柱形旋流器入口结构对油水分离影响的数值模拟.pdf

2 0 1 2年第4 0卷第 4 期 流体机械 文章 编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 4 0 0 2 5 0 6 柱形旋流器人 13 结构对油水分离影响的数值模拟 史仕荧 吴应湘 孙焕强 刘海飞 张健 中国科学院力学研究所 北京 1 0 0 1 9 0 摘要 通过数值模拟 分析了入 口结构对油水在柱形旋流器中分离性能的影响 数值模拟时 油水两相流动采用 F l u e n t 中的混合模型 相间的相对运动采用代数滑移模型 湍流影响则使用修正的 R N G K一8湍流模型 获得了入 口形 状 人 口方式和入 口位置对柱形旋流器油水分离性能的影响 这些结果为优化柱形旋流器结构奠定了基础 关键词 柱形旋流分离器 油水分离 入 口 结构 数值模拟 中图分类号 T Q 1 7 2 6 文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 is s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 4 0 0 7 Opt im i z in g t h e I nle t De s ig n o f A Liq uid liq uid Cy l in dr ica l Cy clo ne S HI S h i y in g WU Yin g x ia n g S UN Hu a n q ia n g L I U Ha i f e i Z HA NG J i a n I n s t i t u t e o f Me ch a n ics C h i n e s e A ca d e m y o f S ci e n ce s B e i j in g 1 0 0 1 9 0 C h in a Ab s t r a ct T h e in fl u e n ce o f in le t s t r u ct u r e o n o il wa t e r s e p a r a t io n in a cy lin d r ica l cy clo n e is s imu la t e d in t h is p a p e r T h e a lg e b r a ic s li p m o d e l w h ich u s e d t o s i mu la t e t h e r e la t i v e m o t i o n b e t w e e n w a t e r co n t i n u o u s p h a s e a n d o i l p a r t i cl e p h a s e m i x t u r e mo d e l in fl u e n t a n d t h e RN G K 一 t u r b u le n t mo d e l are a d o p t e d u s in g n u me ri ca l s imu la t io n b y F lu e n t s o f t w a r e T h e e f f e ct o f in le t s h a p e s in le t cr o s s s e ct io n a l s h a p e a n d t h e h e ig h t o f in le t o n o il w a t e r s e p a r a t io n ch ara ct e r is t ic s in a liq u id liq u id cy lin d r ica l cy clo n e h a v e b e e n a n a ly z e d T h e n u me r ica l s imu la t io n ca n p r o v id e a f o u n d a t io n f o r s t ruct u r al o p t imiz a t io n d e s ig n o f cy lin d r ical cy clo n e s Ke y wo r d s cy lin d r ical cy clo n e o il wa t e r s e p a r a t io n in le t s t r u ct u r e n u me r ica l s imu la t io n 1 前言 旋流器早在 1 0 0年前就广泛 