液-液旋流分離器分離特性數值模擬

鄭小濤，徐 成，喻九陽，林 緯，龔 程

(武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430205)

0 引 言

水力旋流分離器(Hydrocyclone)是一種利用兩相或多相之間的密度差，在高速旋轉的流體中產生不同的離心力而分離的設備.水力旋流分離技術是一種較為成熟的分離技術，廣泛應用于石油、化工、生物制藥、煤礦、環(huán)保等行業(yè)[1].液-液旋流分離器是水力旋流分離器的一種，其分離介質為兩相或多相不相溶的液體.液-液旋流分離器研究起步較晚，并且通常液-液兩相的密度差較小，因此分離較固-液或氣-液旋流分離器困難.由于液-液旋流分離器復雜的結構和高速旋轉的流體運動，其內部流場通常較為復雜，并且現有實驗設備難以得到清晰的液-液兩相分離過程.本文將采用CFD(計算流體動力學)技術，對液-液旋流分離器進行數值模擬分析，得到其流場分布和液液兩相分離過程.

1 分析模型

鑒于目前液-液旋流分離器的應用情況和研究進展，選用實驗數據較為權威的Martin Thew[2]型液-液旋流分離器.圖1為液-液旋流分離器的模型圖，基本由圓柱段、大錐段、小錐段、底流管、溢流口和入口組成，其入口為對稱切向雙入口，各部分的結構尺寸如表1所示，其基準尺寸Ds為20 mm，底流管長度Lu為235 mm.

圖1 Martin Thew型液-液旋流分離器模型Fig.1 The model of liquid-liquid Hydrocyclone by Martin Thew

Ds/mmD/mmDo/mmDi/mmDu/mmLc/mmα/(°)β/(°)2040471040201.5

2 數值模擬方法

2.1 網劃劃分及獨立性驗證

采用FLUENT軟件進行數值模擬，Gambit2.4.6軟件進行建模和網格劃分.綜合國內外學者對旋流分離的數值模擬的研究，采用六面體非結構網格對模型進行劃分，網格劃分圖如圖2所示.

圖2 模型網格劃分圖Fig.2 The grids of model

為了保證數值模擬計算的準確性，將對網格進行獨立性驗證，將不同網格密度的分離器計算結果與Martin Thew[3]的實驗數據進行對比，對比結果如圖3所示.由圖3可知，當網格數為58萬時，其計算分離效率與實驗數據相差為10%以內，而當網格進一步加密到95萬時，計算結果與網格數為58萬相差不大，為了提高計算效率，本文將采用網格數為58萬的模型進行分析.

圖3 網格獨立性驗證Fig.3 The independence verify of grids

2.2 計算模型

由于旋流分離器的非穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動特征，因此湍流模型采用適于流線強烈彎曲和旋轉三維流動的雷諾應力模型(RSM)[4].

多相流模型選擇的是適用于強烈耦合的各向同性多相流模型Mixture模型[5].對流項離散格式選擇的是在復雜網格條件下具有良好收斂性的二階迎風格式，壓力插補格式采用的是PRESTO[6]格式，壓力-速度耦合算法采用的Simple算法[7].

2.3 介質物性及邊界條件

入口采用速度入口，速度為6 m/s，入口含油率為5%，油的密度為850 kg/m3,黏度為3.32 cP；溢流口和底流口均為充分發(fā)展出口邊界條件，其流量比分別為15%和85%；壁面采用無滑移條件[8].

分離效率：E=1-αu/αin

其中；αu為底流口含油溶度；αin為入口含油濃度.

3 計算結果分析

將網格導入FLUENT軟件中，設計邊界條件和計算控制模型，得到液-液旋流分離器數值模擬計算結果.

3.1 流場分析

圖4為圓柱段和大錐段處的流場分布圖，從圖4可以看出：液-液旋流分離器內部流場中向底流口流動的外旋流，向溢流口流動的內旋流分布明顯；在圓柱段頂部及器壁處，由于流體的粘性作用存在短路流；在圓柱段，有大量的循環(huán)流存在，循環(huán)流的存在會影響油滴向中心的遷移，降低分離效率.

