基于RSM 模型的油-水旋流器單相流場特性模擬研究

艾賢明，華衛星，張起欣，李 江，管金發，周 毅

（1.中國航空油料西北公司，西安710082；2.陸軍勤務學院 油料系，重慶401311）①

旋流器是油水分離的主要設備，旋流器內流場的流動屬于強湍流運動［1］。目前，對湍流的理論研究還不能和層流相比，只能通過模型假設來對旋流器的流場進行預測［2-4］。為了確定粒子在旋流器內的運動軌跡，探明速度、壓力等流場特征，本文采用RSM 模型，對油-水旋流器的單相流流場的特征進行模擬研究。

1 模型的建立

1.1 網格劃分

網格質量的好壞直接影響數值模擬的準確性，得到高質量網格的原則為：網格單元的穩定性好，即在三維空間里，六面體的數量和質量較高；網格的正交性好且較為光滑；在湍流度強、雷諾數高的地方要有充分的網格點，避免出現漏選的情況發生［5-8］。

采用前處理軟件Gambit對旋流器模型進行網格劃分。網格的劃分決定了計算的精度，分別對0.1、0.5和1.0等不同網格尺度進行嘗試，最終得到了一個合適的模型。該模型包括353 421 個節點、988 612個網格和2 114 010個面，如圖1所示。

圖1 旋流器網格劃分

1.2 初始邊界條件

通過設置初始邊界條件，與選用的模型相結合，可以使方程組成為定解問題。初始邊界條件的設置要盡量與實際情況相關，尤其是在這種復雜的流動情況下，要求更加嚴格。本文采用時均方程，只需對邊界條件進行設置，通過改變邊界條件，可以得到不同情況下的模擬結果，相比試驗而言，具有方便、高效的優點。旋流器初始邊界條件主要有入口、出口和壁面等［9-11］。

1.2.1 入口邊界條件

旋流器入口采用速度入口邊界，來流流體為標準狀態下的水，假設入口處的湍流已經充分發展，入口處湍流強度設為5%，按式（1）計算［12-14］。

式中：I為入口湍流強度；u′為湍流脈動速度；u 為平均流速；ReDH為管流雷諾數。

由于來液流動方向與進口邊界垂直，采用速度入口。

式中：k為紊流脈動動能；ε為紊流脈動動能的耗散率；Cμ為黏性系數；lm為水力直徑。

1.2.2 出口邊界條件

假設流體在出口處湍流已達充分發展狀態，出口邊界選用壓力出口邊界，采用第二邊界條件為0，作為出口邊界條件［15］。

式中：ur為流體線速度；uθ為流體角速度；uz為流體軸速度。

出口的邊界條件一般由于與外界大氣直接相通，可以作為自由出流條件來進行計算。

1.2.3 近壁面條件設置

1.3 模型假設

通過對數學模型的分析和物理模型的選擇，進行以下假設：①水相為連續穩定的，不存在任何密度和狀態的變化；②油相為均勻分布的球狀顆粒，可以受到離心力作用，沒有發生團聚、破碎和乳化的現象；③分離過程中外界的溫度不變；④分離過程中，

湍流是一種黏性有旋流動，在壁面上切向速度為0，液體與壁面無滑移；在法線方向上，液體速度都為0。尤其在近壁面根據邊界層理論，由于黏性力的作用，對于本文所選的水，設定為無滑移條件，壁面邊界條件為［16］：各組分的尺寸沒有發生變化。

1.4 模擬過程及分析

選擇雷諾應力模型進行模擬，在邊界條件設置好的情況下，殘差數量級設為10-6，經過1 800步的迭代，方程收斂。殘差收斂過程如圖2所示。

由圖2可知，各個參數隨著迭代次數的不斷增加，殘差也不斷減小，并且下降曲線也比較平滑，證明了模擬過程較為合理，能反映真實的流動情況。

圖2 殘差收斂過程

為了增加模擬結果的直觀和分析的方便性，分別取溢流段、圓柱段、大椎段、小錐段和底流段上的截面作為分析對象，如圖3所示。

圖3 旋流器的數據采集截面

2 單相流流場模擬

2.1 流場的運動軌跡

旋流器的內流場的運動軌跡如圖4所示。

從圖4可知，在旋流器內的流場中，隨著流體的流動，產生旋轉流，并在旋轉力場的作用下，自動地分為內外2個螺旋，外螺旋方向向下，內螺旋方向向上；大部分的流體都從外螺旋中經底流口流出，只有少部分的流體從內螺旋經溢流口流出。

