流固耦合方法對氣攜旋流分離的數值模擬

李 鑫，魏燕杰，李國一

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，水路交通環境保護技術通行業重點實驗室，天津300456）

1 引言

在港區壓載、洗艙含油污水處理回收裝置中，氣攜式液液旋流器是工藝流程中預處理工段的核心設備，擔負著將油污分層回收的功能。該裝置集氣浮罐和液液旋流器兩種分離設備的優點于一體，其油水分離效率可達90%以上，且占地面積小，同時也是未來港區含油污水處理工藝小型化、船載化發展方向重點研發的裝備［1，2］。氣攜式液液旋流器不是將氣浮罐和旋流器的構型和功能簡單地疊加，而是要從根本上進行全新的構型設計，以實現氣、液、油三相間的分離，該設備的詳細構型圖如圖1所示［3］。其中注氣腔與旋流器大椎段之間的微孔旋流管（套筒）是該設備最核心的部件，空壓機進氣通過該部件的微孔進入旋流器錐段，實現氣浮功能，同時利用注氣腔內一定的正壓，確保錐段內油污水正常旋流分離，不流出到注氣腔形成倒灌［4，5］。微孔旋流套筒的構型設計和微孔孔徑參數，對設備整體分離效率、處理性能有決定性影響，是工程技術人員研發的重點。

圖1 典型氣攜式液液旋流器結構

利用數值模擬分析，如CFD軟件Fluent建立各介質在分離設備的場中分布和運動軌跡，分析各個構型參數和水利條件對分離效率的影響，優選構形參數，是近年來化工傳質分離設備工程設計的一種趨勢［6］。CFD模擬離散相在流場中的傳質分離計算，工程上一般采用一維計算方法，且采用經驗公式給定諸多參數［7］。油水兩相旋流分離的數值模擬，流涉、水油兩相相互作用、油滴間相互作用及油滴流動的隨機性等的行為，多采用歐拉—拉格朗日方法，該方法在Fluent中表現為對旋流器內的離散相進行模擬［8］。氣攜式液液旋流器由于其引入了氣浮相，旋流器內流場結構呈現三維不對稱性，由于氣體上升流動較為復雜，還伴有氣泡破裂吸納油滴的過程，所以采用傳統的計算方法無法準確預測上述復雜過程。近年來，隨著計算流體力學和數值傳質分離學的發展，將二者結合起來進行一體化求解的耦合計算方法為多相間的傳質分離問題的解決開辟了新的方向，并且已經得到了良好的應用［9］。

本文擬將這種方法應用到氣攜式液液分離器微孔旋流套筒內的多離散相分析中，對整個套筒構型進行模擬研究，其中考慮了固體壁面作用，以及流場內部和油水傳質過程。由于油滴粒徑較小、濃度低，水相流場與油滴運動是相互影響的，因此在計算中只需給定整個計算域外邊界的邊界條件。同時對油滴采用相間耦合隨機軌道模式進行預測，考慮油滴運動與水體湍流的相互作用，利用油滴的運動軌跡來計算整體分離效率［10］。該類方法基于傳統經驗公式，且各相間計算不再孤立進行，流場與固壁的模擬整合為耦合求解，能更精確地反映流場特性，是目前最流行的模擬方法。

2 研究設備參數和模型描述

2.1 工藝流程描述

本實驗所采用的輕質分散相液液分離的氣攜式液液水力旋流器，它將旋流與氣浮原理結合起來，克服了常規旋流器液滴易破碎和小油滴去除效果差的缺點。它的構型主要包括一個小錐段、一個帶有微孔的旋流套筒和注氣腔，并通過旋流腔入口墊板和旋流腔上蓋板將三者聯合形成密閉空間。通過螺栓、法蘭以及密封墊片構建的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個腔體室，原水腔、注氣腔之間開有2個平行的切向入口，油污水從此進入設備。油污水在旋流管內形成高速旋轉的渦流，油水之間密度有差從而在離心力作用下，密度較小的油滴分散相向內運動，形成泊核，并最終螺旋向上通過溢流出水管排出。而水體密度較大且是連續相，逐漸在外側向下運動，由底流出水管排出。同時空壓機將壓縮氣體注入注氣室，并經過旋流管壁上的微孔進入旋流管內形成微氣泡，它們可以攜帶細小油滴發生氣浮作用，有效去除油滴，提高分離效率。

2.2 旋流器構形參數

實驗所用的旋流器，微孔旋流管（即核心部件，圖1中部件20）由具有特殊微孔結構的微孔管加工而成，微孔管是標準型號制品，由聚乙烯粉末燒結加工而成。微孔管在注氣后可產生大量均勻細小的氣泡，從而起到氣浮效果。按工程經驗，實驗設備采用的微孔直徑范圍在5～10μm之間，大錐角α為20°，小錐段錐角θ為1.5°時，油水分離效果最佳［11］。

