（化学工艺专业论文）循环旋风分离器气液两相数值模拟与研究.pdf

摘要 本文采用数值方法对循环旋风分离器内的气液两相流动进行了系统和全面的研究， 包括气相速度场、压力场、湍动能、液滴运动轨迹、液滴分级效率和循环旋风分离器总 分离效率等参数，并讨论循环旋风分离器结构参数对分离效率和压降的影响情况。 ( 1 ) 通过研究确立了一套适合循环旋风分离器模拟的数值计算方法：湍流模型采用 雷诺应力模型( r s m ) ；差分格式采用二阶迎风格式；压力梯度项插补格式采用p r e s t o 格式；计算方法采用s i m p l e c 算法；气液两相流采用d p m 离散相模型。 ( 2 ) 循环旋风分离器内的气相主流是双层旋转流，外部是回转向下的外旋转流，而 中心是向上旋转的内旋流，且两者的旋转方向相同。切向速度分布呈现出组合涡的特点， 中心区域为强制涡，外部区域为准自由涡。 ( 3 ) 循环旋风分离器内静压在径向上随着径向尺寸的减小而降低；动压在强制涡和 准自由涡的分界面c s 处最大，分布状态与切向速度的类似。分离器总压的分布类似静 压的分布。 似) 循环旋风分离器升气管底端附近的湍动能与湍动耗散率最大，从升气管下端到 上端雷诺应力逐渐减小，升气管底端到折流板之间分离空间内雷诺应力比较小。 ( 5 ) 循环旋风分离器中的液滴运动非常复杂，总的来说，从入口下方入射的液滴较 从上方入射的液滴容易分离，大直径较小直径液滴容易分离。采用r o s i n r a m m l e r 分布 拟合，可以较好的模拟出具有不同直径液滴时的分离效率。 ( 6 ) 循环旋风分离器的入口速度、升气管上部间隙宽度、折流板尺寸、入口截面、 升气管直径、不同升气管插入深度和升气管底端与折流板之间的距离都不是越大越好， 需要综合考虑它们的优缺点以及工程造价才能确定。而循环管、防液罩的结构设计提高 了循环旋风分离器的分离性能。 循环旋风分离器的数值模拟，不但可以优化循环旋风分离器的结构，而且还可以大 大缩短研发周期，具有重要的工程应用价值。 关键词：循环旋风分离器，数值模拟，气液两相流，雷诺应力模型( r s m ) ，d p m 离 散相模型 s t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ng a s - - l i q u i dt w o - - p h a s eo f r e c y c l i n gc y c l o n e m i n g w e ic u i ( c h e m i c a lt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f x u e n u a nl i u a n da s s o c i a t ep r o f l a n y is u n a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo ft h er e c y c l i n gc y c l o n eh a sb e e nc a r r i e do u t b yu s i n gt h ec o m m e r c i a lc f ds o f t w a r e f l u e n tw i t h i nam o r es y s t e m a t i ca n dc o m p r e h e n s i v e r e s e a r c h ，i n c l u d i n gt h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ef i e l do fg a sp h a s e ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y ， d r o p l e tt r a j e c t o r i e s ，d r o p l e tc l a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e c y c l i n gt o t a ls e p a r a t i o ne f f i c i e n c y ， a n dt h ee f f e c to fas e r i e so fg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r e s s u r e d r o p ( 1 ) t h es u i t a b l en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fr e c y c l i n gc y c l o n eh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h r o u g hr e s e a r c h ：r e y n o l d ss t r e s st u r b u l e n c em o d e lf o rt u r b u l e n tf