動態水力旋流器流場數值模擬研究

劉華煒，張廣文

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266071)

1 前言

液-液水力旋流器是國際上20世紀80年代發展起來的新型分離設備，按其結構的不同可分為靜態水力旋流器和動態水力旋流器兩種。盡管動態旋流器在結構上及操作運行上要比靜態旋流器復雜，但由于其內部液流迫旋切向速度高，能使不互溶的復雜液體混合相得到較好分離，有更高的分離效率與更好的處理效果，可對礦業上難以處理的產出水進行有效分離，因而有必要加以研究開發[1-2]。

旋流器內部流動十分復雜，影響其分離效率的結構參數和操作參數很多，因此對動態水力旋流器的實驗研究比靜態旋流器研究更加困難，完全依靠實驗來優化設計這些參數，不僅工作量大，而且不能有效、準確地預測動態旋流器的工作性能，因此對旋流器流場進行數值模擬將有助于最佳參數的合理確定。目前在旋流器流場數學模型建立方面已經取得了一些成果，其中應用計算流體力學(簡稱CFD)技術對旋流器內部流場進行模擬和分析可作為一種有效的分離器性能預測工具，在很大程度上替代了流體動力學實驗[3-4]。筆者利用CFD方法，采用流體力學FLUENT分析軟件對動態水力旋流器內部流場進行了分析，研究了各種參數對氣體分離的影響，從而改進旋流器的結構設計，以加速旋流器的應用推廣。

2 動態水力旋流器的CFD模型

2.1 動態水力旋流器結構介紹

本文采用中心進料式動態水力旋流器進行模擬研究，其基本組成結構是在靜態旋流腔內裝有可旋轉的葉輪，結構簡圖如圖1所示。

旋流器的工作原理是流體通過中心進料管進入到葉輪的中心，經過高速旋轉的葉輪獲得較大的切向速度，最后在靜態旋流腔內完成固液兩相的分離過程。

1-葉輪；2-旋流腔；3-溢流管；4-底流口；5-溢流出口圖1 動態水力旋流器結構簡圖

2.2 動態水力旋流器的網格劃分

動態水力旋流器網格的劃分采用的是六面體網格，這樣能夠生成質量較好的網格，并能減少網格數量，從而減少計算量，提高計算精度。根據Gambit處理軟件的特點，為了生成質量較好的六面體網格，將動態水力旋流器劃分成幾個區域，分區域生成網格。

2.3 邊界條件的確定

在上述分區域生成網格中，為了使得兩個區域界面處的節點保持一致，各區域之間的界面均設定為interior的邊界條件。

進口邊界條件：采用速度進口邊界條件，入口速度由入口管直徑和處理量確定，流體在葉片的進口處均勻入流，入口處的k和ε一般由實驗值確定，可由如下公式進行計算：

(1)

(2)

式中，cμ的值為0.09，din為當量直徑。

出口邊界條件：溢流出口和底流出口均采用出口邊界條件，根據所選取的分流比確定出底流出口和溢流出口的流量比為Qu∶Qo=1∶19。

壁面邊界條件：旋流管壁面由頂端壁面和周向邊壁所組成，可以按照無滑移條件處理，即vt=vr=vz=k=ε=0。

3 動態水力旋流器的CFD模擬

3.1 基本假設

為了建模需要，并使模型更加容易求解，做出如下假設：

1) 穩定性假設：旋流器工作過程中流體的流態為定常流；

2) 動量守恒假設：流體流動過程中流體瞬時的角動量守恒；

3) 能量、質量假設：在旋流分離過程中認為能量和質量是守恒的，不存在傳質和傳熱現象。

3.2 CFD模擬旋流器模型的建立

本文采用由Yokhot和Orszag等人提出的RNGk-ε模型模擬動態水力旋流器中強旋湍流場[5]。在該模型中，通過在大尺度運動和修正后的粘度項來體現小尺度的影響，最后得到的k方程和ε方程與標準k-ε模型非常相似：

(3)

(4)

3.3 可動區域模型

由于中心進料式動態水力旋流器帶有旋轉的葉輪，葉輪帶動流體進行旋轉。因此，本文通過采用多重參考系法(MRF)對此問題進行求解。在FLUENT多重參考系特征的執行中，按區域分為子域，每個子域相對于慣性系可能是平移或旋轉的。移動參考系的速度和速度梯度按照以下方式轉換到絕對慣性系，如圖2所示。