2.3 模型和邊界條件

由于旋流器結構復雜，某些局部細節在不影響計算結果的前提下為計算方便需進行適當簡化，如法蘭端面密封圈突出部；旋流器流場網格布設模型盡量簡化，分為大錐段、小錐段、注氣腔、溢流口、出水口等多個圓柱（圓錐）體；為了保證網格生成的質量，在保證流量相等的前提下壓縮空氣入口由圓型改為方形便于計算。對流動變化大的局部區域進行適當加密，以保證計算精度。分別對流體區，不同介質所對應的固體區生成各自的體網格，整個網格以六面體網格為主。網格數量約為100萬個。劃分后的網格如圖2所示。

計算中認為流體在旋流器中的流動是三維不可壓的粘性湍流流動，湍流模型選用標準模型。求解方法為“Simple－C”方法，計算采用CFD常用Fluent計算軟件完成。計算中主要考慮了液液傳質分離和氣液分壓平衡兩種物理分離形式，并耦合嵌入“ω－β”模型，以體現氣泡將油滴顆粒化并上升帶走這一過程。“ω－β”湍流模型是CFD軟件中一種標準模型，它比標準模型修正了湍動黏度，考慮了平均流動中的旋轉及旋轉流動，很適合處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動。它的邊界條件設定如下。

圖2 流場網格外觀和截面

進口邊界：采用速度入口，根據已知流量以及入口直徑，直接得到氣相入口速度，其余相應的湍流參數一并計算得出。根據油滴循環量確定固相油滴濃度，其入口速度具體操作參數為：兩側入口流速為5m/s，軸向入口流速為2.5m/s。

出口邊界：出口按照湍流流動充分發展處理，采用自由出流“outflow”。

固壁邊界：壁面為無滑移邊界條件，選定默認壁面粗糙度，其值為0.5。采用標準壁面函數法處理邊界湍流。設定旋流器最外層壁面為絕熱壁。水—油、氣—水兩個接觸壁面，均勾選“Coupled”耦合壁面邊界條件。設計水溫為15℃，氣體溫度為25℃，壓力1.0MPa.G，水力停留時間為可調參數，將外邊界設置為等溫壁。為節省計算時間，可以先求解流動初場，此時的水—油壁面設置為絕熱壁。當計算達到初步收斂時，加入氣—水耦合壁面，最終達到收斂。這樣做的好處是在計算網格量很大的情況下，能夠提高計算效率。如果開始就加入氣—水耦合求解，需要更加長的時間才能達到收斂，計算效率會明顯降低。

3 模型計算結果分析

3.1 結算結果分析

圖3給出了數值計算迭代的步數與殘差的關系和旋流器內流體跡線圖。在設定各個相關參數，殘差數量級為10－3時，程序計算到500步，質量流率的監控曲線已趨近平衡，說明收斂。一般而言各個參量的殘差隨著迭代步數的增加逐漸減小，且變化曲線光滑，即可認為模型的選擇和初始操作參數設置合理。迭代收斂的步數還與殘差等級精度有關，但主要的評判標準是看進出口液體質量流率是否趨于穩定。

模型中液體在旋流器內是以螺旋流形式運動，且從固壁向中心形成兩種運動方向相反的螺旋線。外部液體向下流向底流口形成外旋流，內部液體向上流向溢流口形成內旋流，實現旋流分離。油相液滴與連續相液體介質在給定速度時由環向入口勻速進入旋流器，油水兩相的密度差，決定了在離心力作用下較輕的油相向旋流器中心移動，在軸線附近形成分散相的核心，并向上從溢流口排出。

圖3 殘差監視曲線和旋流器內流體軌線

3.2 油相濃度分布

圖4 為水力旋流器內部沿軸向縱斷面的油滴等濃度分布圖（以分流比F＝10%為例），在已有模型下進行預測處理，當油水混合液由入口進入旋流器后可以在其內部實現分離。初始階段在器壁附近油相濃度幾乎為零，隨著向中心移動油相濃度逐漸增高，在溢流口附近和大小錐段中心處油相濃度最大。在底流出口處，油相體積濃度減至0.1%～0.3%左右，分離率85%。此外錐段下部靠近底流口處的跡線形狀基本呈直線流束，可說明底流口附近區域基本無螺旋流存在，也說明底流口處沒有分離作用。將分流比操作參數加大，底流口附近的直線流束起始點隨之逐漸遠離底流口，因此表明旋流器的油水分離主要是在旋流腔、大錐段和小錐段實現，這符合旋流分離理論分析。當流體進入大錐段加速后，由于流速急劇增大，使流體形成高速旋轉的螺旋流并產生較高的離心力，分散油相在離心力的作用下分離出來聚集到中心處，形成油芯并反向流向溢流低壓區，進而從溢流口排出。

