液液离心分离设备性能研究.docx

绪论运用离心力场对非均相物系分离非常有效,这种分离叫做离心分离.离心分离机械同其他分离机械相比,不仅能够得到高纯度的产物,而且具有节省劳力!减轻劳动强度!改善劳动条件等优点并且离心分离机械具有连续运转!自动遥控!操作安全可靠和占地面积小等优点在工业上取得了越来越广泛的应用1.1典型分离设备及比较离心分离设备按有无旋转部件可分为机身固定的旋流分离设备和机身旋转的离心分离设备前者如水力旋流器,流体在固定的机身内旋转而产生离心力场;后者如沉降式离心机,由旋转的机身带动内部流体作回旋运动而产生离心力场水力旋流器具有结构简单!设备紧凑!占地面积小和设备成本低等许多优点,日益受到广泛关注zil离心机具有结构紧凑!应用范围广!单机生产能力大等优点,它可以相当精确地,同时迅速地分离极难分离的非均相液态物系3j1.1.1离心机根据分离原理,离心机可以分为沉降式和过滤式两种这里主要对沉降式离心机4fl进行介绍()l沉降式离心机#螺旋卸料沉降离心机螺旋卸料沉降离心机结构原理见图1.1高速旋转的无孔转鼓内有同心安装的输料螺旋,转鼓与输料螺旋同向旋转,但两者之间有一定的转速差,该转速差由差速传动系统产生悬浮液经中心的加料管进入转鼓,悬浮液中大部分固体颗粒在离心力作用下沉降到转鼓内壁并被输料螺旋推送而从小端排出转鼓,澄清后的液体从转鼓另一端的溢流口排除液液分离设备性能研究螺旋卸料沉降离心机的主要操作参数为:转鼓转数,转鼓与输料螺旋间的转速差,溢流口位置和进料速度:主要结构参数为:转鼓大端内直径d,转鼓长度l,转鼓长径比l/d,转鼓半锥角,以及输料螺旋的螺旋头数和螺距螺旋卸料沉降离心机的主要优点:自动连续操作,不需用滤布,能长期连续运行,维护简便;应用范围广,可用于固体脱液,液体澄清,固体颗粒按粒度分级,以及用于液一液一固分离;对物料的适应性好,能分离的固体粒度的范围o,05一zmm,悬浮液的体积浓度范围2盼40%浓度波动对分离效果的影响不大;结构紧凑,容易实现结构上密闭,密闭式机器可在一定的正压下操作;单机生产能力大(大型机可达190时/h),操作费用低,占地面积小螺旋卸料沉降离心机的缺点是:沉渣的含液量一般较高;虽能对沉渣进行洗涤,但洗涤效果不好;结构较复杂,机器造价较高碟式分离机碟式分离机5ji是沉降式离心分离中的一种类型,用于分离难分离的物料分离机中的碟式分离机是应用最广泛的沉降式离心机可以完成分离和澄清两种操作大连理l几大学硕十学位论文碟式分离机如上图所示是立式离心机,转鼓装在立轴上端,通过传动装置由电动机驱动而高速旋转转鼓内有一组互相套叠在一起的碟形零件)碟片,碟片与碟片之间留有很小的间隙悬浮液(或乳浊液)由位于转鼓中心的进料管进入转鼓当悬浮液(或乳浊液)流过碟片之间的间隙时一,固体颗粒(或液滴)在离心力作用下沉降到碟片上形成沉渣(或液层)沉渣沿碟片表面滑动而脱离碟片并积聚在转鼓内直径最大的部位,分离后的液体从出液口排出转鼓积聚在转鼓内的固体在分离机停车后拆开转鼓由人工清除,或通过排渣机构在不停车的情况下从转鼓中排出碟式分离机主要的操作参数为:转鼓转数,轻液转速,轻液与重液分界面的位置,加料速度等;碟式分离机的主要结构参数为:转鼓内直径,当量沉降面积,碟片的尺寸与碟片总片数,排渣方式及排渣机构碟式离心机结构紧凑,占地面积小,生产能力大,适于液一固也适于液一液分离,因而在化工!医药!轻工!食品!生物工程以及交通运输部门都获得广泛应用碟式分离机的缺点是结构复杂,转速高,因而操作和维修保养的要求比较高,另外清洗较麻烦1.1.2水力旋流器水力旋流器最早在1891年就取得了专利,由于结构简单!便于制造和安装,以及处理量大等优点,受到了各国选矿专家的推崇从20世纪50年代起,旋流器的应用领域以及规模均得到了迅猛的发展,同时不断地吸引着越来越多的学者和工程师们致力于旋流器理论与应用的研究到了20世纪80年代以后,形成了相当大的规模随着现代测试技术和计算与模拟技术的飞速发展,人们对旋流器的工作能力及过程行为有了越来越深刻的认识,从而大大推动了旋流器结构型式的多样化及其应用领域的不断拓展可以说,在科学与技术日新月异的今天,旋流器也在逐年发展成为具有高科技含量的分离设备目前,无论是从科技界还是从工程界来看,人们对旋流器的兴趣有增无减一般地,水力旋流器均由上部圆筒段和下部圆锥段组成(见图1.3)在筒体上方有一切向布置的进液管,筒体顶部有一涡流导管,构成溢流管,在锥形筒体的底部有一底流口当具有一定速度的两相流流体沿切向进入常规旋流器后,在旋流器内形成高速旋转运动根据斯托克斯定律,体积和密度较大的颗粒受到较大的离心力的作用,被迅速甩向筒壁,并沿着锥筒壁螺旋向下运动,从底流口排出,在溢流管的涡旋导向作用下,较轻较小的颗粒则和大部分流体从溢流管排出,完成两相流的分离过程液液分离设各性能研究进料z撇流拜!