油气分离器数值模拟与分离性能研究

1、分类号：一一 UDC ： 工学硕士学位论文 Y 9 3 6 6 5 5 密级： 编号： 油气分离器数值模拟与分离性能研究 硕士研究生： 指导教师： 学位级别： 学科、t 、I k ： 所在单位： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 孙秀君 孙海鸥教授 工学硕士 轮机工程 动力与能源上程学院 2 0 0 6 年2 月 2 0 0 6 年3 月 哈尔滨工程大学 哈尔滨T 程大学硕一 ：学位论文 摘要 潜艇主减速器及循环滑油舱中的润滑油在高温下产生的油雾， 扩散到机舱中，不仅浪费了润滑油资源，并且严重污染潜艇舱室内 空气，危害舱室工作人员的身体健康，更为严重的是通过通风系统 扩散到其他舱

2、室，将对电子设备产生严重的腐蚀，影响潜艇的战斗 力。目前，离心式油气分离器作为除油设备被应用于潜艇上。 油气分离器是一种利用气液两相流体的旋转运动，使液体油滴 在离心力的作用下从气流中分离出来的设备。油气分离器的工作过 程是一种极其复杂的三维强旋转湍流、两相分离运动，因此很难通 过解析的方法预报内部流动状况。由于实验条件的限制，单纯通过 实验来研究离心分离器的性能不仅周期长而且费用高。数值计算技 术具有资金投入少、设计计算速度快、信息完全、仿真模拟能力强 等特点。因此，用湍流数值模拟方法研究分离器内流体的流动规律， 进而优化分离器的结构，可以大大缩短其研发周期，具有重要的工 程应用价值。 本文

3、利用计算流体力学C F D 商业软件F L U E N T 对潜艇上使用的 油气分离器内部流场进行了数值模拟。不仅建立了研究分离器内部 流动性能和分离性能的合理模型和方法，而且模拟研究了多种情况 下的气相流场、压降、颗粒运动轨迹及分离效率等，为优化设计更 高除油效率的分离器提供参考，以更好地改善潜艇舱室空气质量， 为提高潜艇的战斗力提供保证。通过本文的数值模拟结果，主要得 到了如下结论： 1 对于分离器内部复杂流场的模拟，必须以高质量的网格为前 哈尔滨翻呈大学硕十学位论文 提，在采用基于各向异性的湍流模型( R S M ) 的同时，还要相应采用 Q U I C K 差分格式和P R E S T

4、 O 压力插补格式，才能获得较理想的计算 结果。 2 分离器的分离效率受很多因素的影响，随进气速度的增大而 增加，随进气中油滴质量浓度增大而增加，随油滴粒径的增大而增 加，并且当叶轮的叶片数量增加，叶轮转速增大时，分离效率也有 所提高。 关键词：油气分离器；数值模拟；流场分析；分离效率 哈尔滨上程人学硕士学位论文 A b s t r a c t T h e l u b r i c a t i n g o i lm is tw h i c h p r o d u c e s u n d e rt h e h i g h t e m p e r a t u r ei nt h es u b m a

5、 r i n e Sm a i ng e a rb o xa n dt h ec i r c u l a t i n g l u b r i c a t i n go i lt a n kd i f f u s e st ot h er o o m so ft h es u b m a r i n e T h eo i l m i s td o e sn o to n l yw a s t et h el u b r i c a t i n go i lr e s o u r c e s ，b u ta l s o p o l l u t e st h ea i ro ft h er o o

6、m s ，a n dw i l lb eh a r mt ot h eh e a l t ho ft h e s t a f fi nt h es u b m a r i n e M o r es e r i o u st h i n gi st h a tt h eo i lm i s tw i l l d i f f u s et oo t h e rr o o m st h r o u g hv e n t i l a t i n gs y s t e m ，e r o d ee l e c t r o n i c i n s t a l l a t i o n ，a n di n f

7、l u e n c eb a t t l ee f f e c t i v e n e s so ft h es u b m a r i n e A t p r e s e n t ，c e n t r i f u g a lo i l a i rs e p a r a t o ri sa p p l i e dt ot h es u b m a r i n et o e l i m i n a t et h eo i lm i s t O i l a i rs e p a r a t o ri sas o r to fe q u i p m e n tt h a tm a k e st h

8、ea i ra n do i l d r o p l e tr e v o l v et o g e t h e ra n dm a k e st h eo i ld r o p l e ts e p a r a t ef r o mt h e m i x t u r ei nt h ef u n c t i o no fc e n t r i f u g a lf o r c e I t sw o r k - p r o c e s si sa m o s tc o m p l e xt h r e e - d i m e n s i o nm o v e m e n to fr e v o

