導向葉片結構對氣液旋流器性能的影響研究

黃龍 鄧松圣 陳志

（1.后勤工程學院，重慶 401311；2.中國石油集團工程設計有限公司西南分公司，成都 610041）

由于旋流分離器能產生相當于幾十上百倍重力加速度的離心力場[1]，效率較高，所以，相比于重力式分離器，旋流分離器近年來越來越受到重視[2]。與常規的切入式水力旋流器不同，導葉式旋流器是以軸向為入口，靠導向葉片改變流體方向形成旋流，壓降更低，處理量更大，結構也更加緊湊[3]，對入口速度的依賴也更小。某新型導葉式旋流器用作天然氣重力分離器的入口初分離裝置，導向葉片是旋流器的唯一旋轉加速部件，其結構直接決定著旋流器的流場分布，對旋流器的性能有著重要影響[4]，有必要對其進行深入研究。

本文利用計算流體力學軟件，采用預測精度較高的雷諾應力模型及DPM模型[5]對某新型軸流導葉式旋流器內部流場進行了數值計算，探索了導向葉片結構參數對旋流器速度、壓降及分離效率的影響。

1 模型建立

該旋流器豎直安裝，氣液混合物從入口軸向進入，流經內筒體時流道面積減小，速度增大，然后經過導葉產生旋轉，液體被甩向筒壁，從分水口處進入分水罩，從液相出口流出，氣體經過彎管改變方向后進入重力式分離器。具體的尺寸為：外筒直徑do=100 mm，內筒直徑di=70 mm，長度L=200 mm，內筒體上、下引導錐長度L1=300 mm，分水口寬度Lf=5 mm，分水罩直徑df=160 mm，導葉的數目為8葉，主要結構參數有導葉末端與水平面的夾角即出口角α和導葉從入口端到出口端的扭轉角度β，如圖1所示。

通過Solidworks三維建模后導入Gambit，劃分區域后采用六面體與四面體形成混合網格。模擬采用實際工況下的天然氣介質，密度為82.09 kg/m3，黏度為1.32×10-5Pa·s，離散相為水，液相體積分數約為3%。湍流模型采用精度較高的RSM模型，入口邊界為速度入口，根據日處理量20×104Nm3/d計算平均速度，出口按充分發展來處理，壁面為無滑移邊界條件，設定分流比為3%；多相模型采用DPM模型，液滴從入口處均勻入射，進入分水罩底部則被捕集分離。

2 導葉參數對旋流器性能影響分析

2.1 導葉出口角的影響

導葉出口角α（見圖1）直接規定了氣液混合流體流出導葉時的流動方向，對流場影響較大。圖2、圖3分別為不同入射角度下分離區（葉片下緣30 mm處）軸向速度和切向速度沿徑向變化曲線。

圖2 不同導葉出口角下分離區軸向速度曲線

圖3 不同導葉出口角下分離區切向速度曲線

可以看到，軸流導葉式旋流器的切向速度和軸向速度都保持較為嚴格的對稱，不存在傳統切向入口旋流器的偏心紊動現象[6]，這有利于離散相的平穩分離，是軸流式旋流器的一大優勢所在。從圖2可以看出，軸向速度基本保持不變，這是由于α角并未改變流道過流面積，而流量不變，故軸向速度也不變。設葉片出口處的氣體速度為V0，分離區內氣體的軸向、切向速度分別為Va、Vt，則有下列關系式：

Va相同，當α角越小時V0越大，Vt也就越大，這從圖3可以明顯看出。由于α是銳角，故切向速度明顯大于軸向速度，這有利于離心分離。

圖4為不同導葉出口角時的分離效率曲線，可以看見，隨著α角的減小，切向速度增大，使液滴所受離心力增大，而軸向速度不變，液滴受到的向下的氣流曳力也較小，所以，分離效率也逐步提高，但是提高的效果在減弱，當出口角減小到25°以下時，對分離效率（特別是15μm以上的較大液滴）的提高效果已經不明顯，曲線趨于一致。并且從圖5可以看到，出口角減小還會使旋流器壓降直線上升，增大旋流器的能量損耗。所以，旋流器分離器導葉出口角度保持在23°～25°時較為合適，這樣可以提高分離效率，同時減少資源的浪費和壓力的無謂損失。

圖4 不同導葉出口角下分離效率對比

圖5 導葉出口角對壓降的影響

2.2 導葉扭轉角的影響

導葉扭轉角度β是葉片的另一重要參數，和導葉出口角一樣，改變β角不會對軸向速度造成影響，如圖6所示。而對于切向速度，增大β相當于在同樣的流道長度內使氣流偏轉更大的角度，自然會造成分離區切向速度的增大，如圖7所示。可以看到，隨著導葉扭轉角的增大，分離區切向速度基本保持正比增加，并且增大幅度較改變α角要大。

圖6 不同導葉扭轉角下分離區軸向速度曲線

圖7 不同導葉扭轉角下分離區切向速度曲線

切向速度的增大會提高旋流器的分離效率，如圖8所示。可以看到，導葉扭轉角對分離效率的提高效果較為明顯，除了10μm以下的液滴由于受紊流和氣流夾帶影響大，提升效果不明顯外，其他粒徑液滴都有5%～10%的提升，直至效率接近100%。

圖8 不同導葉扭轉角效率曲線

但是同時，切向速度的增大也會導致旋轉流體與筒壁間的摩阻損失加劇，增大旋流器的能量損耗，從圖9可以看出，壓降與β角的增大呈線性關系，β角每增大5°，壓降增大900Pa左右。此外，由于該旋流器是用于重力分離預處理，過高的切向速度會導致旋流器出口處氣流的紊亂，不利于后續的沉降分離。所以，對于葉片扭轉角度，建議可以適當增大以提高效率，但不宜過大。

圖9 導葉扭轉角對壓降的影響

3 結論

3.1 軸流導葉式旋流器速度分布對稱，消除了偏心紊動，有利于離散相的平穩分離。

3.2 導葉出口角對軸向速度無影響，減小導葉出口角能加大切向速度從而提高分離效率，但是提高效率逐漸減弱而能量損耗增加，故導葉出口角保持在23°～25°為宜。

3.3 導葉扭轉角也不影響軸向速度，切向速度與導葉扭轉角成正比，增大導葉扭轉角可以提高效率，同時壓降也直線增加，建議可以適當提高導葉扭轉角，但不宜過大。

[1] 林存瑛.天然氣礦場集輸[M].北京:石油工業出版社,1997.

[2] 褚良銀,陳文梅.旋流分離理論[M].北京:冶金工業出版社,2002.

[3] 丁旭明,王振波,金有海.兩種入口結構旋流器性能對比試驗研究[J].化工機械,2005,32(2):69-71,87.

[4] 王振波,馬藝,金有海.導葉式旋流器內油滴的聚結破碎及影響因素[J].化工學報2011,62(2):399-406.

[5] 韓占忠.FLUENT——流體工程仿真計算實例與分析[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[6] 宋健斐,魏耀東,時銘顯.蝸殼式旋風分離器氣相流場的非軸對稱特性的模擬[J].化工學報,2005,56(8):1398-1402.