-尧洲,忍0飞t矛乙护!j嘿滚图1.3水力旋流器结构简图f191.3configurationofhydrocyelone目前被广泛采用的旋流器,筒体直径从10mm到20006j,分离粒度可以小到十微米,且操作流量具有一定的弹性范围,如果降低流量,离心加速度降低,离心力场减小,显然这对效率有负面的影响,而在流量降低的同时,旋流器中的液流停留时间延长对分离过程又有着积极影响,在一定程度上抵消了负面影响此外,固体颗粒平均粒度的大小对分离效率影响显著,对于分离颗粒尺寸较大时,分离效率相对较高,可以达到95%以上,对于分离超细颗粒时,分离效率会下降很多,甚至低于50%经过对旋流器的大量的试验研究和生产实践,已经形成了百家争鸣的旋流器分离理论,包含了分离的基础理论模型,速度场和压力场的数值模拟,旋流器各参数对其分离性能影响以及能耗降减理论等等其中我国的庞学诗,褚良银等人的研究成果已经为大多数学者接受并运用于生产实践液一液分离旋流器领域7l的开发研究工作则是从1967年英格兰海南岸的/torryecaynon0汕轮遇难事件后刁-开始的当时一由于原油的大量泄漏,造成附近大面积海域的严重污染及大批鱼鸟的死亡为了保护生态环境,英国政府及科技界曾呼吁对被污染海域的治理进行研究,由此唤起了osuthampotn大学的martnithew教授及其同事对液一液旋流分离技术的研究兴趣随后在1968年的初步研究中,他们首先突破了前人关于/液一液旋流分离难于实现0的认识,提出了只要结构设计合理,液一液旋流同样可以取得良好分离效果的新观点此后从1970年起,在有关部门的资助下,一个为期8年的研究计划在osuthampton大学开始实施以marit叮hew教授为代表的osuthamptno大学的研究人员,先后以聚丙烯与水!尼龙与水!煤油与水!原油与水为介质,采用at一型库尔大连理_l:大学硕十学位论文特计数器!自行研制的电导实时测量系统!一维激光测速仪和asm湍流模型,对液一液旋流分离技术进行了多年的大量研究1978年率先提出了液一液旋流分离的第一种芯管结构即a型旋流管并获英国专利8;1983年该旋流管开始产品化,同年在澳大利亚的一个海上平台应用随后southampotn大学的研究工作,得到更多工业部门的重视和资助在此条件下,他们除不断发展和完善含油污水的静态旋流分离技术外,还努力开拓液一液旋流分离技术应用的新领域,并相继在高含水原油的旋流预分离及低含水原油的旋流脱水净化方面取得了进展继英国southampton大学之后,法国的totalcep和ney.rtec联合对静态旋流分离技术又进行了发展,并于1986年开发成功了用于含油污水净化处理的动态旋流分离技术,现该机构又转向原油动态旋流脱水技术的开发研究因此,就液液旋流分离技术来讲,目前主要呈现两种发展趋势:一是以英国osuthampotn大学为代表的静态旋流分离技术;二是以法国neyrtec和totalcep为代表的动态旋流分离技术及其相关配套技术1.1.3两种分离设备的比较离心机相对于旋流器来说由分离效率高!分离效果好!处理量大等优点,但是离心机工作时需要耗费额外的能量带动转鼓转动水力旋流器结构相对于离心机更加紧凑,并且设备生产及工作成本低,更为广泛的应用在两相预分离等工作条件下当对分离效率及分离纯度都有较高要求时,这时就必须使用离心机从单位分离器体积的处理量和分离临界粒径的角度考虑,所探讨的两种分离器的优劣排序为:离心机!水力旋流器9l通过设计以提高两种分离器的性能是可能的当可用空间有限(如海上采油)或极其有限(井眼分离),出于经济原因,所选择的分离器类型通常是水力旋流器探求更紧凑的分离器仍是大势所趋,水力旋流器和离心机在这方面都有发展潜力当要分离的油滴粒径极小,如在5林m时,这只能用离心机来实现但这种分离设备的主要缺陷是成本高1.2离心分离装备新进展及其展望离心机发展到现在产品已经程式化,但是随着新的材料及技术的出现,离心机的发展出现了一些新的趋势(l)1新材料的应用玻璃钢材料的应用液液分离设备性能研究玻璃钢是玻璃和树脂组成的复合材料i-/,虽然玻璃和树脂的韧性和强度都不高,玻璃钢却有很高的强度和韧性,而且耐腐蚀性能好,重量很轻所以玻璃钢发展很迅速,己成为一种重要的工程结构材料,使机器构件不用金属成为可能由于玻璃钢有强度高!l耐腐蚀的性能特点,可以考虑用玻璃钢来制作离心机转鼓这是因为玻璃钢的高强度,满足了在高速旋转情况下转鼓对强度的要求;玻璃钢的耐腐蚀性保证了一般情况下转鼓直接与物料接触也不会被腐蚀用玻璃钢制作离心机转鼓不仅可行而且还具有许多金属材料所不具备的优点:由于玻璃钢的密度约只为不锈钢的14/,同样大小的玻璃钢转鼓的质量远远小于不锈钢转鼓的质量,而转鼓自身的质量所引起的应力约占总应力的一半左右,所以玻璃钢转鼓的总应力大大降低了并且在总消耗功率中占相当大比重的离心机的启动功率也与转鼓质量(密度)成正比,降低了转鼓的密度,就意味着降低了功率消耗,所以玻璃钢转鼓节省了能耗l川除此以外,因玻璃钢满足了离心机机壳对优良的耐磨性(以承受强力冲刷)的需要,故它还可用来制作离心机的机壳例如在三足式离心机中,转鼓的转速可达750一200or/mni,抛出的液体对壳体内壁有很强的冲击力,如果接触的介质腐蚀性不很强,可选用通用不饱和聚酷做基体材料,增强材料外层采用表面毡,其余均采用中碱玻璃纤维布铺覆和短切玻璃纤维纱喷射交替成型并在内表层加入氧化铝粉末以增加其耐磨性将按此方法制成的玻璃钢机壳用在三足离心机上,经过一年多的试运行,证明其综合性能优于不锈钢机壳i.2(2)工程塑料的应用工程塑料发展历史较短,但由于质轻!