圖4 圓柱段及大錐段處流場分布圖Fig.4 The flow field distribution of cylindrical section and big cone section

圖5為大小錐結合處附近的流場分布圖，從流體的流線可知，在小錐段上端依然存在明顯向上的內旋流，并且由外旋流向內旋流遷移的流線非常明顯，證明小錐段上端依然是油水的分離區(qū)域，并對油水的分離有一定作用.在大小錐結合處也存在明顯的循環(huán)流，說明無論是圓柱段、大錐段還是小錐段，都存在著循環(huán)流.

圖5 大小錐結合處流場分布圖Fig.5 The flow field distribution of the juncture of small cone section with big small cone section

3.2 速度分布分析

為分析液-液旋流分離器內部流場分布，將在分離器各部分截取截面，從其各截面速度分布角度分析其流場及分離機理，截面截取示意圖如圖6所示.

圖6 截面及坐標系定位Fig.6 The localization of coordinates and sectiion

圖7為各截面的切向速度分布圖，切向速度是提供離心力的主要動力源.由圖7可知，各截面切向速度均呈組合渦[9]特征，在外旋流為自由渦，內旋流為強制渦，并且在圓柱段和大錐段組合渦特征更為明顯，與理論分析[10]相一致.從各截面切向速度數值比較來看，切向速度沿著中心軸向下依次減小，但是在內旋流區(qū)域下降梯度相等，這也是液-液旋流分離器結構設計的精妙所在.

圖7 各截面切向速度分布圖Fig.7 The tangential velocity of different sections

圖8為各截面軸向速度分布，由于液-液旋流分離有兩個出口，軸向速度分布能夠反映流體向各個出口的流動情況.由圖8可知，圓柱段和大錐段的軸向速度分布呈3波峰形式，在外旋流區(qū)域存在波峰，此現象是由于圓柱段和大錐段的循環(huán)流導致的流體波動所致.從數值比較進行分析，在圓柱段和大錐段內旋流區(qū)域向上的軸向速度較大，所以此區(qū)域中心處流體向溢流口流動，而在小錐段上端軸向速度依然大于零，說明小錐段上端也為油水分離區(qū)域.

圖8 各截面軸向速度分布Fig.8 The axial velocity of different sections

3.3 基于DPM模型油滴分離軌跡分析

DPM模型是一種粒子隨機軌道模型，即將油滴看作為固體顆粒，由于本文所分析的初始條件中含油率為5%，因此可以忽略油滴對流場的影響.圖9為分離成功時油滴的運動軌跡.由圖9可知油滴進入液-液旋流分離器后，在圓柱段形成穩(wěn)定的旋流軌跡，并向底流口運動，在外旋流區(qū)域隨著流體做旋轉運動，并且旋轉半徑不斷減小，油滴顆粒到達小錐段上端時，進入沿溢流口流動的內旋流，并隨著外旋流做旋轉運動最后由溢流口排出.

圖9 分離成功油滴運動軌跡Fig.9 The trail of the successfully separated oil droplets

圖10為分離失敗時油滴的運動軌跡，與圖9相比，其不同在于油滴在達到小錐段上端后并沒有進入向溢流口流動的內旋流，而是隨著流體向底流口排出.

圖10 分離失敗油滴運動軌跡Fig.10 The trail of the unsuccessfully separated oil droplets

4 結 語

a.液-液旋流分離器內部流場分布特征明顯，在圓柱段、大錐段和小錐段處存在大量的由循環(huán)流導致的漩渦.

b.針對旋流分離器各截面的速度分布研究，發(fā)現其切向速度和軸向速度分布規(guī)律明顯,并與理論分析相一致.切向速度分布中在圓柱段、大錐段和小錐段上端組合渦特征明顯，軸向速度在圓柱段和大錐段由于循環(huán)流的存在呈現雙W形式.

c.采用DPM模型對油滴分離軌跡進行追蹤，進一步驗證小錐段上端也為分離區(qū)域，油滴是否更夠分離出來，其關鍵在于油滴是否能夠在分離區(qū)域內進入向上的內旋流.

致 謝

本文研究工作得到湖北省自然科學基金項目(2012FFB04707)、武漢工程大學研究生教育創(chuàng)新基金項目(CX201226,CX2013080)的資助，在此一并表示衷心的感謝.

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