用于化工 矿物 加工 冶金 煤炭等行业 它利用切 向入 口使来流 的直线运动转换成旋转运动从而形成旋流场 在 旋流场 中由于各组分之间存在密度差异 密度大 的组分 向壁面并 向下运动形成外旋流 并最终从 底流 口排出 密度小 的组分逐渐 向中心并 向 上运动形成 内旋流 并最终从溢流 口排 出 从而实 现不同组分的分离 近 2 0年 已将旋流器应用到石 油工业 中的油水分离 旋流器的结构是影响旋流器油水分离性能的 关键因素 国内外已有不少学者研究 了旋流器结 构对油水分离性能 的影响 并取得了一些重要的 成果 L ia n g Y in C h u等研究 了人 口 内溢流管 底流管等结构对锥形旋 流器油水分离性 能的影 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 0 修稿 日期 2 0 1 1 1 1 2 2 响 发现结构不同 压降和分离效率是不 同的 G a y等发现动态旋流器 比静态旋流器 的分离性能 好 B e d n a r s k i 等探索 了人 12 I 直径对旋 流器油 水分离的影响 发现入 口直径小会造成油滴破碎 人 口直径大不能使来液在旋流器中形成足够的旋 转强度 C o l ma n D A等对大直径和小直径的锥 形旋流器进行 了相关试验 得 出小直径的旋流器 能够使油水更好的分离 叫 丁旭明等对比了不 同 入 口结构对锥形旋流器 的分离性能影响 发现入 口结构对其处理量 和压降有影响L l 上述文献 调研表明 前人关于结构对锥形旋流器油水分离 性能影响的研究较多 而关于结构对新型柱形旋 流器的分离性能影响的研究却较少 因此本文将 重点研究柱形旋流器的人 口结构对油水分离性能 的影响 包括不同的入 口位置 入 口形状 和入 口方 式对柱形旋流器油水分离性能的影响 2 6 FLUI D MACHI NERY Vo 1 4 0 No 4 2 01 2 2柱形旋流器流场数值模拟 2 1 数值模拟 两相流控制方程 本文拟采用修正后的 R N G K一 模型 他 混 合多相流模型计算油水在柱形旋流器中的两相流 动规律 在定常 恒 温条件下 可得到三维简化形 式的基本方程组如下 连续性方程 P 0 1 P C r o p O l P 2 3 j Pm 式中P 混合密度 质量平均速度 油相的体积分数 水相的体积分数 P 油相的密度 P 水相 的密度 动量方程 V p 一 p 一 2 一 P g V 3 d r k 玳 O l O l 仲 一 一 一 d r k 础一 m 4 5 6 式中 混合粘度 油相的飘移速度 油相相对于水相的速度 由于在 F lu e n t 中使用的是代数滑移公式 故 相对速度的形式如下 丁 7 式中O t 油相粒子的加速度 粒子的弛豫时间 考虑了其它粒子 的存在而被修正 根据 Ma n n in e n理论 丁 的形式为 8 1 O t g一 V 9 d 为油相 粒子 的直径 拽 力 函数 采 用 Mo r s i a n d A le x a n d e r模型 c R e P J 一 l d 1 0 1 1 1 3 肛 其中 P即油水相之间的相对雷诺数 湍动能及耗散率输运方程 V P m vk s G 1 4 V p 3 一 m V 一 C 2 占 c G G V T 譬 1 5 1 6 1 7 其 中 C 1 1 4 4 0 0 8 4 5 C 2 1 9 2 1 0 1 3 式中 湍动能 耗散率 G 湍动能生成相 湍流粘度 体积分数方程 O P 一V C r o p 1 8 边界条件和数值解法 1 入 口条件 均相流流态 速度入 口 给定 油相的体积分数 油滴 的粒径 入 口湍流强度 V m l4 t 其中 L 4 了 A A为人 口管道截面积 S Pm 为人 口管截面周长 2 出口条件 在定常假定条件下 出口取充 分发展边界条件 因为出口无 回流 在出口处除了 压力之外 其它参量梯度为 0 3 固壁边界条件 由于旋流器是静态 的且 流体是具 有粘性的 因此 壁面取无滑移 固壁条 件 即流体在壁面速度为 0 数值解法基于控制体将控制方程转换为可以 用数值方法求解的代数方程 方程 的离散采用一 阶迎风差 分格式 代数 方程 的求 解采用 S I MP L E 算法 2 2模 型验证 为了对上述模型进行验证 在中国科学 院力 2 0 1 2年第4 0卷第 4 期 流体机械 2 7 学研究所应用多相流重 点试 验室建立 了试 验系 统 并取得 了相关 的试验结果 试验 中所使用的 柱形旋流器材质为透 明有机玻璃 