9、 l v i n gt u r b u l e n c ea n d t w o - p h a s es e p a r a t i o n S oi t i sv e r yd i f f i c u l tt op r e d i c tt h el a wo f f l o w w i t hp a r s em e a n s T h es t u d yo np e r f o r m a n c eo fs e p a r a t o rs i m p l yb y e x p e r i m e n th a sal o n gt e r ma n de x p e n s i

10、 v ec o n s u m p t i o n N u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n ym e r i t s ，f o re x a m p l e ，t h ed e v o t e d f i n a n c ei sl e s s ，t h es p e e do fd e s i g na n dc o m p u t a t i o ni sq u i c k ，t h e i n f o r m a t i o ni sf u l la n dt h ea b i l i t yo

11、 fs i m u l a t i o ni sb e t t e r T h e r e f o r e ， s t u d y i n go nt h el a wo ft h et u r b u l e n tf l o wi no i l - a i rs e p a r a t o rw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e n o p t i m i z i n gi t sc o n f i g u r a t i o n ，m a y s h o r t e nt h ep e r i o do fs t u

12、 d ya n dd e s i g no fs e p a r a t o rg r e a t l y T h i sh a s i m p o r t a n ta p p l i c a t i o nw o r t hi ne n g i n e e r i n g T h i sa r t i c l ed o e st h er e s e a r c ho nt h eo i l - a i rs e p a r a t o ru s e di nt h e s u b m a r i n eu s i n gF L U E N T ，t h eb u s i n e s sS

13、 O f t w a r eo fC F D T h ea r t i c l e d o e sn o to n l y0 f f e rt h el o g i c a lm o d e la n dm e t h o dt os i m u l a t et h e o i l a i rs e p a r a t o r ，b u ta l s od o e st h er e s e a r c ho nt h ef l o w o fa i r ， 哈尔滨工程入学硕士学位论文 p r e s s u r ed r o p ，t r a c k s o fp a r t i c l

14、e sa n ds e p a r a t e e f f i c i e n c y T h e r e s e a r c ho f f e r ss o m er e f e r e n c ef o rd e s i g n i n go i l - a i rs e p a r a t o rw i t h h i g h e rs e p a r a t ee f f i c i e n c yi no r d e rt oi m p r o v ea i rq u a l i t ya n db a t t l e e f f e c t i v e n e s so ft h

15、es u b m a r i n e T h i sa r t i c l eh a sg o tt h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sf r o mt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： 1 I no r d e rt o g e t t h em o r ei d e a lr e s u l t s ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nm u s ta d o p tR e y n o l d sS t r e

16、 s sM o d e lb a s e do na n i s o t r o p y ， Q U I C Kf o r m a ta n dP R E S T Of o r m a to nt h ep r e m i s eo fg o o dm e s hf o r t h ec o m p l e xf l o wf i e l di nt h es e p a r a t o r 2 T h es e p a r a t ee f f i c i e n c yo fo i l a i rs e p a r a t o ri si n f l u e n c e db y m a

17、n yf a c t o r s T h es e p a r a t ee f f i c i e n c yc a ni n c r e a s ew h e nt h es p e e do f i n l e ta i ra c c e l e r a t e s t h eo i lc o n s i s t e n c yo ft h em i s ti n c r e a s e s ，t h e d i a m e t e ro fo i ld r o p l e ti sl a r g e r ，t h en u m b e ro fv a n ea d d sa n dt

18、h e r o t a t i n gs p e e do ft h ei m p e l l e ra c c e l e r a t e s K e yw o r d s ：o i l a i rs e p a r a t o r ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d a n a l y z e ；s e p a r a t ee f f i c i e n c y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文

19、中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：歪j ：鱼昼 日期：年月 日 哈尔滨上程人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 油气分离机理及研究现状 在由空气和润滑油形成的油气混合物中，润滑油以气相和液相两 种形式存在。处于气相的润滑油是由液相的润滑油蒸发所产生的，其 数量的多少除取决于油气混合物的温度和压力外，还与润滑油的饱和 蒸气压有关。油气混合物的温度和压力愈高，则气相的润滑油愈多； 饱和蒸气压

20、愈低，则气相的润滑油愈少。在一般的运行工况和排气温 度下，混合物中润滑油蒸气的分压力很低，油气混合物中处于气相的 润滑油很少，润滑油绝大部分以液相形式存在。液相油滴的尺寸范围 分布很广，大部分油滴直径通常处在l 5 0 9 i n ，少部分的油滴可小至 与气体分子具有同样的数量级，仅有0 0 l g m 。油气分离器的作用， 就是尽可能地把这部分油滴分离出来。 按分离机理的不同，油气分离一般采用两种方法。一种称为机械 法，它是依靠油滴自身重力或离心力的作用，从气体中分离直径较大 的油滴。实际测试表明，对于直径大于1 9 m 的油滴，都可采用机械法 被有效地分离出来。另一种为亲和聚结法，通过特殊