圖4 旋流器內流場流線云圖

2.2 速度場特征

以上述旋流器作為模擬對象，設置入口速度為17 m／s，旋流器中x=0和z=0.005截面上的速度矢量如圖5～6所示。

圖5 x=0和z=0.005截面上的速度矢量云圖

圖6 旋流器的三維速度矢量云圖

從圖5中可以看出，因為單入口造成的不對稱性，在流場中不同區域的流動也不同，特別是在圓柱段和大錐段，可以清晰地看出，內流場并不沿著旋流器的幾何軸心對稱。從圖6中可以得到，入口處的速度場數值明顯大，且所占的區域廣。隨著在旋流器中的流動，數值不斷減小，影響區域也減小，從而在截面中留下了近似橢圓形狀的速度等值圖。

2.3 切向速度

在旋流器的流場中，切向速度是離心力場產生的，而且數值也遠大于其他兩向的速度。從理論上講，旋流器內的切向流動應該等同于理想流場中的強制渦與自由渦的組合運動，但是由于流動空間的受限，以及特殊結構的影響，旋流器內僅在外圍區域形成了準自由渦流動，而在軸心附近則可視為強制渦。

旋流器內流場各位置段的切向速度如圖7～10所示。

圖7 溢流口與圓柱段切向速度對比

從圖7可以看出，在溢流口處的流體切向速度數值較小，在2 m／s以下，且從軸心向器壁方向，切向速度先增大后減少，但是整體情況比較平穩，說明了溢流口內的流體在流出旋流器時，基本上已經進入了比較穩定的狀態。在圓柱段的流體切向速度數值就比較大，最大值達到了12 m／s，而且隨著徑向位置的變化，數值變化也比較大，從軸心向器壁方向，切向速度先增大后減小，再增大至最高值，最后變為0，說明了流體在圓柱段的運動比較復雜，受到的各種作用力也比較多，導致運動速度的變化也比較大。

圖8 圓柱段與大錐段切向速度對比

從圖8可以看出來，大錐段內的流體切向速度相對較小，基本上都在10 m／s以下，且隨著半徑的增加，切向速度先增大，在快接近壁面時達到最大值，最后迅速減小到最小值，說明了大錐段內的流體切向運動是對稱的，沿著固定的規律運動。與圓柱段相比，流體的切向運動就比較規律，且運動的范圍和劇烈程度都有所下降。

圖9 大椎段與小錐段切向速度對比

圖10 小錐段與底流段切向速度對比

從圖9中可以看出，小錐段內的流體切向速度較小，最大值未達到3 m／s，特點也是沿著軸心到壁面的方向先增大后減小，比較對稱，說明了流體在此處的切向運動已經比較平穩。與大錐段相比，流體的切向運動除了在范圍和數值上比較小，其他都較為相似。

從圖10可以看出，底流段內的流體切向速度比較平穩，基本上在2 m／s以下，隨著半徑的變化也沒有太大的波動，說明流體在這里已經進入了平穩階段，正常流出底流口。與小錐段相比，流體切向運動大大減小，變化趨勢也更加微弱，底流段的流體主要是軸向運動，與實際情況比較一致。

3 結論

1） 旋流器內流場在不同位置的切向速度是呈緩慢地變化，隨著軸向位置的下降，切向速度受徑向位置的變化影響越來越大。

2） 流場的對稱性對旋流器的工作效率也有很大影響。雙入口旋流器流場在對稱性和分離效率上要好于單入口旋流器，但是迫于成本、安裝等問題，單入口的旋流器應用更加廣泛。

3） 在溢流口下的區域內，流場的對稱性比較好；在錐段下半部分和接近底流口的位置，對稱性就比較差，其原因可能是由于流道變化導致的湍動能加強造成的。