分離器入口處不同形狀擋板對內部流場影響的比較分析

王學平, 文 學, 龔 斌, 吳劍華

(沈陽化工大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110142)

液液重力沉降器具有分離效果好,能源消耗少,操作簡單,沒有二次污染的特點[1],所以被廣泛的應用于分離互不相容的兩相液體.分離器內部流場的穩定性對分離效果具有十分大的影響,分離器內部流場的理想流動狀態是穩定的層流甚至柱塞流.而從入口處進入的液體往往具有很大的動能和湍動,對內部流場造成猛烈的沖擊,容易引起分離器內部流場發生劇烈的擾動和漩渦,十分不利于液滴的沉降和聚結,因此,需要在分離器的入口處設置防沖擋板來消能和穩定流場,使防沖擋板后面分離區的流場盡量減少、減小漩渦和波動,并使流體流速在流場中的分配盡量均勻,盡量接近理想的有利于分離的層流狀態[2].而防沖擋板的形狀和大小以及與入口處的距離對內部流場穩定性的影響有著不同的效果,因此,有必要針對這些因素進行研究,以找出有利于流場穩定的配置形式.目前,防沖擋板的主要形式有板狀、碟型、離心式和孔箱式.對于液液分離器入口構件的研究,各學者對陸耀軍等[3]1995年提出的幾種觀點引用至今,但其僅通過查看單一條件下分離器內部速度矢量圖后便定位擋板作用好壞,未對其他狀況進行詳細的對比研究;而國內外其他學者都是在假定分離器內部流場穩定的條件下,研究分離效率[4-7];有的學者直接忽視湍流沖擊，將入口沖擊射流速度通過面積比換算成整個分離器截面的速度,即視進液為層流狀態，沒有充分研究對保證分離區流場流動穩定起決定作用的防沖擋板的影響.平板式和球殼式(碟式)因結構簡單,效果較好,被廣泛應用于沉降式分離器中,但目前針對球殼式(碟式)擋板及其與平板式擋板在各種配置下的比較研究較少,對于這兩種擋板在相同配置變化下對流場的不同影響未知，造成選型時的盲目性.因此本論文利用FLUENT軟件針對這兩種常用的防沖擋板變化相同的入口流速、形狀尺寸、擋板與入口距離，對分離器內部的流場速度分布、平均速度及平均湍流強度的影響進行對比分析,為分離器防沖擋板的設置和選擇提供依據.

因為分析的是對分離有很大影響的流體整體的流動狀態,而一般情況下分散相液滴相對于連續相所占的比例較少且相對于連續相為輕相,對以連續相為主的流體整體的流動性影響可以忽略不計,因此,本文采用單一介質的形式進行模擬.

近年來,一種新型的計算方法—CFD(Computational Fluid Dynamics)成為研究各種流體流動狀態的有效方法[8].CFD在構建理論和模擬流體流動的模型上可以做出準確的預測和決斷,相比于研究性實驗,它最大的優點是節省了實驗成本,只需通過操作計算機進行模擬,便可快速得到理想的結果.CFD模擬出的結果并不是來自于實際模型的結果,而是來自于數學模型的結果,雖然是在理想狀態下進行模擬,但并不會與實際情況產生特別大的偏差.集眾多優點于一身的CFD計算方法正在日益完善,在工業生產與工業設計中得到了極為廣泛的應用.

1 數值模擬

1.1 物理模型

由于只研究防沖擋板的作用,而不研究分離過程,為更好地反映防沖擋板的作用,所以簡化掉擋板后的內部分離構件等結構.本文兩個模型結構與尺寸參數如圖1所示.水槽長×寬×高=1 400 mm×400 mm×400 mm(不包括進液管和排液管長度),進液圓管建立在前壁面上,圓心高度為150 mm,直徑60 mm,溢液板高度為300 mm,進液管和排液管長度均為30 mm.流體由進液管進入分離器,由排液管流出.

1 進液圓管 2 防沖擋板 3 分離器箱體 4 溢流板 5 排液管

模擬數值設定:根據對實際分離器入口流速和對流場穩定性效果影響的顯著性的考慮,在做了多組模擬后,本文選取其中的v1=0.5 m/s、v2=1 m/s、v3=2 m/s三個沖擊射流速度,在考慮實際流速的基礎之上,具有一定的廣度.H取H1=200 mm、H2=250 mm、H3=300 mm、H4=350 mm和H5=400 mm五個沖擊間距,球殼擋板的直徑和方形擋板的邊長取Ф1=D1=80 mm、Ф2=D2=120 mm、Ф3=D3=160 mm、Ф4=D4=200 mm,用符號S表示4個防沖擋板尺寸.模擬參數組合見表1.

