一種新型高壓旋風式油水分離器數值模擬研究

柳 姍，幸福堂

LIU Shan, XING Fu-tang

（武漢科技大學 資源與環境工程學院，武漢 430081）

0 引言

目前，高壓空氣壓縮機在潛水、消防、射擊、檢測、工業、船舶等行業需求廣泛。當壓縮機工作時，由于噴油過程和壓縮過程，會使得壓縮空氣中混雜水和油，油和水的存在不僅影響壓縮機本身的壽命和后續工作部件的運行和壽命，還會影響壓縮空氣的潔凈度，如果不經處理就排放，會對外界大氣環境造成污染[1]。必須采用一定的方法將油和水從空氣中分離出去，良好的油氣分離系統可保證排氣的純度，使潤滑油充分回收利用，而且可以減少對環境的破壞?，F今對20MPa以上高壓空氣壓縮機壓縮氣的油水分離，使用較為普遍的是pg250型油水分離器，但是使用過程中發現，該分離器分離效果不高，不能有效去除壓縮氣中的油和水，所以設計一種高效的高壓油水分離器很有必要。

計算流體力學(CFD)因具有經濟、高效等優點，在研究高壓旋風分離器內部流場領域得到廣泛應用。錢付平[2]、董瑞倩[3]等對高溫高壓下旋風分離器流場和分離性能進行了數值預測；周幗彥[4]等對螺旋片導流式分離器分離性能進行了數值模擬及試驗研究；許世森[5]等在通過數值模擬手段，研究了溫度和壓力對旋風分離器分離性能的影響。本文在pg250型分離器的基礎上，增加螺旋導流板結構和中心管。螺旋導流板的導流作用使得旋轉被強化，流體在進入分離器后流場穩定，抑制流體湍動，有利于流體向下做傾斜的螺旋運動，避免相鄰兩螺旋的流體相互干擾，減小摩擦阻力和壓差阻力，有效延長流體在分離器內的流動時間，更利于兩相分離，且螺旋結構較適合高溫、高壓、大流量的氣液分離[6]。由于實驗條件要求較高，以及油水分離器內部流場復雜，單純的通過實驗手段比較難以驗證這一改進是否可行，所以本文將改進后的油水分離器模型進行簡化，建立三維模型，采用CFX軟件，分析了其在分離20MPa壓縮空氣時內部兩相流場情況，對其分離性能和壓力損失進行了預測。

1 油水分離器模型

1.1 物理模型

改進后的油水分離器結構如圖1所示。分離器總長600mm，進氣口和出氣口管直徑均為36mm，外筒直徑為120mm，外筒上部縮口直徑為68mm，縮口長度108mm，排氣管下部直徑為64mm，排氣管總長384mm，螺旋導流板圈數為3圈，螺距20mm，起始角度90°。壓縮空氣從進氣口水平進入油水分離器，通過螺旋導流板的導流，形成旋轉流場向下繼續流動，液滴在該過程中受到離心力的作用被甩向器壁而被捕集，最后沿壁面流向分離器底部的排污孔，氣相則通過中心管向上運動直至排出。

研究中對模型進行了簡化，計算區域為進氣口至出氣口區域。采用Solidworks軟件進行三維模型的建立。由于模型有復雜的拓撲結構，采用ANSYS中的ICEM CFD軟件對兩種模型進行了非結構網格的劃分，在對流動影響大的區域進行了網格加密，包括進口、出口、螺旋導流板、交接面等位置。得到分離器網格如圖2所示。

圖1 新型離心分離器結構圖

圖2 新型分離器網格

1.2 邊界條件及數學模型設置

1)模擬類型：對該問題的數值模擬采用穩態分析。

2)域設置：由于空氣壓力大，為了提高計算精度，域內參考壓力設置為空氣壓力。為了簡化分析過程，只考慮分離器內的空氣和水的分離，忽略油。氣相為高壓空氣，選擇其為可壓縮空氣（Air Ideal Gas）。氣相為連續相，液相選擇粒子輸運流體（Particle Transport Fluid），為水滴。水滴的初始形態為球形，水滴粒徑按Rosin-Rammler分布函數給定。浮力參考密度設置為空氣的密度。整個域內溫度不變，選擇恒溫模型，溫度為300K。

3)數學模型設置：液滴流動采用拉格朗日方法描述，設置成顆粒輸運模型；湍流模型選擇SSG Reynolds Stress模型；液滴破碎模型選擇TAB Breakup Model[7]，參數設置成默認值。

4)邊界條件設置：入口設置速度進口，氣液兩相以相同的速度進入分離器；出口設置成開放式邊界（Opening），相對壓力為0Pa；壁面設置為無滑移邊界。

2 計算結果分析

2.1 速度場分析

進氣速度為10m/s時的氣相速度矢量圖如圖3所示；通過追蹤流場進口處一個水滴，得到其速度和切向速度在分離器中的變化如圖4所示；結合兩圖可觀察到高壓氣體進入分離器后，沿著螺旋導流板向下進行曲率較大的旋轉運動，由于受到離心力的作用，速度不斷增大，整個流場的最大速度產生在螺旋導流板的第二、三層，液滴的速度同樣增大；在進氣速度最大的位置，整個流場的切向速度也達到最大。由旋風分離器的分離理論可知，切向速度越大，粒子受到的離心效應越大，離心力大小決定了分離效果。離開螺旋導流板后，速度逐漸減小，越靠近分離器底部，速度越??；靠近分離器壁面處，流場速度很小，有利于液滴在壁面的附著和聚集。

