葉片型空穴射流清洗器結構的數值模擬研究

郭玉婷,郝惠娣,吳煜斌，張　潤，張雅婷

(1.西北大學 化工學院, 陜西 西安　710069; 2.西北大學 地質學系，陜西 西安　710069;3.吉林石油工程建設管理有限公司，吉林 松原　138000)

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·化學與化學工程·

葉片型空穴射流清洗器結構的數值模擬研究

郭玉婷1,郝惠娣1,吳煜斌1，張潤2，張雅婷3

(1.西北大學 化工學院, 陜西 西安710069; 2.西北大學 地質學系，陜西 西安710069;3.吉林石油工程建設管理有限公司，吉林 松原138000)

根據現有的數學模型與工業參數對葉片張開型清洗器進行結構設計,通過使用 CFX軟件對該清洗器進行流場的模擬計算,對速度場和壓力場進行分析,綜合比較、探究了不同結構參數,即葉片的最優組數,葉片組間的最優距離,以及葉片與管壁的最佳距離,對空化效果的影響。結果證實葉片的最優組數為2組,得到了組距與葉片垂直高度的最佳比,并發現葉片與管壁的間距越小,負壓越明顯。對葉片空穴射流清洗器的結構進行了優化。

葉片型空穴射流清洗器;結構參數;數值模擬

空穴現象的產生原因是在液體中,由于某點壓力低于空氣分離壓,從而產生負壓區,使得溶于液體中的氣體脫離出來,產生氣泡。當氣泡流到壓力較高的部位與物體表面發生碰撞時會立即潰滅,使體積突然減小而形成真空,周圍流體迅速流過來補充。空化空泡的破裂后,破裂點附近發生劇烈擾動,在極短的時間內,局部流體會產生大幅度的激波和微射流,并產生很高的應力集中,由于大量的空泡破裂產生的壓力重復作用會導致局部壁面疲勞失效和表面材料的分離和剝落。

目前在原油等輸送管道中,結垢是一個普遍情況,常規的清洗方法難以清除,經常需要更換堵塞管線,給生產造成很大損失。空穴射流清洗是作為一種高效清潔的新技術,何治武、楊全安等人對長慶油田輸油管線進行的7次清垢的管線統計中,證實了其清垢過程具有安全、徹底、高效、環保等特點,適合推廣應用到對油田管線的清垢處理[1]。李曉東、李勃、趙軍強設計了一種新型可變徑空穴射流清洗器,除垢率達到 98% 以上[2]。姜艷威等人自主設計了葉片型空穴射流清洗器,參考工業結構,通過模擬得出入口壓力越高空化效果越劇烈,但是對清洗器具體結構以及影響都沒有深入研究[3]。空穴射流清洗器的應用前景十分廣泛,相比其他清洗技術更加安全和高效。對比如表1所示。本文對空穴射流清洗器的結構進行研究模擬,從而達到優化的目的。

表1空穴射流清洗技術與其他技術參數對比

Tab.1Cavitation cleaning technology and other technology in the long-distance pipeline when the parameters of the contrast

1　數值模擬

1.1數學依據

假設一個半徑為R(t)的球形空泡,液體密度ρL為常量,動力黏度恒定且均勻,空泡內容物是均質的,并且空泡內部的溫度和壓力pB總是均一的。當不考慮通過交界面的質量傳輸時,單位面積上的合力為0。得到廣義的空泡動力學Rayleigh-Plesset方程為

式中：S為表面張力。

對于不可壓縮的牛頓懸浮流體,連續性方程為

只要不是在均勻定常的流束中,任何運動的粒子都會受到流體加速的作用,采用位于粒子中心的加速度坐標系,得到非定常勢能流動的Navier-Stokes方程為

式中：壓力P與實際壓力p之間的關系為

1.2工業操作

葉片型空穴射流清洗器的工業理想化結構如圖1所示。

圖1　空穴射流管道清洗裝置Fig.1　Cavitation jet pipe cleaning device

注水時清洗器在水流作用下高速旋轉并隨管道前進(0.4～1.2m/s),高速流動的液體在通過葉片間隙(10～15m/s)時速度陡升,裝置前后產生壓力差,引起高頻的劇烈震蕩,和疊加震蕩激勵,急速旋轉的渦流和低壓區發生在清洗裝置周圍。清洗裝置向前移動,低壓區跟著向前移動，低壓區發生汽化,產生的汽泡,在水流高壓的推進下,又迅速破裂,產生沖擊波,擊碎污垢,并送至其前8～10m處。液體運轉速度比清洗器快1.5～2倍,所以沉積物通常在設備運行過來之前已經排出,而不至于發生堵塞。