l o w ；s e c o n d - o r d e ru p w i n d f o r m a tf o rd i f f e r e n c es c h e m e ；p r e s t of o r m a tf o rp r e s s u r ed i s c r e t i z a t i o n ；c a l c u l a t i o nm e t h o d s i m p l e cf o rp r e s s u r e - v e l o c i t y c o u p l i n g ；d p md i s c r e t ep h a s em o d e l f o r g a s - l i q u i d t w o p h a s e ( 2 ) t h em a i nf l o wi nr e c y c l i n gc y c l o n ei sd o u b l ev o r t e x t h ee x t e r i o ri st h er e v o l v e d f l o wd o w n w a r d sa n dt h ei n t e r i o ri st h er e v o l v e df l o wu p w a r d s t h e yh a v et h es a m er e v o l v e d d i r e c t i o n d i s t r i b u t i o no ft a n g e n t i a lv e l o c i t ys h o w st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o u n dv o r t e x ， a n dt h ec e n t e ra r e ai st h ef o r c e dv o r t e xr e g i o n ，a n dt h ee x t e r n a la r e at h ef r e ev o r t e x ( 3 ) t h es t a t i cp r e s s u r ea tt h er a d i a ld i r e c t i o nr e d u c e sw i t ht h er a d i a ls i z ed e c r e a s i n g ；t h e d y n a m i cp r e s s u r ei st h el a r g e s ti nc si n t e r f a c eo ft h ef o r c e dv o r t e xa n df r e ev o r t e ，a n dt h e d i s t r i b u t i o ni ss i m i l a rw i t ht a n g e n t i a lv e l o c i t y t h ed i s t r i b u t i o no ft o t a lp r e s s u r ei ss i m i l a rt o d i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r e ( 4 ) t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dt u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t ea tt h eb o t t o mo ft h ev o r t e x f i n d e ri nr e c y c l i n gc y c l o n ei st h em o s t ，a n dr e y n o l d ss t r e s sg r a d u a l l yr e d u c e sf r o mt h eb o t t o m t ot h et o po ft h ev o r t e xf i n d e r b e t w e e nt h eb o t t o mo ft h ev o r t e xf i n d e ra n db a f f l ep l a t e ，t h e r e y n o l d ss t r e s si sr e l a t i v e l ys m a l l ( 5 ) t h em o t i o no fd r o p l e t si nt h er e c y c l i n gc y c l o n ei sv e r yc o m p l i c a t e d o nt h ew h o l e ， t h ed r o p l e t si n je c t e dl o w e ro ft h ei n l e ta r em o r ee a s i l ys e p a r a t e dt h a nt h ed r o p l e t sw h i c h i n j e c t e du p p e ro ft h ei n l e t ，t h