节能!强度高!耐腐蚀等特性,几十年来发展迅速如今已经出现比钢材硬,强度超过钢!钦的塑料在氟塑料品种中,产量最大,用途最广的是聚四氟乙烯(ptfe)ptfe具有最低的摩擦系数和特异的自润滑性,有卓越的耐药品性和耐溶剂性,酸!碱!溶剂对它均无侵蚀卧螺离心机的径向滑动轴承是一种非自润滑轴承,常用的轴承材质是zqsnlo一1,一般在有润滑条件下刁-能正常工作,否则就会发生轴瓦一与轴颈的/干磨0现象,轴瓦与轴颈都会受到比较严重的损坏而这是卧螺离心机在高负荷运行条件下,停机检修的主要原因因此,为了保证在润滑条件不良清况下离心机能正常的高负荷运转,必须对滑动轴承的材质进行改进通过对多种材料的性能比较,结合常压离心机的工作特点(径向载荷较大),选择了以聚四氟乙烯为主要成份的复合材料,又添加了一定量的碳纤维!青铜粉!二硫化钥!玻纤,以增加其强度!硬度!自润滑性!耐磨性能等由于ptfe材料不仅自润滑性能好,而且其减震性能也比较好,设备在运行时振动也相应降低,保护大连理1大学硕十学位论文了轴颈,大大减低了备品配件的消耗除此外,ptfe径向滑动轴承的使用,延长了设备的运行周期,避免了因经常性停机而造成的产量的降低聚四氟乙烯还可以用于卧螺离心机螺旋叶片的制造螺旋叶片的耐磨性关系到螺旋输送器的寿命以聚四氟乙烯为基材,填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料,采用粉末冶金烧结成型的螺旋叶片,其耐磨性很高,年磨损量只有0.0020.004口3,超过了采用硬质合金来硬化后的螺旋叶片的耐磨性(3)硬质合金的使用作为刀具材料使用的碳化物基金属陶瓷常被称为硬质合金硬质合金的硬度很高,耐磨性很好,强度和韧性都较好,适于做切削刀具!表面耐磨材料以及某些高刚度结构件硬质合金的优异性能,可以充分利用在螺旋卸料离心机上螺旋输送器是螺旋卸料离心机的主要部件,它的寿命取决于螺旋叶片的耐磨性螺旋叶片磨损最严重的地方是j它的顶部它磨损后,通常使螺旋的输渣能力降低,含渣量增大,所以要求叶片材料有高的硬度和耐磨性常用的方法是在螺旋叶片表面堆焊硬质合金或在叶片上喷涂硬质合金或采用可更换的耐磨的硬质合金叶片硬质合金也适于做刮刀离心机的刮刀片因为刮刀片工作时不仅受到剧烈的磨损和冲击载荷,而且长期与有腐蚀性的介质接触,所以要求刮刀片应具有耐磨!机械强度高!耐腐蚀等性质目前国外使用的刮刀材料多为耐磨!耐腐蚀的高镍铬硬质合金,如eleomatk,其成分大约为c2r4%,nizo%,cu3.5%,moz.o%,511.25%,mn6,3%,c切,13%,每把刮刀可连续使用刮削硫钱2000吨左右,磨损后经修理刨平能修复使用4一5次其效果比采用cirlsngi为好有的使用堆焊硬质合金及镶陶瓷片,使用寿命可以提高5一6倍2.2一些新式离心机由于离心机发展和应用了很多年,如上文所提到的离心机在理论上和技术上己经很难有改进的空间,但是近年来出现了一些新式离心机,推动了离心机技术的进一步发展(1)盘栈式离心机分离段山一套同心圆盘(见图1.4)组成9,盘与盘之间的距离一般保持数量级为1液滴在每一套同心圆之间很短的距离内沉降,在同心圆盘之间凝结成大粒径油滴,在圆盘出口处进行二次沉降分离通过同心圆盘将小粒径液滴凝结成大粒径液滴再分离,可以取得很好的分离效果液液分离设备性能研究figl.4thesrtuctureofhomoeenrtieeirqueeenrtiufge(2)新型卧式螺旋离心机卧螺式离心机近年来也有发展14如日本三菱公司i0生产的带有沉降叶片(见上图)的卧式螺旋卸料沉降离心机,由于沉降片分离板的存在使它的分离性能介于碟片式离心机和卧式螺旋卸料沉降离心机之间,它可以分离出粒径为0.5林m的微粒,分离后滤渣含固率亦较高,已应用于氧化钦的分级!超细铁氧体的洗涤和浓缩!食品工业及城市污水处理的剩余活性污泥脱水中德国fofttweg公司生产的新型卧式螺旋卸料沉降离心机分离因数已可达5000我国解放军4819工厂生产的lwd430卧式螺旋卸料沉降离心机在结构设计上也有所改进,用于城市活性污泥脱水时显示了优越的分离性能大连理l;大学硕十学位论文1.3离心分离设备的理论发展液滴能否被分离,取决于作用在其上的合外力的方向,这些外力包括重力!