1.3邊界條件

工作流體入口以均勻的速度為入口邊界,以給定靜壓出口壓力為出口邊界,由于不研究推進過程，固簡化使清洗器只發生旋轉但不向前移動,固壁邊界無滑移速度,平整堅實的壁面, 標準k-ε湍流模型。

1.4物料性質

清洗原料為水,通過高壓噴射到達葉片,其中:進料溫度25℃;進口速度15m/s均勻速度邊界;出口壓力0.1MPa。

1.5計算模型及網格劃分

利用SolidWorks軟件進行繪圖,參考工業用清洗器的幾何結構,葉片結構為傘狀,兩兩交錯疊加在一起,尺寸如圖2所示。葉片間隙尺寸為0.8mm,再由中心桿件連接而成。中心桿件、橡膠片及彈簧結構與研究相關性不大,所以簡化處理為圓柱桿件。

圖2　葉片結構(mm)Fig.2　blade structure (mm)

后導入ANSYS軟件,模擬管道液體填充,如圖3所示。利用CFX進行模擬,基于有限元的有限體積法,采用mesh里的非結構四面體對網格進行劃分,如圖4。對該葉片及域交界面的網格劃分進行了加密處理,提高其精度,從而達到收斂。

圖3　管內三維模型Fig.3　Tube 3d model

圖4　網格劃分Fig.4　Meshing

2　結果分析

2.1葉片的組數對空穴射流清洗器性能的影響

工業上的空穴射流清洗器通常選擇以2組葉片為單位,現對不同葉片組數的清洗情況進行模擬,保持進口速度、操作參數和邊界條件不變,清洗器的其他部件相對位置及尺寸不變,管徑為84mm,葉片組間距離為50mm,改變組數,分別為1組,2組,3組,對其進行模擬。

圖5　1,2,3組葉片的壓力云圖(左為2組) Fig.5　1, 2, 3 groups of blade pressure cloud group (left is 2 group)

圖6　壓力曲線(對應長度如圖5)Fig.6　Pressure curve (corresponding length as shown in figure 5)

不同葉片組數的模擬壓力云圖如圖5所示,可以看出,液體在到達葉片前由于受到阻力壓力升高,通過葉片后壓力急劇降低,并在前方形成低壓區。2組葉片清洗器和3組葉片清洗器都在最后一組葉片處壓降達到最低值,且都發生在葉尾。

圖6為沿z軸方向距離壁面1mm處的壓力曲線。可以看到,葉片組數越多,初始壓強越大,隨后逐級降低。1組葉片清洗器的液體流過葉片后,壓力降低但并沒有達到負壓。2組和3組都能形成負壓,而2組葉片達到的壓強最低點要低于3組葉片,負壓的加強直接提高了空化強度。所以，兩組葉片組是空穴射流清洗器的最佳選擇,這與實際工業應用情況相符。

2.2葉片組間的距離對空穴射流清洗器性能的影響

通過模擬,證實葉片組數為2時葉片邊緣產生的負壓比較顯著,現以2組葉片為研究對象,保持進口速度、操作參數和邊界條件不變,其他部件相對位置及尺寸不變,管徑為84mm,改變2組葉片間的組間距離L,分別對L為20,30,40,50,60mm對反應器的性能的影響進行模擬。由于負壓作用發生在第二個葉片處,所以，選取近壁面第二個葉片段的速度值和壓力值,得到圖7所示曲線。

圖7　速度曲線 Fig.7　speed curve

圖8　壓力曲線Fig.8　Pressure curve

可以看出,除了葉片組間距離為20mm時速度曲線呈現波動上升外,30mm及以上的葉片組間距,液體流速都是在經由第二個葉片的葉尾處達到峰值,然后緩慢降低。組距達到40mm時流速最高,之后緩慢回落,整體趨勢相同。

圖8所示的壓降曲線可以看到,不同組間距的變化趨勢比較一致，均為先降低后升高至平緩,可見壓降的變化原因與液體流速并沒有直接線性關系。流體流經葉片,要穿過縫隙,通道突然變窄導致速度提高,振動與渦流使壓降迅速降低,形成負壓區,在葉尾處壓強達到最低值,之后壓強逐漸上升達到穩定負壓值段。