ed r o p l e t sw i t hb i g g e rd i a m e t e ra r em o r ee a s i l ys e p a r a t e dt h a n t h a tw i t hs m a l l e rd i a m e t e r t h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yc o u l db eo b t a i n e db yf i t t i n gt h e r o s i n r a m m l e rd i s t r i b u t i o n ( 6 ) t h ei n l e tv e l o c i t y ，g a pw i d t h o ft h eu p p e rv o r t e xf m d e r ，b a f f l ep l a t es i z e ，t h ee n t r a n c e c r o s s s e c t i o n ，d i a m e t e ro ft h ev o r t e xf i n d e r , t h ed i f f e r e n td e p t ho fv o r t e xf i n d e ra n dt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h eb o t t o mo ft h ev o r t e xf i n d e ra n dt h eb a f f l ep l a t e ，i ti sn o tt h eb e t t e r ， w h i c ha r eb i g g e r t h e ys h o u l db ed e t e r m i n e db yc o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s a n dt h ep r o j e c tc o s t sc o m p r e h e n s i v e l y t h er e c y c l el i n ea n dt h es m o o t h i n gs l e e v ei m p r o v e s e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h er e c y c l i n gc y c l o n e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h er e c y c l i n gc y c l o n es h o w st h a t ：i tn o to n l yc a l lo p t i m i z e t h es t r u c t u r eo fr e c y c l i n gc y c l o n e ，b u ta l s oc a ns i g n i f i c a n t l ys h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，s o i th a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u ei ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：r e c y c l i n gc y c l o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w ， r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ( r s m ) ，d p m d i s c r e t ep h a s em o d e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 符号说明 口，a 2 ，a 3 常数； 6 旋风分离器入口宽度，m ； c 常数； c z , 为曳力系数； 巳嘲验常数，0 0 9 ； 盔mx s o 分离效率为5 0 的颗粒直径，m ； 磊为颗粒直径，m ； d 旋风分离器筒体直径，m ； 眈旋风分离器简体直径，m ； d x 升气管直径，m ； 铂法向恢复系数； 厂_ 哪壁摩擦系数； 尼湍动能，m 2 s 2 ； 如_ s 面的高度，m ； 饰为颗粒质量流量，k g s ； m 颗粒旋转运动到旋风分离器底部的圈数； 刀常数； q 旋风分离器处理量，i t l 3 h ； 纵旋风分离器的进口气体流量，m 3 h ； q 旋风分离器的出口气体流量，m 3 h ： 尺旋风分离器简体半径，r n ； 咫为相对雷诺数； 凡升气管半径，m ； r 旋风分离器半径，m ； 以颗粒在径向方向的终端速度，m s ； 甜叫流体速度，m s ； 为颗粒速度，m s ； “f _ 入口速度，m s ； 符l 说明 “流体的湍流脉动速度，m s ； “、，、，x ，y ，z 方向上的随机脉动速度，m s ； 形旋风分离器内r 处切向速度，m s ； h 为垂直壁面的法向速度分量，m s ； v 口旋风分离器半径上任意一点的切向速度，m s ； v 黜叫s 面上的切向速度，m s ； w 叫s 面上的径向速度，m s ； x 颗粒直径，m ； 矿瑚动耗散率，m 2 s 3 ； 7 7 分离效率； 气相动力粘度，p a s ； 肋湍流粘度，p a s ； 臼掖滴于避免的冲击角。 