离心力和流体作用的曳力等重力的影响忽略不计,并假定颗粒在切向和轴向不受任何反力,则可认为其在这两个方向上的分速度等于相应的液流速度如果作用在颗粒上的离心力大于曳力,则颗粒向外壁运动;反之,向中心运动颗粒能否被分离取决于它的大小!形状及与液体的密度之差!所处的原始位置!运动的轴向速度和径向速度!以及液体的粘度等因素i-/i.71.3.1水力旋流器分离模型(1)两相流动过程中的分离原理分散相浓度不太高!忽略自身重力时,单个颗粒在连续相流体的离心力场中运动受力包括颗粒自身离心力!连r续相流体的离心力以及流体的流动阻力当两相的密度不等时,离心力的作用总是使连续相液体与分散相液体产生一定的速度差u,此时颗粒的受力方程为:汀,飞万d/岛o(岛!u三_一p夕止一厂!r(1.1)凡二3犁duo式中:岛,p一颗粒和流体的密度;d一颗粒的直径;/一颗粒的径向位置;u一液体的切向速度;u一两相运动的速度差;凡一流体阻力当颗粒受力达到平衡时,则两相相对速度为:(1.2)uo=d.p(!一p)嵘18刀r(1.3)当u为正时,表示颗粒与连续相流体沿着相反方向运动的速度差;当u为负时,表示颗粒与连续相沿着相同方向运动时的速度差由此可以看出,两相的分离与颗粒直径!颗粒的径向位置!两相密度差!连续相勃度及切向速度等因素有关(2)旋转流体的能量方程当流体围绕垂直轴线做旋转流动时,在其半径r处取一宽度为dr和厚度为dz的长方形流管,则在同一水平面上的伯努利方程:h一:+卫+丝塔29(1.4)液液分离设备性育尔页究式中:h一总压头;z一势压头;p一半径r处压力;p一流体密度;u一半径r处切向速度;将式对半径r微分,得以厅dr1咖pdr十五匹gdr(1.5)从上式可以看出,在旋转运动流体中,沿径向总压头的变化率与径向的压力和速度的变化率有直接关系就微元体积drodz;do中的流体而言,当作用于一该体积上的压力和离心力相平衡时,沿径向的外力之和为零:_,_!_ju三_prd夕dz一切+pd)rd已dz+prdodrdz一二0(1.6)r咖认j一丁一dru三p二,将此式带入则得心lud-!)=一)几ru刀尸rgrdr!(1.7)1一g+丛dr隔一g一一hd一dr此式是旋转运动流体能量得微分方程,它反映出旋转运动流体在运动过程中得能量变化规律它也是旋转运动流体得基本方程,由此方程可知旋流器切向速度分布是强制涡和自由涡的复合运动,也可导出压力沿径向的分布规律(3)液滴剪切破碎的机理旋流器中的剪切应力在液液分离旋流器中l/,由于在径向方向上各点的切向速度不同,各流层之间存在着速度梯度生竺旦drdy,从而使分布在流场各处的分散相液滴受到剪切应力的作用液滴在剪切应力的作用下,可能发生扭曲!变形及破碎等现象旋流分离器中复合涡的切向速度表达式为:v,;0二c由此可得出分散相液滴所受的剪切应力:(1.8)人连理_l二大学硕十学位论文口厂u!,_!_1一-.-一.口二-,.,工万诸_门)封i)l)l二一/.n十i几)r口,气11,!,n+lurr/r(1.9)从上式可以看出,液滴所受的剪切力与连续相介质的粘度声!常数和c及液滴所在位置的半径:有关旋流器各截面上的n值是不等的,每个截面上的n基本不随流量的变化而变化;常数c与流量成正比关系因此,对于相同位置的液滴,其所受剪切应力随流量的增加而增加此外,剪切应力随勃度的增大而增大,这就是勃度高的液体在旋流分离器中分散相液体介质乳化严重而难于分离的原因当n二一1时为强自由涡,则剪切力为零,故强制涡中不存在剪切力液滴破碎的原因9il实际应用条件下旋流器里的流动大多处于湍流状态,导致液滴破碎的水力学因素可归结为以下两个方面:a.由于时间平均的速度梯度而产生的粘性剪切力;b.由于湍流而产生的瞬时剪切力和局部压力波动当分散相和连续相的粘度比大于3时,液滴不发生剪切破碎,只发生剪切变形,在旋流器正常工作条件下,流体与液滴之间的相对速度不是太大,因而由于时间平均的速度梯度而产生的粘性剪切力对液滴破碎的影响可以忽略不计旋流器中液滴的破碎主要是由于两相混合物的湍流运动产生的!水力旋流器内两相湍流结构的实测研究20结果表明,轴向!径向及切向速度在水力旋流器内的湍流强度在不同断面(沿轴向)都呈不同凹度的鞍形分布在旋流器内回旋流动的中心区,湍流度相对较低且变化平缓;而在旋流器器壁附近和空气柱附近,湍流强度明显增大,尤以空气柱侧的湍动更为剧烈这是由于在空气柱附近内旋流中的三维速度均较高,并在很小的径向距离上形成相当大的速度梯度,空气柱的空间位置极不稳定且快速晃动,促使水流在较窄范围内脉动幅度急剧增加,进而造成该区水流的剧烈湍动近壁面处的湍动较强是由于高速旋转的液流与器壁碰撞与摩擦的结果剧烈的湍动及较高的速度梯度产生了较大的雷诺切应力,导致了液滴的大量破碎甚至乳化液滴破碎的判据液滴在一种湍流场中的变形直至破碎取决于液滴的大小!