用改进的RNG_模型模拟旋风分离器内的强旋流动

1、石油学报(石油加工)ACTAPETROLEISINICA(PETROLEUMPROCESSINGSECTION)文章编号:100128719(2010)0120008206模型模拟旋风分离器内的用改进的RNG2强旋流动王江云,毛羽,刘美丽,王娟(中国石油大学重质油国家重点实验室,北京102249)模型的基础上,对模型常数和近壁面处理方法加以改进,并将其应用于旋风分离器内强旋湍流流摘要:在RNG2模型、Reynolds应力输运模型(RSM)的计算结果及实验数据进行比较。随动的数值模拟。将计算结果与RNG2模型)分别对旋风分离后采用欧拉2拉格朗日模型(湍流模型为RSM)和欧拉2欧拉模型(湍流模型为

2、改进的RNG2模型和器内的气、固两相流动进行计算,考察了旋风分离器内颗粒浓度的分布特点。结果表明,改进的RNG2RSM对旋风分离器内流场分布的预测结果与实验结果比较吻合,且前者所需计算时间大大缩短,更适合工业应用。湍流模型的欧拉2欧拉多相流模型可以重现旋风分离器内的气、固两相流动特点,并应用于旋使用改进的RNG2风分离器的优化设计。关键词:旋风分离器;湍流模型;两相流模型;中图分类号:TE624文献标识码:ASTRONGLYSWIRLINGFLOWINMODELCYCORBYUSINGANADVANCEDRNG2WANGJiangyun,MAOYu,LIUMeili,WANGJuan(Stat

3、eKeyLaboratoryofHeavyOilProcessing,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)turbulencemodel,themodelcoefficientAbstract:Basedontherenormalizationgroup(RNG)2turbulencemodelwasappliedtotheandnear2walltreatmentweremodified.ThemodifiedRNG2numericalsimulationofsingle2phasestronglyrotationalflowinac

4、ycloneseparator.Andthemodel,theadvancedRNGmodelandReynoldsstressmodelsimulationresultsofRNG22(RSM)werecomparedwiththeexperimentaldata.Then,numericalsimulationofthegasandsolidphaseflowsincycloneseparatorwascarriedoutbyapplyingEulerian2Lagrangianmodel(TurbulenceflowmodelofRSM)andEulerian2Eulerianmodel

5、(Turbulenceflowmodelofthemodel)respectively.Theeffectsofdifferenttwo2phasemodelsontheflowadvancedRNG2behaviourandsoliddistributionincycloneseparatorwerestudied.ItwasshownthattheagreementmodelandRSMandthoseofexperimentswerebetweentheresultsoftheadvancedRNG2modelcanbemoreusefulinpracticalengineeringca

6、lculationdueobtained.TheadvancedRNG2toitstime2consumingdramaticallydecreased.TheEulerian2Eulerianmodel(Turbulenceflowmodelmodel)alsocanpreferablyreappeartheflowcharacteristicsincycloneoftheadvancedRNG2separator,whichcanbeusefulfordesignoptimizationofcycloneseparators.Keywords:cycloneseparator;turbul

7、enceflowmodel;two2phasemodel;soliddistribution;numericalsimulation收稿日期:2008210231基金项目:国家重点基础研究发展规划“973”项目(2004CB217803)资助通讯联系人:毛羽,Tel:010289733293;E2mail:maoyu模型模拟旋风分离器内的强旋流动第1期用改进的RNG29湍流是空间中不规则和时间上无秩序的一种高度复杂的非线性的流体运动。在工程湍流的数值模模拟计算中,目前常用的湍流模型主要有标准2模型、RSM等。在多相流计算中,欧型、RNG2拉2拉格朗日模型和欧拉2欧拉模型已经广泛应用于描述各种反