21、材料制成的元件 ( 一般称为分离器芯) ，使直径在1 p m 以下的油滴先聚结为直径较大 的油滴，然后再分离出来。下面将进行具体介绍【”。 1 1 1 重力分离 重力分离的原理是依靠颗粒自身的重力，使粒子从非均相混合物 中分离出来，所用的设备为重力沉降室。 特点：设备结构简单，阻力小，操作容易，但分离效率低，一般 只作为预分离器，用于分离直径在7 5 m 以上的粗粒。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 惯性分离 惯性分离有两种形式。一种是使气流突然改变方向，由颗粒的惯 性冲击力使颗粒与气体分离。另一种是使气流高速旋转，用产生的离 心力强化分离。靠离心力分离的设备又分两种，离心机和旋风器。

22、离 心机是一种利用外力带动物料高速旋转产生的离心力强化分离过程的 分离设备。旋风器是一种利用气流从切向入口进入分离器而产生的离 心力强化分离的设备，其结构和原理如图1 1 所示。 图1 1 旋风分离器 【= ：I 特点：结构简单，安装、维修方便，工作连续可靠，成本低，易 于清洗，易于实现自动控制。但只能分离出几微米的微细颗粒，效率 一般不高，可以作为高效分离器的预分离器用。 1 1 3 过滤分离 过滤分离就是借助过滤材料把气体中的油滴进行机械截流，而气 体穿过过滤材料的过程。用于过滤油雾的过滤元件有捕雾丝网和滤芯。 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 ( 1 ) 捕雾丝网 丝网捕雾原理如图1 2 所

23、示。当带有油滴的气体以一定的速度通 过架在格栅上的金属丝网时，由于油滴上升的惯性作用，使得油滴与 细丝碰撞而粘附在细丝的表面上。细丝表面上的油进一步扩散及油滴 本身的重力，使油滴形成较大的液滴沿着细丝流至它的交织处。由于 细丝的可湿性、液体的表面张力及细丝的毛细管作用，使得液滴越来 越大，直至其自身的重力超过气体上升的浮力和液体表面张力的合力 时，就被分离而下落，流至容器的下游设备中。 图1 2 捕雾丝网过滤原理 特点：结构简单，安装、操作、维修方便；空隙率大、压降小， 使用寿命长；接触表面积大、除雾效率高；主要用于分离直径大于3 5 9 m 的液滴。 ( 2 ) 滤芯 图1 3 滤芯结构图

24、哈尔滨： 程大学硕士学位论文 滤芯结构如图1 3 所示。气流在滤芯中的路径可分为从内向外以 及从外向内两种。以从内向外为例来说明其原理。含有油滴的空气从 过滤器的进气1 ：3 进入滤芯的内层筒状空间，空气经过过滤层扩散到滤 芯的外层，并由气体出口排出过滤器，而粒径较大的油滴被过滤材料 截留在内层滤芯的壁面上，油滴逐渐凝结，并在重力的作用“F ，沿壁 面滑落到集油管，从而达到油气分离的目的。 特点：分离效率高，可去除0 0 1 p m 以上的细小微粒。但滤芯清 洗困难，滤材再生性差。 1 1 4 静电分离 静电分离的原理是通过高压电晕放电，使含有杂质微粒的气流中 的微粒荷电，在电场力的作用下驱使

25、带电微粒沉降在收集杂质的极板 表面。 特点：静电方法可对油滴粒子进行高效捕集，其分离效率高，可 收集1 9 m 以下颗粒，且耗能低，并可在高压下工作。但是油膜覆盖在 收集板上后，净化效率不恒定，会越来越小；极板被润滑油粘附后， 不易清理；对维修能力要求高，价格过高，运行费用也较高；且在电 离过程中产生臭氧，对空气形成二次污染。 1 1 5 研究现状 目前，用于空气中去除油雾的分离方法很多。对于含大分子油滴 的油气混合物，多采用惯性分离的方式。对于含有细微油滴分子，且 对空气质量要求较高的系统，一般采取混合分离的方式，即以惯性分 离作为前置分离装置，除去较大的油滴，以过滤或静电分离作为高级 分离

26、方式，除去剩余的微小油粒。国外更侧重于静电分离。 由于对净化效率的要求以及这些净化方式自身存在的弊端，寻找 一种既经济又有效的分离方法还需要进一步的研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题的意义 潜艇密闭舱室空间小、人员多、设备庞杂，舱室环境中的有害物 质会对艇员的身体健康和武器装备的使用寿命构成严重的危害，制约 着潜艇的战斗力【2 1 。潜艇舱室空气的污染源之一就是主减速器及循环 滑油舱中的润滑油在高温下产生的油雾。油雾扩散到机舱中，不仅浪 费了润滑油资源，并且严重污染潜艇舱室内空气，危害舱室工作人员 的身体健康，更为严重的是通过通风系统扩散到其他舱室，将对电子 设备产生严重的腐蚀。