表1 模擬數值設定

1.2 網格無關性驗證

三維幾何模型用Gambit軟件生成,采用非結構四面體網格進行網格劃分,并對分離器前部主要研究區域進行網格加密.為保證計算精度,選取參數為v2=1 m/s、H2=250 mm、Ф3=D3=160 mm時的網格疏密程度進行6套網格考核驗證.圖2為6套不同網格尺寸在擋板沖擊區取邊長為32 mm的方形區域,計算該平面上的平均壓強.由圖2可以看出:當網格尺寸為1 mm時計算結果最高,網格尺寸小于3 mm時,擋板面上的靜壓變化不大;當網格尺寸大于3 mm時,擋板面上的壓強變化很大;綜合考慮計算精度和計算時間,選取網格尺寸3 mm對模型進行網格劃分.

圖2 網格無關性檢驗

1.3 方程求解與邊界條件

采用標準k-ε湍流模型進行模擬,湍流模型中近壁面采用標準的壁面函數;標準k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程如下:

Gk+Gh-ρε-YM;

壓力和速度的耦合采用Simple算法,壓力的離散采用Standard形式,動量、湍動能、湍動能耗散率均采用Second Order Upwind形式離散.邊界條件:進口邊界條件為速度入口,出口邊界條件為壓力出口.固壁條件:固壁上滿足無滑移條件及無剪切應力.模擬的工質為水,并假定流體不可壓縮及物性參數為常數.

2 結果與分析

2.1 采用兩種不同形狀擋板情況下分離器內流體流動狀態分析

對數十種組合條件下兩種形狀的擋板對分離器內部流場的影響情況進行分析,并選取了4種典型組合的流線云圖,如圖3～圖6所示.

圖3(a)為v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=400 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖3(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.從圖3可以看出：在大沖擊間距和大擋板尺寸的情況下,方形擋板后部靠近上下兩個壁面處出現了兩個比較對稱的較小渦流,主分離區內流體流動比較穩定,而球殼形擋板附近動能分布很不均勻，明顯的上面偏大，因此主分離區上部出現了一個短路流，后部則出現了一個比較大的渦,雖然在此模型中采用球殼形擋板由于動能消耗較大，因此流場速度較小,但是從流體流動狀態上看,采用方形擋板的流場分布更均勻,所以在此狀態下方形擋板的穩流效果要比球殼形擋板好些.

圖4(a)為v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=200 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖4(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態為小沖擊間距和大擋板尺寸,從圖4可以看到,小沖擊間距下流體沖擊擋板后來不及形成渦就向擋板四周擴散,擴散過程中原始流體的動量傳遞給周圍液體,自身的速度快速衰減掉,因此擋板前部的渦量很少,發展也不充分,縮小了沖擊間距后,球殼形擋板后部的渦流不再明顯,與圖3(b)形成鮮明對比. 在此條件下x=500 mm截面的兩幅圖中可以看到,圖4(a)中有兩個明顯渦流,而圖4(b)中的流體流動狀態比較平穩,可以說明在此條件下,球殼形擋板的穩流效果要比方形擋板好些.

圖3 v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=400 mm條件下分離器內部流場的流線云圖

圖4 v=2 m/s,Ф=D=200 mm,H=200 mm條件下分離器內部流場的流線云圖

圖5(a)為v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=400 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖5(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態為大沖擊間距和小擋板尺寸,與圖3(a)、圖3(b)相比較只有擋板的尺寸不同, 從圖5可以看出：沖擊距離的增大使得擋板前部的回流得以充分發展,形成反向渦的尺度呈增大趨勢,擋板縮小以后,分離器內部流場明顯紊亂許多,兩幅圖中顯示的流場狀態十分相似,可見在此狀態下無論是采用方形板還是球殼形擋板,效果都差不多.