p 气相密度，k g m 3 ； 伟颗粒密度，k g m 3 ； 液滴的迟豫时间，s ； 乒呻风分离器压降阻力系数； & 为时间步长，s ； 8 6 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盘缝；翠： 日期：2 。9 年月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：垒丝! 堑： 指导教师签名：7 乐b 簟受一 日期：年月日 日期：训年名月2 日 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论义 1 1 本研究的背景 第1 章绪论 近年来，国内的炼油企业纷纷建设加氢裂化和加氢精制装置，以满足经济迅速发展 的需要。加氢装置重复使用的循环氢气必须进行脱硫，以保持反应系统的氢分压，减少 设备及高压系统的负荷和腐蚀。循环氢脱硫是在系统压力下( 通常为7 o 1 6 0 m p a ) ，使 循环氢与贫胺液进行接触，以脱除循环氢气中的硫化氢。为了降低系统的能耗，就必须 提高贫胺液的浓度，并增加脱硫负荷。这样，就应严格控制与胺液接触前的循环氢中液 滴携带量，防止循环氢与胺液接触时起泡。循环旋风分离器在工艺流程中的作用就是除 去循环氢气体中的液滴等杂质，保证循环氢氨液洗涤脱硫塔的正常操作，减少其操作负 荷以及保护加氢装置的心脏设备循环氢压缩机。 2 0 0 3 年，樊大风j 针对石油加氢裂化装置中循环氢气除液的工艺要求，设计建造 了套3 0 0 r a m 直径和一套6 0 0 r a m 直径的循环旋风分离器装置，实验研究一种带外循环 管的循环旋风分离器如图1 1 ，通过试验，樊大风对不同直径循环旋风分离器内部的压 力分布、外循环管的循环流量大小、部分不同结构尺寸下的压力分布和分离性能进行了 研究剖析，并根据石油大学时铭显教授的相似原理归纳了自己的压降公式和分离效率公 式。 图1 - 1 循环旋风分离器简图 f i g l 一1 t h es c h e m a t i co ft h er e c y c l i n gc y c l o n e 相似原理【3 4 】是根据p v 型气固旋风分离器得出的研究理论，而循环旋风分离器作为 一种新型高性能的气液分离设备具有许多独特的结构特点，例如外循环管的设计、防液 罩的设计、折流板的设计等等。因此，相似原理不一定适合循环旋风分离器的结构特点。 樊大风的试验研究仅仅涉及到了循环旋风分离器的压力分布，以及分离器的总分离效 第1 孝绪论 率，而由于试验条件以及试验本身的局限性，无法对整个循环旋风分离器流场以及对循 环旋风分离器的分离性能有重要影响的切向速度、轴向速度、径向速度以及湍流强度分 布进行有效的分析。 本课题采用数值模拟与实验数据相结合的方法，以f l u e n t 流体计算软件为平台首 次对循环旋风分离器内部气相流场分布和液滴运动状态进行数值模拟，进而为循环旋风 分离器的结构设计和改进提供理论依据，为循环旋风分离器的设计方案提供技术支持。 1 2循环旋风分离器的基本结构与工作原理 本文所研究的循环旋风分离器如图1 - 2 ，包括再分离室、分离室、防涡室和集液室。 在运行的过程中，气液相进料在压力作用下从进料管高速进入分离室，旋转过程中， 气液混合物中的液相在离心力作用下以液滴形式被甩向循环旋风分离器壁，甩向器壁 的液滴越来越多，慢慢汇集成液膜，液膜越来越厚，最终在重力作用下，液膜沿循环 旋风分离器壁流到集液室中。高速旋转气流下旋过程中遭到折流板的阻挡，由外旋流 转化为内旋流，进入升气管，升气管内的旋转气流流速进一步提高，对其中的液相仍 然起到分离作用，分离下来的液相，通过缝隙进入再分离室，经过位于分离器外侧的 外循环管，重新进入分离室进行二次分离。 1 2 3 4 图1 - 2 循环旋风分离器结构示意图 f i 9 1 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er e c y c l i n gc y c l o n es t r u c t u r e 1 再分室，2 分离室，3 防涡室，4 集液室，5 间隙宽度，6 升气管，7 防液罩，8 折流板，9 循环管， 1 0 排气管，l l 隔板，1 2 进料管 用于气液相分离的循环旋风分离器有着许多不同于普通气固旋风分离器的特点【5 】： ( 1 ) 与气固旋风分离器要分离的固体颗粒不同，循环旋风分离器内分离的液滴滴径 相对要大一些且不是多孔结构，这两个因素使得气液分离相对容易。 2 中国石油大学( 华东) 硕1 ：学位论文 ( 2 ) 在许多装置中，进入循环旋风分离器的气液混合物在经过上游管线时，在表面 张力的作用下，小液滴容易凝聚成大液滴，易于分离。 ( 3 ) 与气固旋风分离器不同，一旦来流中的液滴在离心力作用下被甩向分离器壁面， 就会与壁面的液膜聚结在一起，由于液膜质量逐渐变大，他们不太可能离开壁面被重新 夹带到气相中，而在气固分离器内，细颗粒很容易从壁面被重新带入气相中。 ( 4 ) 进入循环旋风分离器的液滴一般不会堵塞旋风分离器，除非所要分离的液相含 量很高并具有很大的粘性；而对气固分离器来说，带静电或黏附的颗粒经常会堵塞旋风 分离器，因此气固旋风分离器内部空间都很宽大，以防被固相堵塞。因此，在循环旋风 分离器分离空间内设计人员可以有更多的设计空间，循环旋风分离器分离空间安装有多 种内置构件，包括较薄的稠密叶片，窄的开缝，抗液体蠕动的裙边，隔离盘和其他复杂 的构件。而气固旋风分离器通常不会安装这些内部构件。 虽然分离气液两相的循环旋风分离器本身具有一定的优势，但同样存在一些不利于 分离的因素存在： ( 1 ) 与气固旋风分离器不同，一部分液体易在分离器上部壁面形成液膜。该液膜不 是静止不动的，而是在二次气流驱动下先沿壁面缓缓向上移动再沿顶板径向向内移动， 最后沿升气管向下流。如果不采用导流措施，这层液体就会形成短路流随着气体排出。 这种特性称为液膜损失，显然他对循环旋风分离器的分离性能是有害的。 ( 2 ) 进入循环旋风分离器的液相不仅可以聚合成较大的液滴，也可以分离成小液滴， 而这对分离器的整个分离效果是不利的。因此如何更好的促进液相的聚合而不是分离也 是设计循环旋风分离器时应该考虑的问题。 1 3旋风分离器发展概况 早在一百多年前牛顿和斯托克斯的著作中就已确立了现代工业用旋风分离器分离 的物理原理，为分析流体运动中颗粒的受力奠定了坚实的基础。自1 8 8 6 年0 m o r s e 获 得了旋风分离器的第一个专利以来，旋风分离技术一直得到不断的发展 6 - 9 】，其发展历 程大致可以分为三个阶段： 从1 9 世纪8 0 年代旋风分离器投入生产运转到2 0 世纪3 0 年代，属于自发使用阶段。 在这一阶段中，人们对于分离器的分离机理缺乏理性认识，简单认为分离机理只是把固 体颗粒甩向壁面而己，也未能深入研究分离器内部的流动规律，此时分离器的临界直径 一般为4 0 6 0 岬。这一阶段中，最为杰出的研究成果为近代流体力学大师p r a n d t l 所做 的降阻研究。 第1 章绪论 从2 0 世纪3 0 年代到2 0 世纪6 0 年代，很多学者对旋风分离器做了广泛的研究和试 验。范登格南于上世纪3 0 年代发现了旋风分离器中的嵌套式双螺旋结构；4 0 年代初， s h e p a r d 和l a p p l e 1 0 1 通过试验提出了旋风分离器的压降和分离极限颗粒计算公式，即著 名的转圈理论；1 9 4 9 年，a l e x a n d e r 提出了旋风分离器的准自由涡模型，计算了分离器 内部流场中的切向速度；同年，s t a i r m a n d “】计算了旋风分离器中的速度分布，提出了压 力损失计算公式；1 9 5 6 年，德国k a r l s r u h e 大学的b m - t h 1 2 墩授提出了自己的压力损失模 型，并提出了最早的平衡轨道模型和以如的概念。 从2 0 世纪6 0 年代到现在，通过研究，能够将旋风分离器的捕集能力推向超细微粒， 并通过相似理论和量纲分析，将旋风分离器的性能参数组成无量纲数进行分析和评价。 1 9 7 0 年，德国s t u g g a r t 大学的m u s e h e l k n a u t z 1 3 1 教授建立了著名的m m ( m u s c h e l k n a u t z m o d e l ) 模型，这是迄今为止最接近实际的分离器模型；d l e i t h 和w l i c h 1 4 j 于1 9 7 2 年考虑湍流扩散对固相颗粒分离的影响，基于边界层分析理论，把气流中悬浮 颗粒的横向混合理论与旋风分离器内气流的平均停留时间相结合，从理论上严格推导出 了分级效率模型。 在国内，也有学者对旋风分离器进行了卓有成效的研究。张吉光等【1 5 1 于1 9 9 1 年根 据旋风分离器内气流的轴向速度分布规律确定尘粒在旋风分离器内的平均停留时间，建 立了旋风分离器分级效率的数学模型。陈建义与时铭显【1 6 】于1 9 9 3 年在p v 型高效旋风分 离器旋风器内部流场及浓度场测定的基础上，考虑了旋风分离器的短路流，颗粒间的相 互碰撞，返混等对分离性能的影响，建立了旋风分离器分级效率的多区计算模型。沈恒 根【1 7 1 等于1 9 9 8 年应用平衡尘粒模型分析给出了旋风分离器分割粒径扔d ，并以木村典夫 模型为基础，给出了旋风分离器分级效率的计算方法。刁永发等 18 】于2 0 0 0 年以平衡尘 粒模型以及相似理论原理分析为基础，根据木村典夫分离模型，给出了该分离器高温旋 风分离的分级效率的计算方法。 1 4 旋风分离器分离机理及其进展 人们对旋风分离器分离机理的研究由来已久，许多研究者已相继提出各种各样的分 离理论，归纳起来主要有平衡轨道模型，停留时问模型，混合模型( d i e t z 模型和 m o t h e s l o f f i e r 模型) 三类【1 9 】。