其结构设计的 尺寸如图 1所示 图 1 柱形旋流器结构示意 试验 时 水 相 密 度 为 9 9 8 2 k g m 粘 度 为 1 0 0 3 1 0 P a s 分散相为 L P一1 4白油 密度 为 8 3 6 O k g m 粘度为 3 1 0 1 0 P a s 试验系 统如图 2所 示 n 具 体试 验 流程 描 述 同文 献 1 3 因 蝶阀 压力 表 自 隔膜 阀 泵 日 电磁阀 流量表 图 2试验 系统不惫 试验时涉及到 的分 离效率 定 义为油相在 溢流口含油率与人口含油率之比 分流比 F指 溢流 口体 积流量 与人 口体 积流量 之 比 其 表达 式如下 1 9 F q o 2 0 式中Q 入 口的体积流量 Q 溢流口的体积流量 k i 人 口的油相体积分数 Ii 溢流 口的油相体积分数 当水相表观流速为 0 3 5 4 m s 油相表观流速 为0 0 3 2 m s 入 口油相含率为 0 0 8 1 图3显示了 数值模拟与试验情况对 比的结果 其 中灰色的为 油相 发现 油水两相在柱形旋 流器 中的分 布 基本一致 两个 出 口的含油率结果误 差在 5 以 内 说明文中选用的模型用来计算油水两相在柱 形旋流器中的分离是基本可行的 静 题 m O 1 L 是 缸 是0 O 0 O 0 0 3 O 分流 比 a 溢流 口 0 O O 0 3 0 分流 比 b 底流 口 图 3 数值模拟结果与试验结果对比 2 3几何 模 型 为 了研究不 同人 口结 构对油水在柱形旋 流 中分离的影响 分别改变改 变入 口形状 人 口形 式及人 口位 置 进 行 了不 同 的数 值 模 拟试 验 人 口结构 名称及代号如 图4和表 2所示 按人 口形状来分 A和 D均为 圆形通道 B C E和 F 均为矩形通道 数值模 拟时 保证 这些通道 的当 量 面积相等 圆形通 道直径 为 1 5 m m 矩形 通道 的长为4 2 1 mm 宽为 1 6 8 m m 且长边与柱体 的 轴线平行 从人 口管与柱体相贯形式来分 A和 F为切线型 B为螺旋线型 c 为渐开线型 D为 切线型 入 口管轴心线 与水平面成 2 O 夹 角 E 为切线型 人 口管外带螺旋板 绕柱一周与柱体 相贯 入 口 位 置 的 高 度 取 4组 5 0 0 mm 6 50mm 8 00mm 95 0mm 2 8 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 0 No 4 2 01 2 画 f a A 型 c D型 b B型 c C型 回 d E型 图4 入口结构设计 表 2 不 同入 口结构设计代号及名称 e F型 代号 A B C D E F 名称 切线型 螺旋线型 渐开线型 斜7 0 切线型 空间螺旋形 切线型 形状 圆管 矩形管 矩形管 圆管 矩形 管 矩形管 3 模拟结果分析 计算介质采用试验室所用的油水物性参数 3 1 流场 分析 通过人 口与圆柱体切点水平截面上的速度分 布矢量如图 5所示 a A型 b B型 c C型 d D型 e E型 图5 通过入 口与柱体切点的水平截面速度矢量 f F型 Z1 0 0 O 0 O 2 0 O 0 0 0 0 0 一 e e e e e e e 8 3 6 8 7 5 0 4 7 O 3 3 1 8 8 5 3 l 3 疆 1 O 0 O O 2 0 O 0 0 0 0 0 一 e e e e e e e l l 3 6 8 1 5 0 4 7 0 3 7 3 l 8 8 5 3 l 3 瓣 2 0 1 2年第4 0 卷第 4 期 流体机械 2 9 其中 D E两图的部分缺失 的矢量图是由入 口是空间结构造成的 人 口含油率为 0 1 人 口流 速 1 0 m s 油 滴 平 均粒 径 为 1 0 0 m 分 流 比 3 0 可以看出 在其余条件一致的前提下 经 过人口的导向作用 B E型结构的最小速度分布 位于圆心附近且速度方 向的变化较平滑 但是在 相同位置处的速度 B型结构的比E型结构的大 C型结构的速度方向变化较不平滑且最小速度偏 离 中心 效果最差 A D和 F效果差不多 最小速 度均偏离 中心 A和 D靠近入 口的圆内速度分布 要远大于其它区域 的速度 这种分布容易使油核 在圆柱中发生摇摆 是不利 的 从 图中还可 以看 出 B型导流后 的流场均匀 平均速度大 能量损 失小 综上可看出不同入 口结构的导流效果是不 一 样的 3 2 入 口形状对油水在柱形旋流 器中分 离效率 的影 响 图 6示 出在 入 口含 油率为 