8、应器和分离器内复杂的气固流动特征,许多研究者在此领域已经做了大量工作1-3。这2种模型可以选择不同的湍流模型进行计算,而各Orszag8根据量子物理中的能谱分析及统计学中的模相关分析,采用重整化群理论提出了RNG2模型相比,通过修正湍动黏度,考型。与标准2虑平均流动中的旋转及旋流流动情况,在方程中增加了1个附加产生项,当流动快速畸变时,该项显著增大,从而反映了主流的时均应变率Eij,使模型可以更好地处理高应变率及弯曲程度RNG2模型仍是对充分发展较大的流动。但是,RNG2的湍流有效。鉴于这些原因,笔者通过对RNG2模模型中湍流黏性进行修正,得到改进的RNG2型,以达到更为准确地预报计算区域内强

9、旋流动趋势的目的。其中,高雷诺数流动时,采用了与标准模型相同的表达式(2)来表示湍流黏性,近似取2C=0.0845。近壁区和低雷诺数流动时,采用种湍流模型对旋风分离器内强旋流动描述的准确性有一定的差异,同时各种模型所需的计算量也相差较大4。不降低预报精度的同时如何减少计算量一直是工程计算中关注的焦点。笔者针对旋风分离器模型的模型常数和近内强旋流动,通过对RNG2模型在壁面处理方法进行修正,使改进的RNG2不增加计算量的前提下,提高对旋风分离器内强旋模型和流动的预报精度。并考察了改进的RNG2然后分别使用欧拉2(RSM)和欧拉2(G模型),2。式(3)对湍流黏性进行算,其中模型常数eff/CV,

10、以达到更好地处理近壁区内和雷诺数较低的流动。同时,湍流主要是受平均流动中旋转模型通过式(4)对或旋涡的影响,改进的RNG2湍流黏性修正来表示流动中旋转或旋涡的影响。笔者通过数值实验,并与实验数据进行对比分析,对式(4)中的旋流常数s进行了修正,达到提高模型预报精度的目的。Ct=2d=1.72d3-1+CVs,t=t0f1数学模型1.1控制方程组基于旋风分离器内恒温和不可压缩流动的假设,旋风分离器中的三维瞬时流动可以用不可压缩流体的连续方程和动量方程来描述,经Reynolds时均化运算后可以表示为式(1)所示的通用形式。()+(u+S(1)j)=xjtxjxj模型常数修正1.2湍流模型及RNGk

11、2在基本控制方程组中的动量方程5中出现了未知的湍流脉动二阶关联项,即Reynolds应力项u为使方程组封闭,对这iuj,使方程组不能封闭。个二阶关联项进行不同的处理,从而生成不同的湍模型、RNG模型、RSM流模型,如标准22等6-7。模型在科学研究及工程实际中得虽然标准2到了最为广泛的检验和成功的应用,但对于Reynolds应力的各个分量,假设黏度系数t是各相同性的标量,用于具有湍流各相异性特点的强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时,会产生一定模型的缺陷,Yakhot和的失真。为了弥补标准2(2)(3)(4)1.3两相流模型通常来说,描述气固两相流动的CFD(Computationalflui

12、ddynamics)模型可以分为欧拉2拉格朗日模型和欧拉2欧拉模型2大类。相间耦合的随机轨道模型是欧拉2拉格朗日模型的一种,属于离散介质模型,即只把流体当作连续介质,选择摒弃紊流各向同性假设并可以精确预测强旋流动的RSM作为湍流模型进行气相的模拟计算,而把颗粒作为离散介质处理。该模型能较好地追踪颗粒的运动和反映颗粒浓度的分布,很多学者9-11运用此方法对旋风分离器流场进行了研究,都得到了较好的结果。而欧拉2欧拉模型不仅在欧拉坐标系中描述颗粒相,而且引入了颗粒相黏性、导热及扩散系数这些拟流10石油学报(石油加工)第26卷体特性,因而易于完整地考虑颗粒相的各种湍流输运现象,但在商业CFD软件中,欧