两相的物理化学性能(如密度!粘度!界面张力等)!液滴的浓度以及局部能量的耗散一个振动的液滴,表面经受剪切力及湍流速度和压力的变化,如果其动能能够弥补单个液滴和由于破碎而产生的两个或多个小液滴之间的表面能差,那么这个液滴将处于不稳定状态可见,液滴振液液分离设各性能研究动的动能e!与表面能e:的比值决定着液滴是否破碎,将这一比值定义为液滴的weber数.当wbeer大于某一临界值时,液滴将会发生破碎1.3.2离心机分离模型对颗粒进行受力分析(忽略漩涡影响),轴向和切向仁,忽略重力和浮力的作用,认为物质颗粒与液相流体具有相同的速度径向上,由于虚浮液固相浓度很低,忽略颗粒间的相互影响(不考虑干涉沉降),物质颗粒受力为离心力!向心浮力和产生相对径向运动后的形体阻力在这合力作用下,颗粒将产生指向转鼓壁的加速度12.设离心机能够分离当量直径为诱的颗粒,认为该当量直径的颗粒在径向上走完半径为:的液流自由表面(即液流内表面)到半径为r的转鼓壁的路程,在轴向上正好走完转鼓轴向长度h的路程,认为该直径的颗粒会从悬浮液中分离掉对颗粒的轨迹方程进行积分,得到式(1.5)的离心机分离过程数学模型:18刃in才dso0r励.h(户!一户)(尺.一0r.)(1.10)式(1.5)也是确定离心机基本结构的理论依据1.4本论文的研究目的和研究内容本文通过查阅文献,根据离心分离的理论,运用数值模拟和设计计算相结合的办法,设计出了一套液液分离微型旋流器和一套新型直板式离心机通过数值模拟对离心机及旋流器的内部流场进行模拟研究,从而准确的指导了离心设备的设计工作经过设计选型加工出了离心机和微型液液旋流器,并且通过分析实验结果来展望进一步的改进思路和方法人连理_人学硕十学位论文2,离心设备流场模拟计算数值模拟!理论分析和模型试验是研究流体力学的三种主要手段,这三种研究方法必须相互配合相,相互补充,相互促进,刁-能共同推进流体力学学科的发展并解决各种工程实践问题数值模拟方法的特点是用比模型试验所需花费少得多的情况下给出流场内部细节的详细描述随着计算流体力学和计一算机科学的迅速发展,数值模拟方法在解决流体力学问题中的地位和作用己经发生了很大的变化要使数值模拟技术为工程设计提供高质量!短周期和可靠的分析设计依据必须要求数值模拟过程中的每一环节(数学模型!网格生成!数值算法)及边界条件等都要求是先进的,它们决定了数值模拟成果最终的可靠性和实用性2.1数值模拟所用的求解模型2.1,1基本方程数值计算需要解三个基本方程,即质量!动量和能量守恒三个方程根据分离器流场的特点,其在恒温体系中的质量和动量守恒方程为:助次日+二二一(户碑,)=u汰,(2.1)口!日!助a_刁u-日u;2_日u,_丁(up,)+万一(up,u,=一二午+百一l刀(万二十一万一一万氏厂万止1+用,+八陇改i汰-盘i盘l此,j汰i(2.2)式中p是静压,g,!只分别为i方向上的重力体积力和外部体积力(如离散相相互作用产生的力)式还包含了其它模型相关的源相2.1.2雷诺平均首先对流场变量进行雷诺分解,即将各变量写成平均量与脉动量之和的形式,然后对质量和动量守恒方程进行雷诺时均,其中考虑在不可压假设下的密度脉动为零,并忽略质量力和其它源项得到:助次日+二万一(厂滩沼-)=u改,(2.3)日,!口,二了气户泌-)+二一.气户沼,u,)=一口t汰j助击,a,日u!+二一!_声l万一+盘/改j日u;竺一呈娜丛)1汰;3一xl-日十二一一(一汰,:可),尸(24)液液分离设各性能研究上式称为雷诺平均n一s方程式中侧:可就是所谓的雷诺应力下面介绍的胭gk一/和rsm模型就是为解决雷诺应力与平均应力之间的关系,以使方程封闭3rngk一模型nkgk一e模型采用buossineqs假设,把雷诺压力和平均速度梯度联系起来:pu:哟日u日u;2_加_=产,(二二+下二)一百(越+声,瓜二)氏改j改,jxa,(2.5)2.1.4rsm模型fluent中rsm是制作最精细的模型,它放弃等方性边界速度假设,rsm模型使得雷诺平均n一s方程封闭rsm模型更加严格的考虑了流线型弯曲!旋涡!旋转和张力快速变化,对于复杂流动有更高精度的预测潜力当要考虑雷诺应力的各项异性时,必须使用rsm模型,如咫风流动!燃烧室高速旋转流!管道中的二次流,文献表明rsm模型是用于模拟水力旋流器的理想模型,rsm输运方程模型是通过求解ryenolds应力输运方程来封闭基本方程该模型可以计算独立的雷诺应力分量,rsm湍流模型为:知而)+子伽pu而以./k=几+马+几一气(2.6)对该方程进行模拟封闭后,所得右端各项的具体形式如下:d一,!会!翁!),p一班而会#祝会8几l一c.箭石!一扒司,几2一q卜!一扒司一几1+几2,g!一zp疏会,-一合飒口(那).)