0 1 人 口流速 1 0 m s 油滴平均粒径为 1 0 0 m时 在不同分流 比 下 不同入口结构分离效率对比 1 2 5 褂 荣 1 5 艇 A B C D E F 人 口结 构 图6 各入口结构对分离效率影响 从图中可以看 出 在保证入 口具有相 同的流 通面积 相同的入口形式 相同的人口流速等工况 时 圆形人口比矩形人口的分离效率稍高 在保证 入 口形状相同和其它工况一致的条件下 分离效 率 螺旋线型 切线 型 渐开线型 三维螺旋型 均为矩形截面 与柱体水平 相切 比向下倾 斜 2 O 比柱体相切的入 口结构 均为圆形截面 分离 效率高 螺旋线型人 口结构将来液的直线运动过 渡转换成周向运动 使来液更顺畅的进入旋转运 动状态 而切向型人 口使来液直接进入柱体 会造 成柱体内部流体流动结构的扰动 妨碍 了油滴在 人口位置迅速运动到轴心 故其效率稍低 三维螺 旋线型入 口结构之所 以分离效率最低 是 由于其 沿轴向导向一周 使人口的切向速度转变为向下 与柱体相切的速度 向下与柱体相切的速度经分 解所得的切向速度必 然减小 从而使油滴受到 的 离心力减小 从而使油滴 向中心运动的动力变小 故这种结构分离效率要低 在流通面积相同和其 它条件相 同的条件下 螺旋线 型入 口结构 的分离 效率最高 这点与袁运 洪等人的结论是一致 的 3 3 入 口位置高低对 油水在柱形旋流 器中分 离 的影 响 在人 口含油率 0 1 人 口流速 1 0 m s 分流 比 为 0 2 油滴平均粒径为 1 0 0 m时 当人 口位置高 度 z分别为 5 0 e m 6 5 e m 8 0 e m 9 5 e m时 A型各旋 流器对应的轴截面含油率分布图如图7所示 图7 不同入口位置的柱形旋流器轴截面含油率分布 从图中可以看出 随着入 口位置的提高 从溢 流 口排出的油增加 即入 口位置靠近溢流 口有利 于提高分离效率 当入 口位置靠上时 能够使处 于内旋流中的油份及时从溢流口排出 而当人 口 位置靠下时 由于旋流器中的流场是不对称的 油 核是呈螺旋线式向上运动 当人 口位置越靠下 这段螺旋运动的路程越长 能量损失越多 一部分 油滴从油核中游离出来 最终使向上运动的油核 消失 在图 7中第 3个旋流器 中表现的尤为明显 故入 口位置靠上有利于油水分离 4结论 1 人 口结构 的导 流效果是不 一样 的 由此 影响旋流器内流场分布 其中矩形螺旋线型入 口 导流后平均速度大 也即能量损失最小 2 在人 口含油率为 0 1 入 口流速为1 0 m s 油滴平均粒径为 1 0 0 m 相同的流通面积时 螺 离 搿 1 感 誓 上鬟 簟 殳 譬 殳 圈圈冒一 叭 叭 叫 叭 舢 叫 叭 叭 腱 眦 3 0 F L U I D MAC HI NE RY V o 1 4 0 No 4 2 01 2 旋线型旋流器分离效率最高 圆形 比矩形的分离 效率稍高 3 在人 口含油率为 0 1 人 口流速为1 0 m s 分流比为0 2 油滴平均粒径为 lO 0 m时 数值模 拟发现入口位置靠上有利于油水分离 参考文献 牟俊玲 邱华 葛明桥 旋流器对环锭纺纱线性能的 影响 J 纺织学报 2 0 0 9 1 1 4 3 47 邵涛 乐宏刚 分选磷矿用重介质旋流器的研究与 实践 J 化工矿物与加工 2 0 0 9 1 0 1 3 1 6 Ga o S h u l i n g L i X ia o a n We i De z h o u e t a 1 B e n e fi ci a t i o n o f l o w g r a d e d i a s p o r ic b a u x it e w i t h h y d r o cy cl o n e J T r a n s N o n f e r r o u s Me t S o c C h in a 2 O O 8 1 8 4 4 4 4 4 8 袁建革 重介选煤旋流器与渣浆泵的配套运行分析 1 煤矿机械 2 0 0 8 2 9 7 7 9 8 1 赵国庆 张明贤 水力旋流器的蜗壳设计理论 J 石油机械 1 9 9 2 2 0 1 2 1 7 Ma r t i n T h e w Hy d r o cy cl o n e r e d e s i g n f o r li q u i d li q u id s e p a r a t i o n J T h e C h e m ica l E n g in e e r 1 9 8 6 7 8 1 7 23 Ch u L ia n g Yin C h