圖6 v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=200 mm條件下分離器內部流場的流線云圖

圖6(a)為v=2 m/s,Ф=D=80 mm,H=200 mm條件下采用方形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖;圖6(b)為該條件下采用球殼形擋板的分離器前中軸線縱向截面(左)和x=500 mm處截面(右)的流場流線云圖.此種狀態為小沖擊間距和小擋板尺寸,與圖5(a)、圖5(b)相比較只有沖擊間距不同,從圖6可以看出：沖擊間距縮小后,分離器內部流體流動的狀態平穩許多,而且在此狀態下無論是方形擋板還是球殼形擋板,對流場的穩定效果也是十分相似；但球殼形擋板較方形擋板的流體在橫截面上的分布較不均勻，但分離區的流速相對小一些.

圖3～圖6擋板前的流場分布基本符合沖擊射流特征.流體沖擊流體到達防沖擋板附近時射流經歷了顯著的彎曲，存在很大的壓力和速度梯度的.流體在沖擊擋板前后形成不同大小和數量渦旋的環形回流區.環形回流區現象已由Fitzgerald[9]通過激光多普勒測速實驗方法和焦磊[10]利用標準k-ε模型數值模擬方法驗證.Sungsu Lee[11]在沖擊射流中應用統計理論證實了普朗特湍流理論的施里赫延解，利用頻閃觀測法觀測到了擬序結構的渦旋結構.無論是方形平面擋板還是球殼形擋板，在沖擊間距較小時，擋板前部的環形回流區發展不充分，渦流尺度較小，而環形回流區后上方的順時針渦流尺度較大，中軸線下方的逆時針渦流因受分離器底部的限制，渦流尺度較小[12]；而且渦旋基本在中軸線上下對稱分布.隨著沖擊間距H的增大，沖擊射流兩側的環形回流區渦流尺度不斷變大，中軸線上方環形回流區的中心向后上方移動，環形回流區的增大會卷吸周圍更多的流體[13]，使流場湍動范圍增加，應當減小沖擊間距來抑制回流區的發展.在分離區，方形板后的流場的流速比球殼形擋板的普遍要高，特別是在大的沖擊間距的情況下，要大得多.

2.2 兩種擋板對分離器內部流場影響的定量分析

圖7(c)、圖7(d)中的模型采用了較大的擋板,可以看到在采用較大擋板的情況下,球殼形擋板的穩流效果明顯比方形擋板好很多,而且入射速度越大,兩者的差距越明顯.這兩幅圖中均有“拐點”的出現,如圖7(c)中球殼形擋板在v=2 m/s,H=300 mm比H=400 mm時的平均速度和平均湍流強度都要高,而圖7(d)中還是球殼形擋板在v=2 m/s,H=300 mm時的平均速度和平均湍流強度卻達到了最低,可見,對球殼形擋板做更為深入的單一性研究也是非常有必要的,因為隨著條件的改變,會有“拐點”的出現,因此可以通過實驗測量或數值模擬等方法確定出“拐點”,結合流動狀態分析及速度、湍流強度衰減情況,最終確定出分離器防沖擋板的最佳尺寸S和沖擊間距H,亦可在擋板后加裝穩流構件等,進一步約束流體流動路徑,降低流體速度和湍流強度,提高分離效率.

圖7 兩種防沖擋板在各種相同狀態下橫截面x=500 mm上的平均速度和平均湍流強度

3 結 論

(1) 在大沖擊間距和大擋板尺寸的情況下，方形擋板后部靠近上下兩個壁面處出現了兩個較對稱的小渦，而球殼形擋板區域由于動能分別很不均勻，后部主分離區處出現了一個比較大的渦，造成流體流動較不穩定，在此狀態下方形擋板的穩流效果要比球殼形擋板要好.

(2) 縮小了沖擊間距后，球殼形擋板后的渦流較小，穩流效果要比方形平板好些.大沖擊間距和小擋板尺寸下，由于擋板和槽體的壁面效應減小，空間加大，渦得到充分發展，無論是采用方形板還是球殼形擋板，分離器內部流場明顯紊亂許多.在大間距情況下，分離區的流速在球殼形擋板后要比方形板后大很多.

(3) 小沖擊間距和小擋板尺寸情況下，由于渦的發展受到抑制，分離器內部流體流動的狀態會平穩許多；由于擋板的形狀影響較小，此狀態下無論是方形板還是球殼形擋板，對流場的穩定效果也是十分相似，但球殼形擋板的流場分布較方形板的較均勻.

(4) 在以上所有相同狀態下，采用球殼形擋板的模型都要比采用方形平板的模型擁有更小的平均速度和平均湍流強度，說明采用球殼形擋板，分離區的流速分布較均勻而且較平穩，應當盡量選用球殼形擋板進行工業生產.