水力旋流器油-水分離性能數值模擬

王 軍，陳 寧

● （江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003）

水力旋流器油-水分離性能數值模擬

王 軍，陳 寧

● （江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003）

本文對兩種不同入口型式的水力旋流器的流場進行了數值模擬，湍流模型采用雷諾應力模型，并結合油-水兩相流MIXTURE混合模型進行分析，得出：單入口旋流器流場切向速度、軸向速度呈偏心分布，而切向雙入口型式的旋流器流場分布對稱性明顯優于單入口型式；切向雙入口旋流器在油-水兩相分離時，油相濃度沿著徑向方向變化率更大，且更易于向中心區匯聚，利于分離，分離效率要高于單入口旋流器；實驗結果證明了模擬結果的正確性。

水力旋流器；雷諾應力模型；兩相流

0 引言

水力旋流器是一種利用產生的切向高速旋流場對流體進行分離、分級、篩選的設備，它結構簡單，可廣泛用于石油、化工、環保等行業，近年來，在船舶艙底水的油-水分離中也逐步開始應用。水力旋流器的內部流場是一種強湍流流動，這種強湍流場一方面會造成被分離相隨湍流無序擴散，降低了分離性能，另一方面也使得旋流分離的能耗增大。本文應用fluent軟件，結合雷諾應力模型[1]和多相流分析方法，對切向單、雙入口型旋流器用于油-水兩相分離進行了數值模擬，并采用實驗驗證了模擬結果。

1 湍流模型

旋流器內的流場是一種高雷諾數（可達 105-108量級[2,3]）、強旋流流動，湍流粘性系數呈各向異性[4,5]。由于強旋流場中的流線呈高速旋轉、彎曲，且變化迅速等特點，標準的k?模型已不能準確描述內部流場特征，由于雷諾應力湍流模型增加了湍動能和湍動能耗散率并考慮到了湍流粘度的各項異性，使復雜強旋流場的模擬結果具有更高的預測精度。

對不可壓縮介質的雷諾應力模型所對應的方程包括[6]：

運動方程：

式中，Ui為時均速度；gi為重力加速度分量；P為壓力；t為時間；u'為脈動速度；xi為笛卡爾坐標分量；ρ為密度；μ為粘度。

應力輸運方程：

其中，δit為Kronecker符號，k為湍動能，ε為湍動能耗散率；μt為湍動粘度；，Cu為湍流粘度各向異性系數；剪應力項壓力應變項

方程（1）～方程（5）構成了水力旋流器內封閉的雷諾應力微分方程。

2 三維模型及網格劃分

三維模型尺寸如圖1所示：總長H= 765mm，圓柱長度H1= 65mm，錐管長度H2= 500mm，直徑D= 50mm，入口直徑di= 20mm，溢流口直徑de= 4mm，底流口直徑dc= 20mm。

圖1 旋流器基本結構圖

采用四面體和六面體網格劃塊，并進行網格疊加，劃分后總網格為152024個。

3 邊界條件及其他設置

1）入口邊界：采用速度入口velocty_inlet，速度方向為切向。

2）底流出口邊界：采用速度出口velocty_outlet1，底流出口邊界為湍流充分發展狀態。

3）溢流出口邊界：采用速度出口velocty_outlet2，符合質量守恒。

4）固壁邊界 ：壁面無滲漏，采用無滑移邊界條件。

5）其它：設體積比，油相:水相=1:9，水的密度：998.2kg/m3，粘度：0.001003Pa·s；油的密度：850 kg/m3，粘度：0.050 Pa·s，入口流量為定值，設Qin=3m3/h。

本算例中，取QUICK差分格式，采用SIMPLEC算法和 PRESTO!格式作為壓力差補。運用雷諾應力模型（RSM 模型）先對單相、定常流動進行計算，待其結果收斂后，通過混合模型MIXTURE，將第二相加入進去，完成對油-水兩相流的計算。