27、另外，也会带来火灾等安全隐患，因此迫切需 要解决。 本文计算所选用的油气分离器作为气、油分离装置，被应用在潜 艇上净化舱室空气，其在原理上属于离心分离器，它是在外力的作用 下产生旋转，从而提供离心力进行气液两相分离的。虽然这种分离器 已经应用于实践，但是其理论研究做得比较少。因此，本文主要通过 数值模拟，对潜艇上使用的油气分离器内部流场以及分离性能进行理 论研究，不仅为改善分离器流动性能以及分离性能，为优化设计更高 除油效率的分离器提供参考，更重要的是能更好地改善潜艇舱室空气 质量，为提高潜艇的战斗力提供保证。 1 3 数值模拟研究进展 油气分离器内部的流体流动为三维强旋转和高强度湍流的两相流

28、 动，流动规律非常复杂，因此很难通过解析的方法预报内部流动状况。 由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究离心分离器的性能不仅周 期长而且费用高。近年来，数值计算技术的迅速发展促进了分离器性 能的研究发展，人们已经可以利用计算机对分离器流场进行数值模拟 刚 。 数值计算技术i s 具有资金投入少、设计计算速度快、信息完全( 数 值模拟可以完全深入地揭示流体的内部结构，不存在因实验测试手段 的限制而检测不到的“盲区”) 、仿真模拟能力强等特点。因此，以 湍流数值模拟为主研究分离器内流体的流动规律，进而优化分离器的 哈尔滨T ：程大学硕士学位论文 结构，可以大大缩短其研发周期，具有重要的工程应用价值

29、。 对分离器的数值模拟主要表现在对气相流场和两相流场的数值模 拟。因而，单相湍流模型和两相流模型选择的好坏是分离器数值模拟 的关键。自气液分离器的早期研究以来，人们提出了这两类数学模型 并不断加以完善，本文将对这两类模型及其进展作一简单介绍。 1 3 1 湍流数值模拟方法 湍流流动是工程技术领域与自然界中常见的流动现象，它是一种 高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。湍流中流体的各种物 理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化【6 】。 从物理结构上说，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成 的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡 旋主要由流动的

30、边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟， 是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要由粘性力所决定，其尺寸 可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因【 。由 于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点一物理 量的脉动心J 。 研究湍流的最终目的是预测和控制湍流，为了能够准确预测和有 效控制湍流必须深刻了解湍流的物理性质。对于简单的湍流运动，我 们有可能用解析方法对其统计特性进行近似地预测。然而，对于复杂 的湍流，解析方法几乎是无能为力的，特别是对于不规则的湍流流动， 实验测量和数值模拟是研究复杂湍流的必要手段。自从2 0 世纪7 0 年 代以来，随着电子计算机的迅速

31、发展，用数值模拟方法研究湍流成为 不可缺少的手段。 总体而言，目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法 和非直接数值模拟方法。直接数值模拟( 简称D N S - - D i r e c tN u m e r i c a l S i m u l a t i o n ) 是指直接求解瞬时湍流控制方程。而非直接数值模拟方法 就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流做某种程度的近似 和简化处理。依赖所采用的近似和简化方法不同，非直接数值模拟方 6 哈尔滨上程大学硕十学位论文 法分为大涡模拟( 简称L E S - - L a r g eE d d yS i m u l a t i o n )

32、、统计平均法和 R e y n o l d s 平均法( 简称R A N S ) 。 直接数值模拟方法就是不用任何湍流模型，直接用瞬时的 N a v i e r - S t o k e s 方程对湍流进行计算。D N S 的最大好处是无需对湍流流 动作任何简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果 9 , 1 0 1 。自 2 0 世纪7 0 年代以来，湍流直接数值模拟取得显著的成果。O r z a g 和 P a t t e r s o n 口1 最早用直接数值模拟计算了各向同性湍流。目前直接数值 模拟各向同性湍流的最大网格数可达2 0 4 8 3 。直接模拟有很多优点： ( 1 ) 方程

33、本身是精确的，不包含人为假设和经验常数，仅有的误差 只是由数值方法引入的误差： ( 2 ) 数值模拟可以提供每一瞬间所有流动量在流场上的全部信息。 特别有意义的是能提供很多在实验上目前还无法测量的量，这就可以 用直接数值模拟的结果来检验各种湍流模型，并为发展新的湍流模型 提供基础数据； ( 3 ) 可研究湍流的流动结构。由于有极高的时空分辨率，可描写湍 流中各种尺度的涡结构的时间演变。 但是，D N S 对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法用 于真正意义上的工程计算，大量的探索性工作正在进行之中 1 1 , 1 2 , 1 3 。 统计平均法是基于湍流相关函数的统计理论，主要用于相关函