圖4 縱斷面油相等濃度分布

此外在分流比為F＝6%、F＝10%、F＝15%條件下，旋流器縱斷面油相濃度分布得出的分流比，它對分離效率的影響很大。當F＝10%時，分離效果最好，底流含油體積分數可降至0.5%以下，分離效率在85%以上，實際工業用旋流器分流比也大致在10%～12%這一區間，也側面證實了這一觀點。F＝6%時，分離效果不錯，但由于分流比過小，油滴大部分都從底流流出，使底流含油濃度加大。F＝15%時，分離效果不好，由于加大了分流比，旋流器內部的流場發生了變化，此時流體的跡線在接近小錐段尾部時幾乎不再成螺旋形，故而效果較差。

4 速度場分布特性

4.1 切向速度流場分布

在速度場方面，對于切向速度、軸向速度和徑向速度三個速度分量，切向速度是它們最重要的單獨分量，它表明油滴受離心力大小，且它的實際測量參數在三個分量中最大。因為它容易測定，經多長期研究，多數學者認為切向速度場可以分為內部的準強制渦和外部的準自由渦。本次模擬實驗中就是要將旋流器內的雙渦結構表現出來，即中心處的強制渦和外部的自由渦。

圖5中切向速度在徑向方向上先增大后減小，然后速度反向增大又減至零。同時壁面處速度不為零，這與假定的邊界與固壁條件相符。分析大錐段A（Z＝0.01m）和小錐段B（Z＝0.04m）處截面的切向速度矢量圖，看出各個截面的切向速度分布大體相似，隨著流體向下流動切向速度的數值不斷衰減，沿徑向的讀數也有相同規律，都可表明中心處的強制渦和外部自由渦的存在，以及反向速度證明了內螺旋流的存在。

4.2 軸向速度場

軸向速度場分兩部分，即占主要趨勢的走向溢流的內旋流，以及走向底流的外旋流，它內部存在一個零軸向速度包絡面。該包絡面將流場分成內、外兩個旋流區。外旋流區軸向速度指向底流，在旋流器器壁附近軸向速度達到最大值，隨著半徑減小軸向速度亦減小，這一區域的流體邊旋轉邊向底流流動，最終從底流口排出。圖6是x＝0面的軸向速度矢量圖，圖中可以看到內、外兩個旋流區，曲線清晰地反映出了油水分離情況。

4.3 徑向速度場

圖5 截面切向速度曲線

圖6 截面軸向速度曲線

圖7 截面徑向速度曲線

在水力旋流器內部速度場中的徑向速度是三個速度分量中數量級最小，常見的LDA系統無法實現對徑向速度的直接測量，故而它較難測定。徑向速度影響被分離介質徑向遷移，對旋流器內徑向速度分布規律具有重要意義。

本實驗的徑向速度結果在圖7中表示，可以看出分散相油滴沿徑向的滑移速度指向中心，由器壁向中心處逐漸增大，最大滑移速度出現在距離中心1cm左右，此處離心加速度最大。這是由于離心分離過程導致油水兩相的徑向速度差異。而圖中在中心處滑移速度幾乎為零，這是因為在中心處油滴集合成油芯，基本上不存在相對滑移速度。

5 結論

從以上的模擬分析我們可以得出這樣的認識：原型機對油水兩相的分離效果最高可達85%以上，進一步提高其分離效率主要是看微孔注氣的氣浮作用。如果對原型機進行注氣，由于空氣密度為油、氣、水三相中最小，因此當氣體會有相當一部分進入旋流器的核心處，最終由溢流口排出，如果注氣量及氣泡的粒徑大小適當，會更好地攜帶油滴并加速油滴的運移過程，同時也將更多的油滴帶入核心處。但如果注氣量過大或氣泡粒徑過大，它向中心運移的速度會明顯加快，其攜帶油滴的能力也會受到影響，并且許多個這樣的氣泡會占據旋流器核心的大部分空間，不利于油從溢流口的排出。

實驗證實在設計氣攜式液液旋流器時，在旋流器入口處注入一定的氣體，并將溢流管直徑加大；在單體旋流器錐段開注氣口，并將溢流管直徑加大；旋流腔用微孔材料代替剛性管，并加上鋼套使此處形成環形腔，加大溢流管直徑三種方式，提升旋流器油水分離效果。同時旋流器的操作參數，分流比在10%～12%區間，將獲得較好的油水分離效果，且注氣量不宜過大，微孔的孔徑也需要較為合適才可以形成較好的氣浮分離效果。

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