4 計算結果與分析

4.1 入口結構形式對流場的影響

圖2為單、雙入口旋流器入口截面處切向速度矢量分布圖。由圖2可見，入口結構形式對切向旋流的產生和分布有很大的影響，流體沿切向入口高速進入旋流器，在離心力作用下，沿器壁產生強烈的旋流場，同時，流體經旋轉后速度會逐漸的降低，這說明隨著旋流的進行，動能減弱，并與連續進入的流體發生了碰撞、混合等能量損耗。在入口附近的切向速度分布密度要明顯大于其他部位切向速度分布密度，速度場表現為偏心不均勻性。顯然，切向雙入口結構形式從空間上實現了內部流場的對稱分布，大大減弱了速度場的偏心程度，提高了分離的穩定性。

圖2 單、雙入口截面切向速度矢量圖

4.2 單、雙切向入口型式旋流器切向速度、軸向速度分布特點

在旋流器流場內，對分離效果影響最大的是切向速度，而軸向速度會對溢流及油-水兩相沿溢流口和底流口流動的時間會有影響，選取溢流管出口截面為高度基準（z=0），圖3為切向單、雙入口旋流器在切向入口截面z=350mm處的切向速度、軸向速度分布規律。

從圖3（a）可以看出切向速度分布特點為：從壁面沿徑向至中心，切向速度不斷增大，在距離中心半徑r=10mm附近達到最大值，而后向軸心區呈快速減小，這是一種典型的組合渦形式，即：切向速度峰值位置將旋流場分為了器壁附近的強制渦區和中心附近的準自由渦兩個區域。

在數值上，雙入口型旋流器的切向速度峰值（10.1m/s）要高于單入口型切向速度峰值（8.94m/s），這表明雙入口型旋流器的離心力場要大于單入口型，有利于分離，且對稱性明顯要優于單入口結構型式。而單入口型旋流器切向速度場表現為非對稱性，其最小值在偏離中心半徑r=1.29mm處取得。

從圖 3（b）軸向速度分布特點為：軸向速度在近壁面處為負值，在中心區域速度為正值，在中心附近有最大值，在近壁面有最小值，軸向速度由負值向正值轉變位置處存在速度零點（r=8.2mm）。單入口型的軸向速度最小值在左右兩側分布位置出現了較為明顯的偏離和波動：在左側半徑r=-14mm處，軸向速度最小值為-2.44m/s，在右側半徑r=13.9mm 處，軸向速度最小值為-1.22m/s，呈現明顯的速度分布不對稱現象。雙入口型具有更好的軸向速度分布對稱性。

圖3 切向速度、軸向速度分布

4.3 油-水兩相體積分數分布規律

體積分數的變化規律，反應了體積濃度的變化規律，設體積比為油相:水相=1:9，混合均勻。計算時，先以水為單相流進行計算，再將油相加入，運用MIXTURE混合模型，進行兩相流模擬。圖4為z=350mm截面處，兩種不同入口結構型式旋流器油相、水相體積分數分布圖。

圖4 油-水兩相體積分數分布

從圖4中可以看出，油和水的體積分數分布規律呈相反的變化趨勢。圖4（a）可見，從器壁向中心，油的體積分數隨越來越大，表明了中心區域為密度較小的油液聚集區，圖4（b）則顯示了密度較大的水的體積分數由器壁向中心，隨半徑的減小而減小，這一特點表明了油-水混合液在旋流時，輕質油相向旋流器中心集中，水相多分布于旋流器壁面處。對比圖4（a）、圖4（b）可見，雙入口型的油相體積分數在中心附近要高于單入口型，而壁面處的油的體積分數又低于單入口型式的，兩條曲線出現了交叉。這表明，切向雙入口型式的油相體積分數沿徑向方向的變化率更大，油相更容易從壁面區域向中心區域集中，分離效果更好，圖4（b）中的水相體積分數也進一步證實了雙入口型的旋流器比單入口型的中心區域水含量更低，且大多集中在器壁附近的外旋流空間，這也與前文得到的雙入口型旋流器更有利于分離這一結論是一致的。