由于气液旋埘分离器的分离机理的研究尚不充分，实际上 目前气液旋风分离器的分离机理目前尚处于初级阶段，还很不成熟。现在许多气液旋风 分离器的研究主要是借鉴气固研究的已成型理论。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中： x s o2 o e c s2( + 警 5 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) 第1 章绪论 平衡轨道模型存在的不足之处【2 0 1 ： ( 1 ) 并不是所有的颗粒都能达到平衡状态。换句话说，有些颗粒在他们达到平衡状 态之前已经流出。 ( 2 ) 在分析颗粒的径向运动时，平衡轨道模型没有涉及湍流的扩散作用，湍流，尤 其是高频湍流对颗粒在径向的平衡位移有相当影响，若将湍流因素考虑在内，则按平衡 轨道模型所预测的分离粒度可能偏小。 1 4 2 停留时间模型 最初的停留时间模型是由r o s i n t l 6 1 等人提出来的。将从旋风分离器入口的某一径向 位置进入的颗粒到达器壁所需要的有效时间和实际上运动到器壁的有效时间进行对比， 把颗粒到达旋风分离器底部之前径向运动的距离等于整个入口宽度的最小颗粒粒径称 为临界粒径，即粒径x 5 0 。旋转颗粒运动至器壁附近的整个轨迹长度为：, r c d n 。m 是颗 粒旋转运动到旋风分离器底部的旋转圈数。这里忽略了螺旋轨迹与水平夹角的余旋乘 积，这个夹角的角度一般在1 5 。一3 0 。之间。假定在旋风分离器壁上的颗粒速度近似等于 入口速度，则颗粒到达底部所需要的时间为： 丝堕 ) 。 在离。t l , 力场中，颗粒在径向方向的终端速度是由公式( 1 2 ) 确定，设v 群于v 咖用r 代替d 2 ，并考虑气体密度的影响，则有： 啦掣 m 5 ， 在忽略气体径向速度的情况下，颗粒到达器壁所需要的时间为彰。设它等于有效 时间，则可以求解处临界粒径x 5 d ； x s o2 ( 1 - 6 ) 解这个方程需要确定m 。依据经验肛是入口速度的函数： n ，= 6 1 ( 1 - e m 0 6 6 1 ( 1 - 7 ) 图1 4 可以说明停留时间模型的基本概念。这里主要考虑颗粒向器壁的移动，而忽 略向内移动气体速度的影响。 中国石油大学( 华东) 硕二| ：学位论文 副h 7 第1 章绪论 型的预报效果，对模型进行了改进或修正。首先，修f 的小模型主要是在方程s 中加入 了一项表征流体旋转效应的源项，称为r i h a r d s o n 修难。f r a s t e r 2 7 1 在标准k 吒模型的基础 上，采用s m i t h 模型对湍能耗散方程进行修j _ _ f ，主要考虑了旋转作用对湍能分布的影 响，在耗散方程中加入一项，同时考虑旋转对流动的影响。采用修正后的模型计算分离 器内部的三维流场。在圆柱段，切向速度和轴向速度数值预报与实验比较接近，但在分 离器圆锥段，切向速度的分布和实验有较大出入。林玮2 9 3 等采用r o d i 【3 0 】提出的由于旋 转流动的缸模型，计算了切向入口旋风分离器内部流场，得到的轴向和切向速度与实 验结果相近。魏志军【3 1 】采用c h e n k i m 圈模型，计算了与f r a s t e r 2 6 】结构相同的旋风分离 器。这种模型通过引入一个时间尺度( k p k ，其中砟表示湍流动能k 体积生成率) 来改善 耗散方程的动态响应，并通过实验调整了标准红旗型的若干系数，使其在包括旋转流 动的几种情况下可能获得满意的结果。这种改进使计算结果有所改善，但不能给出湍能 的各向异性分布。李文东和王连泽 3 3 】为了分析验证不同湍流模型的适用效果，分别选用 了标准k - e ；疗程模型、s n l i t h 2 7 1 修正的模型和c h e n k i m 3 2 】修正的模型。通过对同一工况 模拟结果与实验数据的比较，发现s m i t h 修f 的湍流模型更适合于预报像旋风分离器内 这种具有返转流动的强旋流动。y o s h i d a t 3 4 】采用l a u n d e r 模型( 把原来的常值系数c 2 修正 为考虑离心力的变数) 对旋风分离器的三维流场进行数值模拟，并考虑入口段的影响， 模拟出了入口段变化对流场和分离效率的影响，与实验结果吻合较好。 1 5 3 雷诺应力模型( r s m ) 基于缸s 的各种模型虽然在一定程度上改善了预报效果，但其改进有限。严格说来 解决上述模型缺陷的根本途径在于完全抛弃基于各向同性涡粘性假设的湍流模型，因而 可采用完全雷诺应力模型( r s m ) 或代数应力模型( a s m ) 来代替缸模型。1 9 8 2 ，b o y s a n 【2 l 】 考虑标准缸极方程模型在计算强旋流流场方面的缺陷，转而采用能反映湍流各向异性 的雷诺代数应力模型，计算得到的速度场能反映出分离器内部切向速度的刚体涡和自由 涡的组合结构。周力行【3 5 。6 1 等曾经多次采用雷诺应力模型及简化了的代数应力模型，计 算强旋流气固两相流，通过模拟不同旋流数的旋转流动，得到了较合理的结果。