13、拉2欧拉模型仅模型和能选择对强旋流预报精度较低的标准2模型。因此,笔者在利用FLUENT软件RNG2中的欧拉2欧拉多相流模型进行旋风分离器内的气固模型为湍流两相流动计算时,选择改进的RNG2模型来提高两相流的计算精度。模型预测得到的筒体和锥体部分切向速度的分布与实测数据基本吻合,而轴向速度在中心区域与实测值比较接近。虽在外部区域的内外旋流交界面附近与实测数据存在微小的偏差,但也刻画出了旋风分离器双层旋流结构(内刚性涡和外准自由涡)的基本流动特征。2边界条件和几何模型笔者计算的单蜗入口旋风分离器的筒体直径和升气管直径分别为150和65mm,入口截面积比为5.6。研究中以旋风分离器蜗壳上顶板为标高

14、起点,竖直向上为正方向。计算过程中,对控制方程的离散采用控制容积积分法,以及具有二阶精度的QUICK(Quadraticupwindinterpolationofconvectivekinematics)差分格式。旋风分离器的入口气速为15m/s,出口处假设流动已局部单向化,其余部分则施加固壁边界条件。,力变化,3颗粒中位粒径为11kg/m3。3数值模拟结果与分析3.1单相流场分析图1和图2分别为单蜗进口旋风分离器内不同轴向高度(z)位置上沿半径方向上气相的切向速度、轴向速度的分布,轴向高度-165和-340mm分别在旋风分离器的分离空间和锥体段内。其中,通过对有机玻璃制成的单蜗进口旋风分离器

15、正压实验系统流场测量得到实验数据,使用数字式毕托管测量管路气速,并通过旁路阀和闸阀调节旋风分离器入口气速。测量旋风分离器内流场时,由TSI9306A烟气发生器产生示踪颗粒,并使用立体PIV(Particleimagevelocimetry)追踪示踪颗粒在测量区域内的流动,通过数据处理得到旋风分离器内的流场数据。模型计算的结由图1和图2可知,用RNG2果与PIV实测数据相比有较大的偏差,而RSM的模型预测计算结果与实测数据比较吻合。RNG2的筒体和锥体部分的切向速度分布的内部刚性流区域过于平缓,以至于不能预测出外部的准自由涡,与实际相去甚远;筒体上部中心区域的轴向速度过大,没有体现出中心区域的双

16、峰结构;虽然所预测的最大切向速度峰值与实测相比较为接近,但出现峰值的位置与实测相差较远。采用改进的RNG212图1旋风分离器不同轴向高度(z)上油气切向速度(v(Tangential)的径向分布Fig.1Radialdistributionofv(Tangential)atdifferentheight(z)ofoilgasinthecycloneseparatorz/mm:(a)-165;(b)-340(1)Experimentaldata;(2)RSM;(3)AdvancedRNGmodel;(4)RNGmodel22对各种湍流模型的基本控制方程组进行分析发模型和RNG模现,在数值计算时,

17、标准的22型需要求解连续性方程、x、y、z三方向的动量方程,湍动能方程和耗散率方程,共6个方程。而RSM除了要求解连续性方程,x、y、z三方向的动量方程,耗散率方程外,还需求解6个Reynolds应力分量uiuj的方程,共11个方程。改模型没有增加方程求解的个数,与进的RNG2RSM相比,计算量大大减少。在实际计算过程中,对于同一个旋风分离器,采用相同的计算条件计算模型所需的计算时间与RSM网格,改进的RNG2相比可以减少约27%,计算时间大大缩短。因此,模型模拟旋风分离器内的强旋流动第1期用改进的RNG211渐增加,在壁面附近迅速增大;在r/R=-0.9处颗粒浓度出现突然增高,这是由于在蜗壳