4.4 分離性能實驗測試系統

根據模擬結果得到的油-水兩相體積分數分布，結合分離效率定義可估算旋流器的分離性能，其結果是，單入口型分離效率約為 91%，雙入口型分離效率約為 94%，明顯要高于單入口型的分離效率。為了進一步驗證數值模擬結果的正確性，對單、雙切向入口型式旋流器分別了實驗測試，實驗系統如圖5所示，實驗流量為3m3/h，溢流率為10%。

圖5 實驗測試原理圖

圖6 分離效率曲線對比

兩種結構型式旋流器的實驗測試值與模擬計算值結果如圖6所示。從圖6可見，實驗測試結果與數值模擬結果接近，分離效率變化規律基本相同：隨著流量的增大，分離效率不斷提高，這是因為入口速度不斷提升，使得切向速度和離心力都增大，有利于分離，但當流量超過3m3/h時，實驗值測得的分離效率呈下降變化，而模擬計算結果卻顯示分離效率較為穩定，因為在實驗測試時隨著流量的加大，入口壓力會提高，會造成油滴碎裂與水形成乳濁液，難于進一步分離。而在模擬計算時，假定是油水混合均勻，并沒有考慮到油滴破碎的發生，這將使得模擬計算值總體上要比實驗測試值略高。

5 結論

運用雷諾應力模型對兩種不同入口結構型式水力旋流器流場進行模擬計算，得到了如下的結論：

1）單入口旋流器流場切向速度、軸向速度呈偏心分布，有明顯的不對稱性[7]，這與入口結構不對稱有關，而切向雙入口型式的旋流器能改善流場，減少能量消耗，流場分布對稱性明顯優于單入口型式。

2）切向雙入口旋流器在油-水兩相分離時，油相濃度沿著徑向方向變化率更大，且更易于向中心區匯聚，利于分離，穩定性好，分離效率要高于單入口旋流器。

[1]牛貴鋒,艾志久,劉春全,等.油水旋流分離器流動機理和分離性能研究[J].石油礦場機械,2007,36(9):13-17.

[2]NOWAKOWSKI A F,DYAKOWSKI T.Investigation of swirling flow structure in hydrocyclones[J].Trans IchemE,81(A):862-873.

[3]金有海,馬艷杰,許偉偉,等.排氣芯管結構對導葉式旋風管內流場影響的數值模擬[J].中國石油大學學報:自然科學版,2009,33(6):87-90.

[4]褚良銀,陳文梅,戴光清,等.水力旋流器[M].北京:化學工業出版社,1998:25-27.

[5]Li Jian ming.Numerical simulation of turbulence two-phase flow within hydrocyclone and their separation performance[D].Chengdu:Sichuan Unit Univ.,1997:12-13.

[6]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京:清華大學出版社,2004.

[7]王軍,陳寧.旋流器流場模擬及特性分析[J].江蘇科技大學學報（自然科學版）,2012,26(4):366-369.

Numerical Simulation on Performance of Hydrocyclone for Oil-Water Separation

WANG Jun,CHEN Ning
(Institute of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

The numerical simulation of the flow field of hydrocyclone based on two different types of entrance,turbulence model based on the Reynolds stress model,combined with the MIXTURE mixed model of oil - water two phase flow is analyzed.The results obtained are:single entrance flow in cyclone tangential velocity,axial velocity is an eccentric distribution,while the tangential double entrance type hydrocyclone flow field symmetry is obviously better than the single entrance type; tangential double entrance hydrocyclone in oil - water two phase separation,the oil phase concentration along the radial direction change rate higher,and easier to converge toward the center,to facilitate the separation,the separation efficiency is higher than that of single entrance hydrocyclone; experimental validity results show that the simulation results.

Hydrocyclone,Reynolds Stress Model,Two Phases Flow

TD928

A

王軍（1978-），男，研究生，講師。主要從事船舶設備和動力裝置等性能研究及教學、船舶數字化設計、仿真等。