林玮 3 7 】 等将l a u n d e r 3 8 1 提出的雷诺应力模型简化为代数应力模型，对旋风分离器内部的三维流 场进行模拟计算，得到的结果表明旋风分离器内部的流场具有很强的各向异性的特点， 比较准确地给出了切向速度组合涡结构。但由于a s m 模型假设雷诺应力的传输与湍流 应力的传输成f 比，把单个独立的应力方程减少成各计算单元的代数关系式，能够模拟 中国石油大学( 华东) 硕l j 学位论文 湍流的各向异性，一些研究结果表明其在旋流中的应用并不成功 3 9 1 。 r s m 模型的优点是可以准确地考虑各向异性效应，如浮力效应、旋转效应、曲率 效应和近壁效应等，因而大多被用来模拟旋风分离器内具有强旋流特点的流场。 c h r i s t i a n 4 0 - 4 2 1 利用c f x 计算流体力学软件，采用标准“模型、r n g 缸模型和雷诺应力 模型计算几种典型的分离器内部流场，结果表明：三种模型中以雷诺应力模型的数值预 报结果与实验最为接近，r n gk - 骥型能大致给出合理的分布，标准缸骥型预报结果与 实验偏差很大，说明这种模型不适合旋风分离器内流的计算。h o e k s t r a a j 【4 3 】采用雷诺应 力模型中的l r r t 卅模型计算了旋风分离器中的强旋流场，并与标准的舡骥型和r n g 缸占 模型计算结果同l d v 实验的结果【4 5 】进行了比较，显示了r s m 在求解各向异性尤其是旋 转流场方面的突出优势。彭维明【4 6 1 使用b o y s a n 2 1 】等人提出的雷诺应力模型( r s m ) 和其代 数应力模型( a s m ) 之间一个混合模型，对涡管分离器中的流场进行理论计算，得到轴向 速度与实验基本重合。王海刚 4 7 1 采用雷诺应力模型中s s g t 4 8 】模型对旋风分离器中三维 气相流动进行数值模拟，该模型压力应变项考虑了壁面效应，其结果表明较r n gk - 模 型和标准肛模型好。胡砾元 4 9 】采用雷诺应力模型i p c m + w a l l 的线形模型，并针对强旋 流动，通过作者数值实验对模型常数进行优化和改进。数值模拟结果表明在分离空间和 灰斗内，预报值与实验值吻合较好，在排气管内与实验值有一定距离有待改进。薛晓虎 5 0 】采用胡砾元优化了模型常数的雷诺应力模型，对旋风分离器上部空间各种二次涡进行 了数值模拟，重点分析了顶板和升气管附近的局部二次涡，数值模拟结果与实验对比表 明其模型对环行空间的强旋流动有很好的预报精度。b e m a r d os 和m o r im 【5 l 】等采用 s l a t e r r yjc t 5 2 】所改进的雷诺输运模型，模型常数用各项同性方程中的系数取代，模拟了 不同入口角度的蜗壳式旋风分离器内全空间非对称三维时均流场，取得与实验结果比较 一致的预报效果，特别是在总的分离效率方面，误差仅为0 0 7 。 1 6循环旋风分离器的性能指标 循环旋风分离器的性能指标主要有：表示生产能力的处理气液量q ，表示分离效果 的分离效率卵，表示能耗指标的压降凹。下面将分别给予详细介绍 1 9 】： ( 1 ) 处理气液量q 处理气液量是代表旋风分离器处理气体能力大小的指标，一般以体积流量表示。实 际运行的分离装置，由于漏气等原因，旋风分离器的进口和出口的气体流量往往不同， 因此，宜用两者的平均值代表处理气体流量，用q 表示，即： 9 第1 章绪论 q ：盟墼 ( 1 8 ) 式中：q - 一处理气体流量，m 3 m ； q f 。一旋风分离器的进口气体流量，m 3 h ； q d 甜一旋风分离器的出口气体流量，m 3 h 。 ( 2 ) 分离效率印 旋风分离器的分离性能，通常用分离效率来表示。旋风分离器的分离效率通常采用 总分离效率和分级分离效率两种表示形式。 总分离效率：对于旋风分离器而言，总分离效率可表示为： 7 7 = 导 ( 1 9 ) u f 式中：g c 一旋风分离器的排尘管排出物料量，k g h ； g 一旋风分离器的进口气流所含物料量，k g h 。 总分离效率作为分离器性能衡量指标受到很大局限性，它除了与分离器结构有关 外，还受颗粒的性质、气体的性质、运行条件等因素影响。即使在同一装置，同一运行 条件下，由于颗粒分散度的不同，其性能也有显著的差别。因此，除非入1 5 1 条件完全相 同，总分离效率不宜用来比较不同旋风分离器的分离性能。 分级分离效率能够更好地反映旋风分离器自身的性能。分级分离效率是按粒径的不 同分别表示的分离效率，如下式所示： 矾2 篆斗等 m 旧 式中：c f ，q ，c d _ 分别为进入分离器的，被捕集下来的，逃出分离器的总的物料量， k g h ；托，疋，。砀一分别为进入分离器的，被捕集下来的，逃出分离器的粒径为蟊的物 料份额，无量纲。 分级分离效率是对某一特定直径的颗粒而言的，说明的是旋风分离器对直径为反 的颗粒的分离效率，与总分离效率相比，它更能说明分离器的分离性能。 总分离效率与分级分离效率的关系为： r = 仉五 ( 1 1 1 ) 式中：表示粒径为破的颗粒筛分份额。 ( 3 ) 压力损失舻 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 旋风分离器的压力损失是评定其性能的另一个重要技术指标，它表示气流通过旋风 分离器时的压力损失，是衡量分离器能耗和运转费用的一个重要指标。 旋风分离器的压力损失主要包括以下几个方面： ( 1 ) 进口管的摩擦损失； ( 2 ) 气体进入旋风分离器后的突然扩大造成的能量损失； ( 3 ) 气体在旋风分离器中与器壁的摩擦所引起的能量损失； ( 4 ) 旋风分离器内气体因旋转而产生的动能耗损； ( 5 ) 进入排气管时的突然缩小造成的能量损失； 其中，第( 4 ) 项和第( 5 ) 项最为主要。 通常，压力损失用旋风分离器进、出口平均全压之差来表示，即： z i p = ( 只) ，一( 只) ( 1 1 2 ) 而 只= + 另 ( 1 1 3 ) 在压力损失的计算中，常引进一个阻力系数6 定义为旋风分离器的压力损失与进 口动压头之比，即： 善2 丽a p ( 1 - 1 4 ) a p = ( 嘶2 2 9 ) p ( 1 1 5 ) 1 7论文研究目的与主要工作 1 7 1 课题研究的目标 ( 1 ) 通过f l u e n t 流体力学计算软件，在比较循环旋风分离器内流场，速度分布，压 力分布实验数据的基础上，建立合理的几何模型和物理模型，对循环旋风分离器空间内 的单相和两相流场进行数值模拟计算。 ( 2 ) 通过流场分析及数值模拟，为循环旋风分离器的设计方案的改进提供理论依据 和技术支持。 1 7 2 课题研究的内容 ( 1 ) 针对循环旋风分离器的结构特点，建立几何模型和合理的物理模型，并选择合 适的湍流数值计算模型对单相流体进行模拟计算。先用g a m b i t 对循环旋风分离器分离 空间分区建立几何模型和物理模型；再用r n g k s 湍流模型和雷诺应力模型( r s m ) 两 第i 章绪论 种湍流模型，以及不同的离散格式，压力补差格式和压力与速度的耦合方式对循环旋风 分离器的单相流进行数值模拟；最后将数值模拟结果与已有实验数据进行比较，选择一 种模拟计算综合效果好的模拟方案。 ( 2 ) 对循环旋风分离器进行两相流数值模拟。采用d p m 离散相模型对循环旋风分 离器分离空间内的液相运动轨迹进行数值模拟；将模拟结果与实验数据进行比较，修正 计算模型参数和调整网格划分来使模拟结果更能反映真实的情况，计算循环旋风分离器 分离空间内的液相运动轨迹；根据数值计算结果优化循环旋风分离器的设计方案，提出 循环旋风分离器的结构优化方案。 1 7 3 拟解决的关键问题 ( 1 ) 通过数值模拟分析循环旋风分离器内的流场特点，对比气固旋风分离器的流场 特点，找出气液和气固分离的相似点，为气液旋风分离器在设计上应用气固设计的方法 提供研究依据。 ( 2 ) 通过数值模拟，了解循环旋风分离器和其它普通的气液旋风分离器具有怎样的 不同，是那些不同点导致了循环旋风分离器具有高效的特点。 1 2 中国石油久学( 华东) 硕_ 。学位论文 第2 章循环旋风分离器数值模拟方法研究 2 1引言 近年来，随着c f d 和电子计算机技术的飞速发展，使得、们越来越普遍地采用数 值计算的方法来研究在工程技术中所遇到的问题。本文将利用计算流体动力学c f d 商 业软件包f l u e n t 对循环旋风分离器进行数值模拟研究。本章将首先对循环旋风分离器数 值模拟中的各环节作一介绍，包括适用于循环旋风分离器的湍流模型、计算方法及差分 格式的比较等内容。然后，通过对循环旋风分离器的具体数值模拟计算，在不同的湍流 模型、不同的对流项差分格式及不同的压力插补格式等情况下，比较其模拟结果，最终 确定出适合本文研究的模型和数值计算方法。 2 2气相数值模拟 2 2 1湍流模型 标准缸占模型 标准缸s 模型属于两方程模型，是目前使用最广泛的湍流模型。标准肛s 模型定义 为【5 3 】：在关于湍动能坊程的基础上，引入一个关于湍动能耗散率啪方程，便形成了髓占 两方程模型，称为标准肛模型，在模型中，湍动耗散率礅定义为： 占= 氖剐善 p l 八， ( 2 1 ) 现在用得最多的标准红骥型是简化了的模型。简化形势是： 掣+ 掣= 毒箦崩竹伊 陆2 ， a 魄 缸，jl 。吒j 叙，j “ 。 式( 2 1 ) 中的g 的展开式是： q = 以f 2 ( 罢 2 + ( 多) 2 + ( 警) 2 + ( 雾+ 妻) 2 + ( 謇+ 芸) 2 + ( 笔+ 考) 2 c 2 固 采用标准缸f 模型求解流动问题时，控制方程包括连续方程，动量方程，能量方程， 尼方程，荫程和湍流黏度表达式 鸬= p 巴竺 ( 2 4 ) 式中：巴为经验常数，为0 0 9 。 标准红旗型的适应性【5 3 】： ( 1 ) 标准缸模型是针对湍流发展非常充分的湍流流动建立的，也就是说，它是一种 第2 市循环旋风分离器数值模拟方i ：玄研： 针对高雷l 若数亿的湍流计算模型，而当b 比较低的时候，例如，在近壁处的流动，湍 流发展并不充分，湍流的脉动影响也可能不如分子粘性的大，在更贴近壁面的底层区， 流动可能处于层流状态。因此对于疋数低的流动使用标准“模型就会出问题。 ( 2 ) 标准k - 8 模型比零方程和一方程模型有了很大的改进【5 4 1 ，但用于强旋流或弯曲 流线