流走前撇油器可以接受的油水混 合物量1 3 6 1 。 ( 2 ) 动态斜面式撇油器 图2 1 0 动态斜面式撇油器原理图 f i g 2 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f d l ps k i m m e r 如图2 1 0 所示，动态斜面式( d i p 式) 撇油器可适用于各种不同粘度和厚度的浮 油，而且其接触油的速度都很高，因此回收的进度很快。此外，由于在回收的过 程中，油和水的分界面没有被打破，因此不会产生油的乳化现象，回收物中含水 量极少，通常可达到9 0 以上，因此，通常情况下不需要后期的油水分离处理， 可节省现场宝贵的贮油空间和泵力资源，同时也节省了大量的后期油水分离的费 用。由于采用水下的溢油回收方法，对波浪的影响不敏感。通常在流速超过l k n 的情况下采用。在有流存在时可以固定使用，无流存在时只能移动回收，是唯一 能在围油栏失效( 即水流大于0 7 k n ) 的情况下，还可以进行回收的技术，可适应水 流为0 5 k n 。 4 0 4 1 j 2 1 4 应用抽吸原理的撇油器 也称为真空式或气流式，利用吸入泵或真空泵在真空储油罐内建立真空，并 通过撇油头处的压力差将油水混合物吸入真空储油罐或真空罐车 4 2 , 2 7 1 。由于吸管 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 内的摩擦损耗，真空抽吸只是对非常轻的油有效，对于粘度高的油品几乎是无效 的。主要适用于平静水面上的中、低粘度、比重较轻及油层较厚的浮油。在水面 垃圾不影响溢油进入撇油器的情况下，对垃圾的影响并不敏感。另外，回收性能 对碎浪较为敏感，只能在岸滩、港1 ：2 1 和平静水域工作。回收速率从1 0 l o o m 3 p a 不等，由所配置的抽吸泵决定，但是对油膜厚度和波浪敏感，有波浪时回收效率 很低。而且比较适宜回收己围控油膜，有流存在的情况下并不适用。 2 2 动态曲面式撇油器的原理分析 上一节通过对各种撇油器的原理进行分析可以看出，现有各种回收技术都不 同程度的存在回收能力和回收效率低下、结构复杂、对环境条件要求高等缺点， 亟待改善。 图2 1 1 动态曲面式撇油器原理简图 f i g 2 11s c h e m a t i cd i a g r a mo f d y n a m i cc u r v e dp l a n es k i m m e r 动态曲面式撇油器的原理如图2 1 1 所示：在一个封闭的箱体内注满水，空间 的上部和后侧面留有吸口。在箱体的前部，设置一段由上下两层曲板和箱体侧壁 组成的曲面流道，该段流道的前端为可调堰板，通过调节堰板顶部到水面的距离 实现过堰水流厚度的调节。曲面流道的下部与箱体侧壁形成密封空间，曲面流道 与连接底面的直板平滑过渡。箱体上部和后侧面的吸口都与泵相连。 动态曲面式撇油器流道优化设计研究 在开始进行溢油回收时，首先开动箱体后侧面相连的水泵，由于箱体内充满 水，则箱内的水就会从水泵吸口处被不断的抽走，在箱的内部和外部水面之间产 生负压差，在箱内外压差的作用下，箱外部水面上的油层和水层一起经过堰板顶 部进入曲面流道，在曲面流道的导流下，油层在流道的末端破裂，形成多个分散 的油滴。由于油在曲面流道中随水层一起运动，在曲面流道的导流作用下进入集 油箱并获得了向上的初始运动速度。油滴在与水一起向上运动的同时。也在浮力 和粘浠阻力的联合作用下开始上浮，最后在集油箱的上部重新聚集形成分离油层。 当油层厚度积累到一定值后，开动箱体上部的泵将分离出的污油输送到指定位置， 水泵的持续工作以维持溢油回收过程的连续性。当海上存在风浪时，将油泵和水 泵同时开动，并调节水泵流量低于油泵流量，则可以继续进行溢油高效回收，这 是现有绝大多数溢油回收技术所无法比拟的， 2 3 动态曲面式撇油器的优势 动态曲面式撇油器与现有的回收技术相比，具有下列优势： ( 1 ) 回收能力强 动态曲面式撇油器如果除去其油水分离功能，则可以将其看作堰式溢油回收 技术，所以其继承了堰式溢油回收技术的优点，可以实现大速率的回收。在水面 油膜厚度足够和海况良好的情况下，通过增大水泵的流量就可以实现回收能力的 提升。 ( 2 ) 回收效率高 现有擞油器在工作时，经常出现回收速率高时，回收效率却低下的矛盾，如 堰式撇油器，在进行高速率回收时，由于回收效率很低。所以回收的油水混合物 中含油量很小，致使大量的泵力资源被白白浪费，而且更为严重的是由于清污船 的存储空间有限，应用大型堰式撇油器工作对，经常几个小时就没有存储空间了， 导致溢油回收工作将被迫箨止。而在应用动态曲面式撇油器，由于集油箱内部曲 面流道的存在，使油滴在曲面流道内流动时获得向上的初始运动速度，粒径较大 的油滴会迅速上浮而积聚在集油箱的顶部，被抽油泵回收。油水混合物经过了初 第2 章动态曲面式撇油器的原理及其优势分析 步的油水分离，所以其中含水量很低，大大减少了清污船存储回收的含油污水所 需要的舱容，为回收更多的水面浮油创造了有利条件。另外，由于具有了油水分 离功能，所以在水面油层很薄的情况下，也可以进行回收，只是回收的速率相对 于厚油层时要慢。 ( 3 ) 抗风浪能力强 由于溢油事故发生时的海况通常十分恶劣，所以在溢油回收时要求所用设备 必须具有一定的抗风浪能力。多种溢油回收技术如堰式、真空式等只能在相对平 静的水域才