比較不同的葉片組件距離,可以看出,隨著距離的增加,曲線逐漸下移,葉尾處的壓降逐漸降低,在L為50mm時達到最低值。距離繼續增加,達到L為60mm時壓強最低點并沒有繼續降低,且出現回升和偏移。

設計采用的葉片型空穴射流清洗器葉片垂直高度h為52mm,葉片組距離L為50mm時達到的負壓峰值最低,負壓范圍最大,分離的氣泡越多,氣泡潰滅產生的沖擊越強,從而達到最佳的清洗管道的效果。L為50mm是清洗器達到最低壓降的最佳葉片組間距離,此時組距與葉片垂直高度之比約為L/h=1。

2.3葉片與管壁的距離對空穴射流清洗器性能的影響

研究葉片與管壁的距離對空穴射流清洗器性能的影響。保持進口速度、操作參數、邊界條件不變,葉片組數為2,葉片組間距離為50mm。為探究葉片與管壁的距離,令葉片長度、傾斜角、底面圓周直徑d為80mm保持不變,只改變管徑的大小,分別對管徑D為82,84,86，88mm 進行模擬。選取近壁面第2個葉片段的壓力值,得到圖9所示曲線。

圖9　不同管徑的壓力曲線Fig.9　Different pipe diameter of pressure curve

由圖中可以看出,隨著管徑的減小,葉片與管壁的距離縮小,負壓區負壓峰值也逐漸降低,在管徑D達到82mm時,壓降驟然降低,降幅劇烈,此時葉片與管壁的距離為2mm。由分析可知,壓降越低,空化越強烈,此時的葉壁距離與管徑之比為2/82≈0.024。但是，存在離管壁距離過短導致空泡尚未發展就潰滅的情況,影響空蝕效果,具體還要結合實際情況分析。

3　結　論

1)通過比較,證實了兩組葉片組的產生的負壓值最低,是空穴射流清洗器的最佳選擇,與實際工業應用情況相符。

2)葉片組件距離對壓降有影響,以2組葉片組為實驗對象,在L為50mm時壓降達到最低值。 負壓區越大,空化效果相對越好,此時組距與葉片垂直高度之比約為L/h=1。

3)葉片與管壁的距離對空穴射流清洗器性能也有很重要的影響,距離越近,負壓區峰值越低,葉壁距離與管徑之比約為0.024時,降低效果最明顯,但具體空化效果還需要結合實際。

本文探究了模擬管道內宏觀壓降的變化情況,對于空泡的震蕩以及破裂和微射流等微觀情況和變化還需要進一步深入研究。

[1]何治武, 楊全安, 李應軍, 等. 水力空穴射流在油田輸油管線清垢中的應用[J]. 當代化工, 2011, 40(10): 1051-1053.

[2]李曉東, 李勃, 趙軍強. 空穴射流清洗技術在油田除垢中的應用研究[N]. 科技創新導報, 2009(26):106-108.

[3]孫紅鐿, 姜艷威, 呂端劍. 空穴射流清洗技術應用及流場數值模擬研究[J]. 哈爾濱商業大學學報(自然科學版), 2012, 28(6): 735-738.

[4]布倫南.空化與空泡動力學[M].王勇，潘中永，譯.鎮江:江蘇大學出版社, 2013.

(編輯陳鐿文)

The numerical simulation research of the structure of blade cavitation jet cleaner

GUO Yu-ting1, HAO Hui-di1, WU Yu-bin1, ZHANG Run2，ZHANG Ya-ting3

(1.College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi′an 710069，China；2.Department of Geology, Northwest University, Xi′an 710069, China；3.Jilin Oil Field Engineering Construction Spervision Co., LTD, Songyuan 138000, China)

The blade open type cleaner is structural designed on the basis of the existing mathematical model and industry parameters, and the influence of different structural parameters to the cavitation effect is well studies and contrasted, namely the optimal number of the blade groups, the optimal interval between every two groups of them, and the optimal distance between them and the pipe wall, through the simulated calculation of flow field of the cleaner by CFX software and the analysis of velocity field and pressure field. The results confirm that the optimal number of the blade group is 2, help conclude the best ratio of the group interval and blade vertical height, and show a more obvious negative pressure when the distance between the blades and the tube is smaller. The structure of the blade cavitation jet cleaner is optimized after the reaches.

blade cavitation jet cleaner; structural parameters; numerical simulation

2015-03-11

陜西省科技廳工業攻關基金資助項目(2011K10-21)；陜西省教育廳專項基金資助項目(11JK0619)

郭玉婷，女，陜西西安人，從事化學工程研究。

TE973

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-04-012