34、数 及谱分析的方法来研究湍流结构，统计理论主要涉及小尺度涡的运动， 在工程运用上不是很广泛。目前应用比较广泛的是R e y n o l d s 平均法。 R e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬时的N a v i e r - S t o k e s 方程， 而是想办法求解时均化的R e y n o l d s 方程。这样，不仅可以避免D N S 方法的汁算量大的问题，而且对工程实际应用可以取得很好的效果。 R e y n o l d s 平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法【l ”。根据对 R e y n o l d s 应力做出的假设或处理方式不同，目前常用的湍流模型

35、有两 大类：R e y n o l d s 应力模型和粘涡模型。目前粘涡模型中的两方程模型 在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型有标准k s 模型、 R N G k s 模型和R e a l i z a b l e k s 模型。R e y n o l d s 应力模型应用比较广 的就是R e y n o l d s 应力方程模型( R S M ) 。本文将针对标准k s 模型、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 R N G k s 模型、R e a l i z a b l e k 一占模型和R S M 模型在强 流场的应用进 行计算和比较，并最终选择一种适合本文分离器流与。q 湍流模型。 介于

36、D N S 和R A N s 之间的数值模拟方法称为大袖，数值模拟，简称 L E S ( L a r g eE d d yS i m u l a t i o n ) 。大涡模拟的提出首先基于人们对流场中 大、小不同尺度涡的认识：大涡与流场平均流动之间存在着强烈的相 互作用，它直接由平均运动或湍流发生装置提供能量，对流动初始条 件、边界形状和性质有强烈的依赖性，其形态和强度因流动的不同而 不同，因而是高度各向异性的；另一方面大涡又对平均流动有强烈的 影响，大部分质量、动量和能量的输运都是由大涡完成，而小涡却主 要是通过大涡之间的非线性作用问接产生，它对平均运动或流场边界 几乎没有关系，因而可近似

37、为各向同性的，它对平均运动只有轻微的 影响，主要起粘性耗散作用。大涡数值模拟的基本思想可以概括为： 用瞬时的N a v i e r S t o k e s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟 小尺度涡，而小尺度涡对大尺度涡的影响通过近似的模型来考虑 1 5 , 1 6 。 根据这一思想，湍流的瞬时运动通过滤波的方法分解为大尺度运动和 小尺度运动两部分： 、 大尺度运动量：，( 贾，t ) = I G i 一贾l j 厂( 量，t ) d V ( 1 1 ) 其中G 忙，一i f ) 为滤波函数。 亚网格尺度运动量：= 一 ( 卜2 ) 然后对尺度量进行直接数值求解，而亚网格尺度量对大尺度

38、运动 量的影响通过模型来模拟。 S m a g o r i n s k y 是最先应用大涡模拟的研究者，他所研究的是天气 预报问题 1 7 1 。他的这一工作对以后的大涡模拟的开展产生了深远的影 响，直至目前为止，他所确立的网格尺度( S G S ，S u b g r i d - S c a l e ) 模型 仍是应用最广的模型。D e a r d o f f 在1 9 7 0 年首次将S m a g o r i n s k y 模型应 用于有工程意义的槽道流动1 1 8 。近年来，人们更加致力于高R e y n o l d s 数流动的大涡模拟，以使大涡模拟更加趋近于工程实际。总体而言， 哈

39、尔滨T 程大学硕十学位论文 大涡模拟显示出了强大的工程应用与基础研究的潜力，然而对计算机 内存和C P U 的要求仍比较高。L E S 方法是目前流体数值模拟研究和应 用的热点之一 1 92 8 。 1 3 2 气液两相流研究进展 两相流现象不论是在自然界还是生产实践中都到处存在。在瓦特 发明蒸气机后，随之出现的蒸气机锅炉爆炸问题促使人们研究锅炉内 的蒸汽运动与传热问题。18 7 7 年B o u s s i n e s q 系统研究了明渠水流中 的泥沙沉降和输运问题。1 9 1 0 年M a l l o c k 研究了声波在泡沫液体中 传播时强度的衰减过程。1 9 2 0 年到1 9 4 0

40、 年期间，发表了气液两相流 不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文。1 9 4 9 年出现 “两相流( t w o p h a s ef l o w ) ”这一专用名词。其后，随着工业应用特 别是动力工程领域的迅速发展，越来越多的高温高压问题呈现在研究 人员的面前。两相流的研究也逐步向系统化发展，有关两相流边界层、 激波在两相流中的传播、空化理论等方面的论文逐渐增加。1 9 5 4 年 B a k e r 提出了气液两相流的第一张流型图。1 9 5 6 年I n g e b o 研究了颗 粒群阻力系数与单颗粒阻力系数的差别，总结出描绘颗粒群阻力系数 的经验公式。1 9 7 4 年国际