十(刀-*二)击k二l飒c:砰和丝)溉,8+贵帆炕一%间由此构成了dsm模型的基本封闭方程组,有关常数如下:cz,=o#24,c一2#2,cz二0#55,c二=0#15,c:一1#44,coz=l#92大连理7人学硕十学位论文2.1.5mrf模型在fluent多参考系特征的执行,就按区域分为子域,每个子域相对于惯性系可能是旋转或平移的每个子域的控制方程是关于子域参考系而写的在两子域间的边界,对于子域的控制方程的扩散相和其他项所需要邻近子域的速度值,fluent强制使用绝对速度石的连续性,向所考虑的子域提供相邻区域正确的值移动参考系的速度和速度梯度按照如下描述转换到绝对惯性系(见图2.1)计算区域旋转轴的初始位置的位置向量定义为:(2.7)一x一一x一一一r这里的牙是笛卡儿坐标系的位置向量,无是计算区域旋转轴的初始位置,如图所示移动参考系的相对速度可以通过以下方程转换为绝对参考系的值:石一节;+恤!动十认这里的石是绝对惯性参考系的速度,参考系的平移速度(2.8)石;是相对非惯性参考系得速度值,元是非惯性根据定义的相对速度,绝对速度向量梯度为:v!一v!:十v伪!动使用绝对速度公式时,每个子域的控制方程是关于子域的参考系来建立,是以绝对速度存储因此在两个子域之间转换(2.9)但是速度fralneroloronc之场usolutcrelerenocframe图2.1坐标系之间的转换关系f192.1thetransofmroffrmaes液液分离设各性育脚f究2.1.6vof模型vof模型假设流场中的两相或多相流体不能互相混合的流动模型中每增加一项就引进一个变量:即计算单元中相的体积比率每一个控制容积内,所有相的体积比率之和为1所有变量及其物性所在的区域都被各相共享并且以容积平均值来代表,这样每一相的体积分率在每一个位置都是已知的了这样在单元内的变量及其物性所在区域根据体积分率来代表是纯粹的一相还是多相的混合换句话一说,如果第q相流体的体积比率被记为知,那么有下面三种情况:aq=小第q相流体不存在单元中;aq=卜第q相流体充满了单元;oaql:单元中包含了第q向流体和一相或者其他多相流体的界面根据!的值,适当的物性和变量在一定范围内分配给每一个控制体积()l容积比率方程追踪相之间的减免是通过求解一相或多相的体积比率的连续方程来完成的对于第q相,这个方程如下:撇,_sa一一止生+v#v.a,=一一止上次/马(2.10)默认上述方程的右端为0容积比率方程不是为主相求解的,主相容积比率的计算基于如下的约束:(2.11)一一a艺归(2)物性方程传递方程中的物性是由控制体积中的分相决定的例如在两相流系统中(各相用下标1和2表示),则每一单元的密度可以根据第二相的体积分率来确定:尸=az刀2+(l一az)pl(2.12)通常对于n相系统,容积比率平均密度采用如卜形式:一艺a(2,13)其他的物性例如粘度,等都以这种方式计算(3)能量方程人连理l几人学硕十学位论文整个区域的通过一个单一的能量方程求解,作为结果的速度场是由各相共享的如下所示:日,_!_一叹不川,+v次0(厕)一外+.v协vv(+v!)z+虑!户(2.14)近似共享有一个局限就是当相之间存在较大的速度差异的时候,相间分界面的计算准确性可能不够准确本文的数值计算并不涉及能量方程,这里不在给出2.1.751mple算法sxmple是semi一implicitmehtodofrpressure一linkedequations的缩写,即解压力祸合方程的半隐式方法下面仅对simple算法做个简单介绍在可压流计算中,连续方程可以作为密度的输运方程,动量方程作为速度的输运方程,能量方程作为温度的输运方程在将密度!速度和温度求解出来后,再通过状态方程求出压强在不可压流中,因为压强与密度的关联被解除,所以需要将压强与速度相关联进行求解求解不可压流控制方程的逻辑为:在压强场已知的情况下,可以通过求解动量方程获得速度场,而速度场应该满足连续方程slmple算法就是这样求解这种压力藕合方程的一种解法simple算法在计算之前首先要定义压强和速度的修正关系式,然后将速度修正关系式代入连续方程得到压力修正方程在计算开始的时候,先在初始化过程中假设一个速度场和压力场,然后利用这个/已知0的速度场算出各方程的对流项通量,并将/己知0的压强场代入离散后的动量方程和压力修正方程进行求解,并得到压力修正项用修正压力项可以得到新的压力场,再将新的压力场代入速度修正关系式得到新的速度场如此循环下去,直到得到收敛的解2.2单个狭缝内部流场模拟对于本离心机来说,由于结构的特殊性,离心机中叶片长宽比太大,宽度和长度与厚度之比分别为60:1和600:1,这样网格生成必须非常细小,为了取得收敛的结果网格跨度也不能太大,这样一来,每个叶片都有必须生成密度很高的网格而对于全部180个狭缝都采取高密度网格则网格数量非常之多,对于计算机性能要求太高并且对于倾斜放置的直板也没有合适的简化方式,对此我们对于离心机的模拟计算分为两部分,由于叶片段位离心机的主分离段,首先对单个狭缝内部流场进行模拟计算,首先对狭缝内液液分离设备性能研究部的流场进行模拟计算,得出狭缝内流场的速度分布!