圖3 氣相速度矢量圖

圖4 顆粒速度及切向速度變化圖

2.2 分離效率分析

1)在實驗初期，不考慮液滴破碎，取相同的進氣速度，壓力分別?。?.1MPa、1MPa、5MPa、10MPa、20MPa，結果顯示，壓力越高，分離效率越好，這一結果與熊至宜等人[8]的研究結果一致。

2)取不同的進氣速度：5m/s、10m/s、15m/s、20m/s，在20MPa工況條件下對分離器進行模擬計算，結果顯示，當進氣速度在5m/s～15m/s之間逐漸增大時，分離效率逐漸升高，在進氣速度為15m/s時，分離效率能達到89.2%；當進氣速度大于16m/s時，隨著進氣速度的提高，分離效率呈下降的趨勢，這說明雖然進氣速度增大可以使切向速度增大，增大液滴所受的離心力，但是當切向速度增大到一定程度時，小粒徑液滴隨流性會增大，大量的小液滴隨氣流排出分離器，從而降低分離效率。

3)在其他條件不變的情況下，加入液滴破碎模型，計算不同進氣速度下的分離效率，結果顯示在進氣速度小于11m/s的情況下，隨著速度的增大，分離效率呈增大趨勢；進氣速度繼續增大，分離效率逐漸減小，在進氣速度為10m/s時，分離效率達到最大值：70.3%。通過有無破碎模型的對比，驗證了液滴破碎在驗證分離效率時為必須考慮的因素，液滴的破碎，對分離效率影響顯著，是必須考慮的因素。

4)在與步驟 3)相同的工況條件下，對pg250型分離器分離效率進行數值模擬計算，研究結果顯示，pg250型分離器的最大分離效率僅為56%，明顯低于新分離器的分離效率。

2.3 分離器壓降

分離器的壓降也是評價分離器性能好壞的一項重要的指標。離心分離器的阻力損失，為流體流經它所產生的全壓降，計算分離器的進口與出口全壓之差即得分離器的壓降。考慮液滴破碎時不同速度下分離器的壓降與進氣速度關系圖如圖5所示，由該圖可以看出，隨著速度增大，分離器壓降也逐漸增大，分離器壓力損失與進氣速度幾乎成線性關系。

圖5 壓降與進氣速度的關系

3 結論

本文運用CFX軟件對一種改進型油水分離器的氣液分離過程進行數值模擬，得到了分離器內流場、壓降變化，對分離效率進行了預測，有助于提高壓壓縮空氣的潔凈度，對研究開發高效的高壓氣液分離器具有重要意義。根據模擬結果，得到以下結論：

1)針對20MPa壓縮空氣的分離，在一定進氣速度范圍內，分離器分離效率隨進氣速度的增加呈先增大后減小的趨勢：不考慮液滴破碎情況下，分離效率在進氣速度為15m/s時達到最大；考慮液滴破碎時，分離效率在進氣速度為10m/s時達到最大。

2)無論是在不考慮破碎和考慮破碎的情況下，與舊式的油水分離器相比，該新型分離器都能更好地去除壓縮氣中的液滴，分離效率高于舊式分離器分離效率。

3)考慮液滴破碎和碰壁時，該新型分離器的最大分離效率比不考慮破碎碰壁時最大分離效率要低，說明液滴在分離器內發生破碎和碰壁，會降低分離效率。

4)在相同壓力下，隨進氣速度的增大，分離器壓力損失變大，在保證分離效率的同時，應盡可能減小壓力的損耗，以免影響壓縮空氣在后續設備中的使用。

分離器的結構及尺寸會對分離效果及壓降產生影響，在后續研究中，應該重點考慮優化分離器的結構，通過不同結構參數和入口流速組合下的模擬，得到分離器工作的最優條件，為實驗及工業應用更有價值的參考依據。

[1]劉小宙.壓縮機油氣旋風分離器的研究[D].南京理工大學,2005.

[2]錢付平,陳光,章名耀.高溫高壓條件下旋風分離器分離性能的數值預測[J].工業爐窯熱工,2006：85-88.

[3]董瑞倩,孫國剛,高翠芝,等.高溫高壓旋風分離器流場模擬及性能試驗[J].中國粉體技術,2011,17(4)：1-4.

[4]周幗彥,凌祥,涂善東.螺旋片導流式分離器分離性能的數值模擬與試驗研究[J].化工學報,2004,55(11)：1821-1826.

[5]許世森,許晉源,許傳凱.溫度和壓力對旋風分離器高溫除塵性能影響的研究[J].動力工程,1997,17(2)：52-58.

[6]周幗彥,凌祥,涂善東.螺旋片導流式分離器壓力簡化計算[J].化學工程,2004,32(2)：24-28.

[7]P.J.O'Rourke,A.A.Amsden.The TAB Method for Numerical Calculation of Spray Droplet Breakup[J].SAE Technical Paper,872089,1987.

[8]熊至宜,吳小林,姬忠禮.高壓天然氣田用旋風分離器內流場的數值模擬[J].機械工程學報,2005,41(10)：193-199.