41、多相流学报( I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f M u l t i p h a s eF l o w ) 创刊。1 9 8 2 年出版首部多相流手册( H a n d b o o k o fM u l t i p h a s eS y s t e m ) 【6 l 。2 0 世纪8 0 年代以来国内也陆续出版了 一些有关两相流研究的教材和专著。可以说两相流作为一门独立的学 科已经形成，并正在迅猛发展中。但总的来说，两相流动力学的理论 还很不成熟，尚处于发展初期，很多方面还仍停留在不同传统行业中 特定条件下的经验总结，都还依赖经验数据。 两相流问

42、题中所谓“相”是指具有相同成分及物理、化学性质的 均匀物质，各相间应具有明显可分辨的界面。根据介质组合分类，两 相流问题可以分为气固、气液和液固三种类型。其中不仅包含了单相 流流场所涉及的复杂流动问题，还包含了两相间的相互干扰问题。气 体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。如图1 4 所示， 9 哈尔滨J ：程大学硕士学位论文 气液两相流问题根据各自的特点可以分为气泡流( b u b b l yf l o w ) 、液 滴流( d r o p l e t f l o w ) 、气块流( s l u g f l o w ) 和分层流( s t r a t i f i e d f l o

43、w ) 。 气泡流指气体以颗粒状气泡的形式散布在液体中运动，比如啤酒杯中 带气泡啤酒的运动；液滴流指液体以液滴形式散布于气体中的流动， 比如带蒸汽空气的运动以及本文中油气混合气的运动等；气块流指气 体以大的气块形式存在于液体中的流动，比如潜艇在水下发射鱼雷前， 发射孔舱门打开后压缩空气进入海水就可以形成大尺度的气泡：分层 流也是一种十分常见的流动，任何带自由面的流动都可以归于这一类， 比如水面的流动等等。 图1 4 液滴流、气块流、分层流示意图 与气固和液固两相流相比，气液两相流中还存在液滴变形、破碎、 聚合和蒸发过程，因此其复杂程度更高，给实验观察和数值计算都带 来很多困难。总体上看，这个领

44、域的研究还远没有达到成熟的阶段， 距离建立完整的理论还有很大距离。现有的气液两相流理论中包含了 大量的经验公式和模型假设，从一个侧面证明了这个领域的理论还处 于发展的初级阶段。 通过数值计算方法研究分离器内颗粒的运动情况，预测分离器的 性能，就必须引入多相流动模型。但是，研究气液两相流运动要比单 纯的气体流动复杂，其主要困难在于气相与液相之间的相互作用及每 一相的运动、传热、传质和反应等。采用体积平均的概念和类似于单 相湍流流动的雷诺时均方法，己经建立起了关于湍流气液两相流动的 时均方程组。由于方程组中含有未知关联项，不能构成封闭系统。描 述气液流动的主要问题在于模拟液滴相，解决封闭问题时或用

45、模拟近 似，或用各种简化，从而形成了不同的颗粒相模型1 2 9 , 3 0 1 。随着数值计 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 算技术的发展，颗粒相模型的发展也经历了几个阶段： ( 1 ) 单颗粒动力学模型 单颗粒动力学模型是最早期最简单的模型。在该模型中，忽略颗 粒存在对流体流动的影响，并考察已知流场中互不相关的无脉动的单 颗粒的运动。对湍流气粒两相流动的研究来说，分析单颗粒动力学所 获得的结果可以看作实际气粒两相流动中的基本现象，但在工程应用 中受至4 很大限南0 。 ( 2 ) 单流体模型或无滑移模型 单流体模型( 无滑移模型) 是另一种极端简化的模型，由英国帝国 理工学院的S p a

46、 l d i n g 教授在7 0 年代初提出。该模型假设颗粒和流体 的速度与温度在空间中处处相等，颗粒与气体组分的扩散也相等，即 认为相间存在动量平衡、能量平衡、扩散平衡，由此导出了时均气相 及颗粒相方程组。单流体模型的优点是简单，便于将单相流动的计算 程序用于两相流的预报，但是基于此模型的预报结果与实验相差很大， 故迄今为止，单流体模型已很少用来解决实际工程问题。 ( 3 ) 小滑移拟流体模型 从2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代，M a r b l e 和S L S o o 发展起来了小 滑移模型，这是建立较完善的两相流模型的开端。该模型基于颗粒连 续介质概念，考虑了流体与颗粒间的滑

47、移，但认为滑移是颗粒湍流扩 散的结果。实际上这是将多组分单相流体的概念推广到多相流体混合 物中。但它不同于完整的多流体模型，它所作的假设只是一种求解颗 粒湍流模型封闭问题的最简单方法。 ( 4 ) 颗粒轨道模型 目前，在湍流气粒两相流动模拟中最广泛应用的是颗粒轨道模型 1 3 1 1 。它是在拉格朗日坐标系内处理颗粒相，把颗粒相看作离散体系， 充分考虑气相与颗粒相间的作用，并且认为相间有速度滑移和温度滑 移，滑移可大可小，与颗粒扩散无关。根据是否考虑颗粒的湍流扩散， 又分为随机轨道模型和确定轨道两种。颗粒轨道模型的优点是在颗粒 相预报中无数值扩散，能够或易于模拟有复杂变化经历的颗粒相，而 且节