e n We n Me i L e e Xia o Z h o n g Ef f e ct o f S t r uct u r e Mo d ifi ca t io n o n Hy d r o cy clo n e Pe r f o r m a n e e J 1 S e p a r a t io n a n d P u rifica t io n T e ch n o lo g Y 2 0 0 0 2 1 7 1 8 6 G a y J C T r i p o n e y G Be z a r d C e t a1 Ro t a r y Cy clo n e W ill I mp r o v e O ily W a t e r T r e a t me n t a n d Re d u ce S p a ce R e q u ir e m e n t We i g h t o n O f f s h o r e P la t f o r m s C S o ci一 9 1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 e t y o f P e t r o le u m E n g in e e r s S P E 1 6 5 7 1 1 9 8 7 Be d n a r s k i S L i s t e wn i k J Hy d r o cy e l o n e s f o r S imu h a n e O U S Re mo v a l o f O il a n d S o lid P a r t icle s f r o m S h o p s O ily Wa t e rs J F i lt r a t i o n a n d S e p a r a t io n 1 9 8 8 9 2 9 7 C o l ma n D A T h e w M T Co me y D R Hy d r o cy clo n e s f o r Oi 1 Wa t e r S e p a r a t i o n C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n ce o n Hy d r o cy clo n e s 1 9 8 0 1 4 3 1 6 6 丁旭明 王振波 金有海 两种入 口结构旋流器性 能对比试验研究 J 化工机械 2 0 0 5 3 2 2 6 9 7 1 李玉星 冯叔初 李安星 水力旋流器压降及压力 分布特 性的数值模 拟 J 流体 机械 2 0 0 2 3 0 1 0 1 5 1 9 S h i y i n g S h i Yi n g x ia n g Wu J u n Z h a n g e t a 1 A S t u d y o n S e p a r a t io n P e r f o rm a n ce o f a Vo r t e x F in d e r in a L iq u i d L iq u id C y l in d rical C y cl o n e C 9 t h I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n ce o n Hy d r o d y n a mics Oct o b e r 1 1 1 5 2 0 1 0 S h a n g h a i 3 8 0 3 8 6 Or o p e z a Va z q u e z C Af a n a d o r E Go me z L e t a 1 Oil W a t e r S e p ara t io n in a No v e l L iq u id L iq u id C y lin d r ical C y cl o n e L L C C C o m p a ct S e p a r a t o r E x p e ri me n t s a n d M o d e l i n g J J o u rna l s o f F l u i d s E n g i n e e r in g 2 00 4 1 26 55 3 56 4 袁运洪 王伯尧 水力旋流器的发展现状 J 矿冶 工程 1 9 8 3 3 3 6 2 6 7 作者简介 史仕荧 1 9 8 4一 女 在读博士 生 研究方 向为工 程力学 主要从 事应用 多相流方面 的研 究 通讯 地址 1 0 0 1 9 0北 京市北四环西路 l5号 中国科学院