两相分布和压力降:其次通过缩短转鼓长度对离心机的整体流场进行模拟,得出离心机工作状态下的压力降等参数2.2.1模型的建立和网格的划分由于流体被直板带动转动,流体和叶片都周期性的掠过求解域,相对惯性参考系来说,流动是不稳定的然而,如果取转动的流体及其壁面为一个计算域,在相对这个旋转参考系来讲,流动就是稳定的了,这样就简化了问题分析在这里我们对一个狭缝采取多参考系(mrf)模型,整个狭缝包括壁面都以一定的角速度绕旋转轴进行转动,这时壁面与流体流动区域的相对静止,这样的模型和假设是符合离心机-扣实际液体的流动的由于叶片间距很小,只有0.1一2,狭缝间的运动模型我们采用层流模型为了精确模拟狭缝内流体运动,我还要采用通用多相流来计算流场内两相分布在这里我们采用vof模型进行计算模型中重相为水,轻相相通过编辑物性,采取轻相油密度为900kg/耐,粘度为0.oo332pa.s,为水的粘度0.0o1pa.s的3倍,与设计操作物性相似由于狭缝为六面体结构,则采用结构化的六面体网格既可山图3可见直板间流体为一狭长流道,狭窄处仅有0.lmm,而外缘处有2左右,这样的区域生成结构化的高质量网格有一定的困难,故在沿流道扩大方向网格密度依次减小(见图2.2),很大程度上降低的单个网格的跨度,为计算的准确性奠定了良好的基础另一方面,口一卜片沿轴向方向很长,但是轴向上流体物性变化不大,所以在网格沿轴向相对跨度较大(见图2.3),很大程度上减少了网格的数量中间处网格尺寸约为.002x0.10.边缘处网格尺寸约为.04x2图2.2狭缝内缘和外缘的网格fig2.2meshoftheinnernadouterofvnae人连理:大学硕十学位论文图2.3狭缝整体网格f192.33dmeshbetweenvnaes对于单个狭缝来说,在mrf模型下边界条件非常简单,仅为出口!入口和壁面,入口速度根据离心机整体工况可得出单狭缝内部轴向流速约为0.5而s,而由于采用了m即模型,壁面和流体区域统一绕旋转轴进行转动,故壁面设置为statinoyar2.2.2计算结果及分析如图.24为狭缝内的轴向速度曲线,由于狭缝内缘非常狭窄,则流体受狭缝两侧壁面边界层影响很大,速度很低;流体贴近外缘相对较宽,流体的轴向速度受到转鼓外壁的影响,速度也不高;在狭缝中部由于受边界层影响较小,速度最大图2.4轴向速度计算结果f192.4distributionofxaialvelocity两相混合流体进入叶片后开始分离,最后明显的分成两相,可以清楚地看出混合相从一开始在左端的混合状态,到右端的两相清晰分层,如图2.5所示:液液分离设备性能研究图.26!图2.7和图2.8是上图3个箭头所标处截面上的水的体积分率分布图,明显可以看到,在入口处,水分散分布,在中间端已经将大部分的油水分开了,但是在分界面处还有少量油水混合区域,在出口处,油水基本上已经完全分离图2.6入口处水的体积分率fig2.6volumeratesofwaternearinlet图.27中间段水的体积分率fig2.7volumeratesofwaterininlet大连理_人学硕十学位论文图.28出口段水的体积分率f192.svolumeratesofwaternearoutlet在这里通过对于单个狭缝的计算可以计算出混合流体流经狭缝的压力降,运用fluent的后处理程序,我们可以得出流体在狭缝入口和出口的平均压力分别为175843.9pa和174318.4pa通过狭缝的流体压力损失很小这样我们在模拟离心机整体单相流场的时候可以将狭缝部分缩短只考虑流体进出狭缝时的压力变化,这样的简化同样可以取得比较准确的离心机流场分布2.3离心机整体流场模拟对-于离心机内部流场的模拟,由于离心机主分离区叶片间压力降很小,我们在模拟整体流场的时候可以将叶片段距离减短,这样也可以获得比较准确的结果离心机叶片区全长为600mm,这里我们缩短为50mm来进行研究2.3.1模型的建立和网格的划分对于离心机来说,物料和转鼓同时绕着旋转轴运动,最为简单的模型就是mrf模型,运动模型为rngk一e模型同时使用presto方案求解,presto方案非常适合旋转流动的大压力梯度问题的求解除了出入口的圆柱体以外,所有网格均采用六面体结构化网格进行划分,虽然网格数量约为22万个,但是由于网格质量优秀,大大提高了运算的速度和准确性划分之后的网格如图2.9所示液液分离设备性能研究图.29离心机网格fig2.93dmeshofcentriofge2.3.2计算结果及分析我们设置初始条件为离心机内流体为水,粘度.0001pa#s,密度为998