圖2 坐標系之間的轉換關系

4 模擬結果

在模擬時，設定的工作參數為：葉輪轉速2000rpm、處理量30m3/h及分流比5%。旋流器有代表性的截面分別是錐段下部、錐段中部、錐段上部和葉輪中部，如圖3所示，從而對每個位置的速度場和壓力場進行模擬研究。

圖3 旋流器各截面位置

4.1 各截面切向速度分布

旋流器在截面1(葉輪位置)處的切向速度分布圖如圖4所示。從圖中可以看出，橫坐標±30處為葉輪葉片內緣，所以區間[-30，30]為軸向進料的區域，在此區域的流體切向速度很小，幾乎只有軸向速度。由葉片內緣(橫坐標±30處)向外，隨著半徑的增大，其切向速度先增加后減小，在橫坐標±60處的切向速度最大為12.8m/s，隨著半徑的繼續增大，切向速度又逐漸減小。而

從壁面到±70處的區域，流體的流動表現出準自由渦運動，也就是流體的切向速度隨著半徑的增加不斷減小，在壁面處流體邊界層的切向速度會迅減小為零。

圖5為旋流器在其他三個截面處的切向速度分布。從圖中可以看出，在溢流管所占據的區域之外，隨著半徑的增大，其切向速度都不斷增大，并且在接近壁面處達到最大值并迅速減小。另外，三個截面在同一半徑處的切向速度基本相同。流場的切向速度分布呈現雙峰結構；切向速度的最大值將流場分為準強制渦和準自由渦兩個區域，以最大的切向速度橫坐標位置處為界，內部為準強制渦，外部為準自由渦。

4.2 各截面軸向速度分布

因為截面1處為葉輪所在位置，此截面基本上是旋流發生區而并非分離區，軸向速度并不重要。所以只需要考察其他三個截面處的軸向速度即可。圖6為旋流器在截面2、3、4處的軸向速度分布圖。

圖4 旋流器截面1處的切向速度分布

圖5 其他三個截面處的切向速度分布

圖6 各截面處軸向速度分布

從圖6可看出，在溢流管所在區域[-27，27]之外，隨著半徑的增大，其軸向速度先增加后減小并且由正值變為負值，以經過的軸向速度零點的橫坐標為界，向外至壁面處軸向速度均為負值，向內至溢流管外壁軸向速度均為正值。這表明了流場內部存在向上的內旋流和和向下的外旋流兩種流動方式。而在壁面處因為流體邊界層的存在，其軸向速度大小為零。

4.3 整機壓力分布

圖7和圖8分別是旋流器整機的總壓和靜壓分布圖。從圖中可以看出，壓力由中心至壁面逐漸增大。其中在溢流入口處，旋流器內部的總壓和靜壓都出現了較大變化，該處的總壓和靜壓損失均比較大，這也致使溢流的總壓和靜壓較低。對于總壓損失原因的分析，在溢流入口處，流體由旋轉的切向運動逐漸變成在溢流管內的軸向運動，由此可以推斷出流體在此處由于其流向發生了改變，產生了流動轉向損失，致使總壓在此處發生了突變。

圖7 整機總壓分布

圖8 整機靜壓分布

對于靜壓損失，主要是因為旋流器內部的壓力由外壁向中心不斷減小，中心存在有空氣柱的為低壓區。另外，流體沿徑向流入溢流管，也會存在一定的流動損失。

5 結束語

應用流體計算軟件FLUENT對動態水力旋流器的內部流場進行了模擬，準確地反映出了流場內部速度場和壓力場分布情況。本文所建立的數學模型可實現對徑向和軸向速度分布規律的模擬，能方便、快捷地對其性能進行預測，對內流場模擬的結果有助于對動態水力旋流器的結構及性能進行分析，并可為設計提供理論上的指導。

[1] 蔣明虎, 趙立新, 李楓,等. 旋流分離技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2000.

[2] 王尊策,時培明,呂鳳霞.復合式水力旋流器內部流場的數值模擬[J]. 石油學報,2005,26(1):125-128.

[3] 苗長山,李增亮,趙新學,等.多相混輸泵的數值模擬及與實驗結果對比[J].石油機械,2007, 35(11):1-4.

[4] 劉忠烈,陳猛,李增亮.基于CFD的井下混抽泵葉輪有限元分析[J].石油機械,2011,39(2):19-22.

[5] Yakhot V, Orzag S A. Renormalization group analysis of turbulence[J]. Basic theory. Scient Comput，1986(1):3-11.