48、省计算存储量及机时；其缺点是不易全面考虑颗粒的质量、动量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 及能量的湍流扩散过程，而且颗粒轨道计算结果在复杂的流场内很难 给出连续的颗粒速度和浓度的空间分布。 ( 5 ) 多流体模型( 颗粒相拟流体模型) 这是近年发展起来的一种多流体模型，其基本点在于把颗粒群作 为与流体互相渗透的拟流体或拟连续介质，在欧拉坐标系下研究颗粒 运动。该模型中分别考虑相问大滑移和颗粒扩散，认为其间无直接联 系，并且充分考虑了颗粒与气相的相互作用、颗粒本身的湍流扩散以 及稠密悬浮体中颗粒碰撞的影响，它易于完整地考虑颗粒相的湍流输 运现象，由此可以获得颗粒相的详细信息。与实验相比较，此模型的

49、缺点是封闭时将单相流的模型推广到两相流动，气相与颗粒相是否合 适需进一步研究。此外，颗粒相还会产生数值扩散，用于处理复杂变 化的颗粒时不太完善：当颗粒分数较多时，所需计算存储量过大。 实际上各种模型都是从不同的角度对真实过程的近似。这些模型 的适应性取决于颗粒的体积分数、弛豫时问、流动时间和颗粒与颗粒 的碰撞时问。文献 2 9 中给出了上述各个模型的应用范围。 1 4 本课题的主要内容 目前，应用于潜艇的油气分离器的除油效果并不理想，净化后的 空气质量仍然不尽人意。本文对油气分离器的气液两相流场及其主要 性能进行数值模拟，拟开展的具体工作如下： 1 研究最适合分离器流场数值模拟的算法，包括计算

50、域网格的划 分、湍流模型和两相流模型的选择、数值计算方法的选择等。 2 考察分离器的气相流场，分析其三维速度分布、压力场分布以 及流场的湍流结构特性。 3 考察分离器的三维两相流场，分析颗粒的运动轨迹，不同结构 参数、操作参数对分离器分离性能的影响等。 4 在本文研究基础上，提出提高分离器分离效率的方法，为分离器的 结构优化和性能研究提供一定的参考依据，以更好地达到净化除油的 目的。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 i i i i i _ i i i ；i i i i i i i i j _ l - _ _ - - i 目i i i ；i i j _ - _ _ I _ 第2 章数值模拟方法综述

51、2 1 单相流场数值模拟方法 2 1 1 控制方程 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳念的连续方程如 N a v i e r S t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。在此，考虑不 可压流动，使用笛卡儿坐标系，速度矢量打在X 、Y 和z 方向的分量分 别为“、v 和W ，湍流瞬时控制方程如下： 连续方程： d i v “= 0 ( 2 1 ) 动量方程： 詈+ 咖c 嘲一去亲+ 执口幽 鲁+ 咖( 旧一吉等+ 咖删V z ， 詈砌( w 沪一古老+ 一U d i v 删d w 为了考察脉动的影响，目前广泛使用的方法是时间平均法，对流 场变量进行雷诺分解，即把湍流运动看作由两

52、个流动叠加而成，一是 时1 4 平均流动，二是瞬时脉动流动。引入R e y n o l d s 平均法【3 9 ，假设一 为瞬时变量，则庐可以写成平均量歹和脉动量庐之和的形式： = 矽+ ( 2 - 3 ) 其中，时间平均值方的计算公式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 歹= 吉f + f 阳) 折 ( 2 _ a ) 在不可压条件下，密度P 的脉动为零，因此无需对其进行雷诺分 解。速度和压强的雷诺分解如下： U = “+ U ；V = V + V ；W = W + W ；P = P + P ( 2 - 5 ) 将式( 2 - 5 ) 带入瞬时状态下的连续方程( 2 1 ) 和动量方程( 2 -

53、 2 ) ，并对时 间取平均，得到湍流时均流动的控制方程如下： 雷诺平均的连续方程： 讲v 访= 0( 2 - 6 ) 雷诺平均的动量方程： 署+ 硪“万动= 一上孚+ 柳( 鲫d 刃+ I 一娑一等一1 a Ur_W1P O xO x l 甜d y a z 孚+州面p霉oyOtP V ( 删卿| _ 掣o x 一等一警l ( 2 - ，) o y 口z 署+蛳耻j孚州咖咖卿l-警一等一一01412P0 2 o z l 甜饿哕 方程( 27 ) 被称为R e y n o l d s 时均N a v i e r S t o k e s 方程 ( R e y n o l d s A v e r a