.2kgm/3,离心机转速为3000r/min,入日速度为1.13而s经过计算得出离心机工作时压力分布如下,下图2.10分别是沿轴向和径向的压力分布由图中我们可以看出,在高速转动的离心机中,随着半径的增大,离心机内部静压也在增加fig2.10distributionperssuerofeentriufgeinsjde为了进一步研究离心机内部的压力分布,我们分别在如图2.11所示箭头部位设取了若干个截面并且通过后处理得到截面上的面积分平均压力数值,制出图2.12:大连理:大学硕十学位论文4567891011图2.11离心机截面示意图f192.11seetionpositionofeentriufge图2.12离心机沿轴向压力分布f192.12distributionofpressurealongaxial由上图可以看出,从左边开始,第1!2!3个点均处于入口段,压力约为1.smpa;从第4点开始进入离心机,离心机内部压力开始上升,但是由于流体还未进入主分离区,旋转速度并没有达到离心机转鼓速度3000r/min,离心机内部压力不是很大;第5!6!7液液分离设各性能研究点开始流体进入主分离段,在这里叶片带动流体旋转,流体转速最高,所产生的压力也最大;第8!9!10!11点为两相液体分离段,这里没有叶片带动流体转动,流体的转速略有下降,离心机内部压力略有厂降;第12!13!14!巧点为离心机出口段,这里半径很小,由于离心力产生的压力也不大,同时我们注意到在出口段的压力明显没有入口段高,这是由于流体经过叶片区域以后由于流通截面的渐缩和渐扩等因素造成了压力损耗不过总的来说,流体经过离心机后压力降不大,在工作中一可以回收更多的能量,对于离心机的经济运行是很有效的2.4微型旋流器的单相流模拟旋流器内部流动复杂,流场模拟采用我们上面提到的rsm模型123242511262.4.1旋流器模型的建立和网格的划分使用flueni中的前处理程序gmabit生成计算几何体,再进行网格划分除了入口段附近由于结构复杂采用了三角形网格,其余部分均采用六面体网格单元同时为了比较不同的结构对旋流器流场造成的影响,我们取了不同的进料口和溢流口结构进行比较旋流器网格划分如图2.1:3f192.133dmeshofhydarrelone在fluent计算中,边界条件设置如下:)l进口边界条件:入7为速度入日边界,按照0.5m3h/的流量换算成速度输入;2)出口边界条件:按照溢流口流量占总流量的人连理!:人学硕十学位论文5%来计算;3)壁面条件:流动边界采用无滑移固壁条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动2.4.2计算结果及分析旋流器的性能受进料口和溢流口的影响很大,我们通过对进料口和溢流口分别做出两种不同的结构进行数值模拟,根据计算结果进行合适的选型(1)进料管结构进料管结构的改变主要包括两个方面,一是进料管与筒体相贯形式,二是进料管的截面积形状按与筒体相贯的形式可分为切线型!渐开线型!弧线型和螺旋线型,本旋流器采用圆弧型对称型进口,此种进口相对加工比较容易,而且改善了过去切线入口的流道,适合于工程中推广截面形状有圆形和矩形两种由于矩形切线型进料管加工制造简单,故本旋流器也采用矩形进口设计中通过尺寸缩放可以算出进口尺寸很小,为了防止进口处特征尺寸过小雷诺数过高使得油滴剪切破碎,我们将入口尺寸进行了适当的增大图2.14是对同为矩形双入口的圆弧形轨道旋流器和切线型旋流器的数值模拟结果,通过进口处流场压力梯度场可以看出,切线入口旋流器在入口处压力损失很大,且内旋效果不明显,而圆弧形入口的旋流器压力梯度多在外围,内旋效果好,压力降相对较小,故选圆弧轨道矩形入口(2)溢流管结构溢流管内插是减小短路流应用最广泛的方式,虽然在气一固和液一固旋流分离中都成功应用过,但在液一液旋流分离中却并不适用这是因为一方面液一液旋流分离中的溢流量通常很小(1o%以下),短路流在这里并不重要;另一方面液一液旋流器中的主流为下行流,溢流管内插后必然导致沿溢流构件的绕流,而绕流在溢流管端部的脱落将会恶化近液液分离设备性能研究轴区的流动条件,进而影响溢流过程的正常进行,故此次旋流器采用溢流管与入口上端平齐的方式设计溢流管的内径的确定,通过数值模拟结果如图2.15,其全压剃度可以看出矩形入口溢流出口处压力梯度较大,证明溢流口径太小不利于溢流液体的排出,通过改变溢流口的口径从1.3二到3.snnll,看出柱段压力梯度分布较为合理:而且从特征尺寸上看也不宜太小,否则剪切力太大,油滴易破碎,故本次设计溢流口加大到3mnf以上,其流量可以通过外部管道加一个球阀来控制人连理二大学硕十学位论文微型旋流器内部的速度流场如下,由图2.17中可以看到旋流器的零包络面从柱端一直延续到小锥段底端,但是并没有理想到深入尾柱段,可见微型旋流器的结