18、0度位置处旋转1周的气流脱离壁面进入蜗壳与进气口气流汇合,且边壁处高浓度颗粒的惯性运动所致,因而蜗壳内颗粒浓度分布具有显著的非对称性。2种模型计算得到的颗粒浓度无量纲值有一定差别,但2种模型计算的结果都表现出单蜗进口旋风分离器环形空间内颗粒浓度的分布趋势。图2(v(Fig.2Radialofv(Axial)atdifferentheight(z)ofoilgasinthecycloneseparatorSamelegendsasinFig.1模型除可以准确描述旋风分离器内改进的RNG2强旋湍流流场外,还可以大大减少计算量。3.2两相流场分析在旋风分离器内的气、固两相强旋流动过程中,离壁面较远区

19、域的催化剂浓度较低,而壁面附近的催化剂浓度较高。虽然颗粒相的存在对流动过程会有一定影响,但旋风分离器内部的流型主要由连续相(气相)确定,其内部气相的运动规律决定了颗粒模型和相浓度分布规律。由于改进的RNG2RSM得到的气相流场与实测数据较为吻合,对于旋图3旋风分离器环形空间内不同轴向高度(z)上颗粒浓度(c/ci)的径向分布Fig.3Radialdistributionofparticleconcentration(c/ci)atdifferentheight(z)inannularspaceofcycloneseparator(a)Eulerian2Lagrangian(Turbulence

20、flowmodel:RSM);(b)Eulerian2Eulerian(Turbulenceflowmodel:theadvancedRNGmodel)2z/mm:(1)-25;(2)-50风分离器内浓度较低的颗粒运动,运用这2种模型进行两相流计算也应可以得到较为接近实际的计算结果。图35分别为单蜗进口旋风分离器环形空间、分离空间、灰斗内不同轴向高度上颗粒浓度的径向分布。图6为单蜗进口旋风分离器分离空间内不同径向位置上颗粒浓度的轴向分布。由图3可见,在环形空间,-0.6<r/R<0.6区域内颗粒浓度较低,在0.6<r/R<0.9和-0.9<r/R<-0.6区

21、域内颗粒浓度随r/R绝对值增大逐由图4可见,在旋风分离器分离空间内壁面的颗粒浓度较高。欧拉2拉格朗日模型计算结果表明,颗粒浓度在r/R=0.5处开始逐渐增加,在边壁处颗粒浓度迅速增大,形成颗粒高浓度区。欧拉2欧拉模型计算结果表明,分离空间内筒体段上部(z=-100mm),颗粒浓度在r/R=0.7外开始迅速增加;在分离空间内筒体段中、下部(z=-165和-230mm),颗粒浓度仅在边壁处较高。2种模型的计算结果都体现出了分离空间内颗粒被甩向边壁失去动量,浓集于壁面,且浓度分布并不对称的现象。由图5可见,2种模型计算得到的颗粒浓度分布趋12石油学报(石油加工)第26卷图4)上c)Fig.4Radi

22、alconcentration(c/ci)atdifferentheight(z)inseparatedspaceofcycloneseparator(a)Eulerian2Lagrangian(Turbulenceflowmodel:RSM);(b)Eulerian2Eulerian(Turbulenceflowmodel:图5旋风分离器灰斗内不同轴向高度(z)上颗粒浓度(c/ci)的径向分布Fig.5Radialdistributionofparticleconcentration(c/ci)atdifferentheight(z)industhopperofcycloneseparato

23、r(a)Eulerian2Lagrangian(Turbulenceflowmodel:RSM);(b)Eulerian2Eulerian(Turbulenceflowmodel:model)theadvancedRNG2z/mm:(1)-100;(2)-165;(3)-230model)theadvancedRNG2z/mm:(1)-550;(2)-600;(3)-650势基本接近,在旋风分离器灰斗内排尘口边壁和灰斗壁面的颗粒浓度较高,但欧拉2欧拉模型的数值稍大;在排尘口下方r/R=0.4处,颗粒浓度高于排尘口下方的平均颗粒浓度,旋风分离器内被分离的颗粒是从排尘口边壁处排入灰斗内的。由图6可