54、 g e dN a v i e r - S t o k e s ，简称R A N S ) ，常直接称为 R e y n o l d s 方程。 2 1 2 网格生成 由于油气分离器内部流场的几何形状比较复杂，因此本文采用了 非结构网格对流场进行离散化处理。结构网格与非结构网格的区别在 于：结构网格的每个网格节点都与一定数量的网格单元联结在一起；而 非结构网格的每个网格节点所联结的网格单元数量却不一定相同。常 哈尔滨工程大学硕士学位论文 见的结构网格单元通常为四边形单元( 二维) 和六面体单元( 三维) ，而 非结构网格单元则为三角形单元( 二维) 和四面体单元( 三维) 。除了三 角形单元和四

55、面体单元外，非结构网格也可以采用四边形单元和六面 体单元，同时还可以采用楔形单元、会字塔形单元等多种单元形式。 虽然非结构网格可以采用多种单元形式，但是到目前为止真正能实现 对任意流场进行自动剖分的还只有三角形网格和四面体网格。这大概 也是这二种单元形式成为非结构网格的主流形式的主要原因。 非结构网格最早用于有限元计算，后来随着有限体积法的日益兴 盛，非结构网格在计算流体力学中也逐渐得到了广泛的关注。非结构 网格的最大优点是可以适用于各种具有复杂几何形式的流场，其缺点 则是由于网格数量相对较大，导致计算工作量的大幅度增加，因此在 近些年结构网格又再度引起计算流体力学工作者的关注。不过在处理 复

56、杂几何形式的流场时，采用结构网格需要的人工干预比较多，大大 增加了网格划分上的工作量，总体来看不一定比非结构网格更省时间， 所以在计算机资源足够的情况下采用非结构网格进行计算可能反而可 以大大缩短工作进度。 非结构网格的划分方法大体上可以分为三类：第一类是八叉树 ( O c t r e e ) 方法，第二类是D e l a u n a y 方法，第三类是锋面推进法 ( A d v a n c i n gF r o n tM e t h o d ) 。 八叉树方法于二十世纪八十年代由M a r kS h e p h a r d 首创，是一种 先用六面体网格剖分流场，再在六面体内部增加节点，将原有

57、网格单 元剖分为更小的单元，直到满足网格精度的方法。其非结构网格单元 是在处理边界与内部网格的相容关系时形成的。 D e l a u n a y 方法指的是一大类方法，这些方法的共同特点是在网格 剖分的过程中满足D e l a u n a y 准则。所谓D e l a u n a y 准则又叫空心球 ( E m p t yS p h e r e ) 准则，其含义是过三角形三个顶点的圆或过四面体四 个顶点的球的内部不能包含其它网格单元的节点。D e l a u n a y 方法在具 体划分网格时可以先将流场划分为粗大的网格，然后通过向初始网格 内部插入新的网格节点的方式逐渐使之细化，直到网格密度

58、满足密度 函数的要求，或者网格尺度满足尺度函数的要求为止；也可以先划分 哈尔滨L 程大学硕士学位论文 边界网格，再从边界网格根据D e l a u n a y 准则向流场内部推进( 类似于 后面的锋面推进法) ：还可以先根据D e l a u n a y 准则生成内部网格，再根 据边界网格的约束条件对网格进行修正，以得到最终计算所需的网格。 对锋面推进法做出突出贡献的主要有二位研究者，即美国G e o r g e M a s o n 大学的R a i n a l dL o h n e r $ 1 中国香港大学的S H L o 。锋面推进法在 网格划分的过程中，首先要在边界上划分好三角形单元，然

59、后再根据 边界上的三角形的三个顶点计算、确定第四个顶点，最终构成新的四 面体。整个网格的划分过程是从边界向流场内部推进的，推进过程中 存在一个“锋面”，直到从各个边界上的锋面相遇并融合，网格划分 过程才结束。 无论何种网格划分方法，其网格密度通常依赖于流场的结构。在 流场变量变化梯度较大的地方，比如边界层内部、激波附近区域或分 离线附近，需要较大的网格密度，而在流场变量较平缓的区域则可以 适当减小网格密度，以节省计算机资源。网格在根据几何方法生成后， 还必须进行光顺处理，即对畸变率较大的网格进行重新划分或调整。 在实际的网格生成过程中，一方面可以通过网格的长宽比确定网格的 畸变率，一方面还可以通过控制每个网格节点夹角的方式控制畸变率。 畸变率对于计算结果的影响也与畸变网格所处的位置有关。如果 畸变较大的网格处于流场变量梯度较大的区域，则由畸变带来的误差 就比较大，对计算结果的影响也比较严重。如果畸变较大的网格位于 流场变量变化平缓的区域，则带来的误差及其影响相对而言就比较小。 因此，能否正确地划分网格在很大程度上依赖于对流场流动机理的把 握和对流场结构的预判。 在本文计算中为了真实反映油雾分离器的边界形状，计算域采用 非结构化网格，采用D e l a u n a y 方法生成。在网格划分中，为了保证数