24、以看出,在分离空间内随着轴向位置的升高,在升气管下方,颗粒浓度逐渐升高,这说明升气管口附近的短路流导致颗粒向内的径向速度增大,因而颗粒浓度增大,并随着r/R的增大,颗粒浓度增大趋势也随之变大。2种模型的计算结果均说明,越靠近旋风分离器的中心区域,颗粒浓度越小。流动特点的预报精度,并与实验值对比,结果表明模型比RNG模型计算结果的准改进的RNG22确性显著提高,对旋风分离器内流场分布的预测与模型可以较为实验结果基本一致。改进的RNG2准确地预报旋风分离器内强旋湍流流动,与RSM相比计算量却大大减少,可以同时满足工程预报对精确性和时效性的要求。(3)使用改进的RNG模型和欧拉2欧拉模型2对旋风分离

25、器内气、固两相流动进行模拟计算,所得到的颗粒浓度分布规律与欧拉2拉格朗日模型(湍流模型采用RSM)计算结果基本一致,欧拉2欧拉模模型)同样可以准型(湍流模型采用改进的RNG2确描述旋风分离器内颗粒浓度分布规律,并可用于旋风分离器内基本流动规律和结构改进的研究。符号说明:c颗粒浓度,kg/m3;ci进入旋风分离器初始颗粒浓度,kg/m3;C模型常数;,CV4结论(1)通过数值实验对湍流黏性进行修正,使改模型能同时考虑高、低雷诺数流动和进的RNG2强旋流对流动的影响,且精确预报旋风分离器内强旋流动特点。(2)考察了多种湍流模型对旋风分离器内单相模型模拟旋风分离器内的强旋流动第1期用改进的RNG21

26、3图6)上iFig.6Axialof(c/ci)atdifferentradialposition(r/Rinannularspaceofcycloneseparator(a)Eulerian2Lagrangian(turbulenceflowmodel:RSM);(b)Eulerian2Eulerian(turbulenceflowmodel:theadvancedRNGmodel)2r/R:(1)0.5;(2)0.7;(3)0.9D旋风分离器筒体直径,mm;Eij主流的时均应变率,Eij=+2xjxi流体湍流动能,m2/s2;r旋风分离器径向坐标,mm;R旋风分离器筒体半径,mm;S源项;

27、uj流体速度,m/s;ui,uj流体速度脉动值,m/s;模型常数;xj通用坐标,mm;z旋风分离器轴向坐标,mm;旋流常数;s湍流动能耗散率,m2/s3;通用变量;黏性系数,Pas;旋流修正前后的湍流黏性系数,Pas;t0,t有效湍流黏性系数,Pas;eff;湍流黏性系数,Pas;t旋流修正前湍流黏性系数,Pas;t0流体密度,kg/m3;扩散系数,m2/s;涡量,m-1。参考文献1BRENNANMS,NARASIMHAM,HOLTHAMPN.Multiphasemodelingofhydrocyclones2predictionofcut2sizeJ.MineralsEngineering,

28、2007,20(4):3952406.2刘子鸿,肖波,杨家宽.旋风分离器两相流研究综述J.过滤与分离,2003,13(1):42245.(LIUZihong,XIAOBo,YANGJiakuan.Areviewofthestudyofthegas2solidtwo2phaseflowfieldandthenumericalmodelofcycloneseparatorsJ.JournalofFiltration&Separation,2003,13(1):42245.)3ANDREUXR,PETITG,HEMATIM,etal.Hydrodynamicandsolidresidence

29、timedistributioninacirculatingfluidizedbed:Experimentaland3DcomputationalstudyJ.ChemicalEngineeringandProcessing,47(3):4632473.4毛羽,庞磊,王小伟,.模拟J.,33(2):126.(MAOYu,W,al.NumericalmodellingoffieldincycloneseparatorJ.PetroleumProcessingandPetrochemicals,2002,33(2):126.)5王娟,毛羽,钟安海,等.FCC沉降器全部空间三维流场的数值模拟J.石油学报(石油加工),2007,23(5):15221.(WANGJuan,MAOYu,ZHONGAnhai,etal.N