往復泵作用下結構參數對旋流器流場特性影響

楊蕊，呂超，朱寶錦，張磊，肖迎松

(1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江省石油石化多相介質處理及污染防治重點實驗室，黑龍江大慶 163318)

0 前言

1 數值模擬分析

本文作者研究的氣液分離器的結構如圖1所示，尺寸見表1，上端為溢流管，氣相介質從其溢出；下端為底流管，液相介質從其流出。

圖1 氣液分離器結構示意

表1 氣液分離器幾何尺寸 單位:mm

1.1 邊界條件

入口邊界為速度入口(Velocity)，由于模擬在流量脈動條件下，故入口速度是非穩態的，以50.25 Hz的脈動頻率變化，脈動的周期為1 s、脈動峰值為7.7 m/s，因此通過導入UDF方程的方法來實現入口速度的非穩態，水力直徑為7.5 mm，溢流口和底流口均為自由出流(Outflow)。溢流分流比為60%，氣液比30%，Simplec算法用于速度壓力的耦合，氣液旋流器墻壁為無滑移邊界條件。

1.2 氣相云圖對比

從截面Ⅰ的氣相云圖(如圖2所示)可知：隨著柱段長度從39 mm增大到88 mm，旋流器軸向中心的氣核維度逐漸變小，相同范圍內的氣相濃度也隨之降低。且從氣相體積分數為0.82的等值面圖也可以看出，遮罩內的氣相體積逐漸降低，到柱段長為88 mm時，氣核的體積降到了最低。

圖2 穩渦罩柱段長39、50、78、88 mm及無罩的分離器截面Ⅰ氣相云圖對比

從圖3可以發現：在穩渦罩內部，旋流器軸向中心，4種柱段長度旋流器的氣相體積分數均在0.9左右；在以半徑為10 mm的圓周內，39 mm的氣相體積分數最高，且隨著長度的增加，氣相體積分數降低。穩渦罩外表面的氣相體積分數隨著柱段長度的增加而增加，最高達到了0.78。因此，穩渦罩的柱段越長，罩外氣相沿罩下移，進而從導流孔進入其內部的機會就越小，這樣會使這些氣相隔絕在罩外，從而影響分離性能。另外，無罩時，雖然在軸心處氣相體積分數均高于帶穩渦罩的情況，但無罩時氣核維度不大，匯聚的氣相少。故穩渦罩旋流器的柱段長為39 mm時，對氣相在中軸處的聚集效果最好。

圖3 截面Ⅰ氣相體積分數

以入口為恒定流速條件下的分離效率公式(1)為基礎：

(1)

式中：為底流含氣濃度；為入口含氣濃度。

推導得到適用于脈動條件下的分離效率：

(2)

式中：為溢流分流比；為底流口氣體質量流率；為底流口混合相質量流率；為入口氣體質量流率；為入口混合相質量流率。

瀝青質量直接影響混合料質量，應選用具有良好溫度敏感性、抗老化性，含蠟量低的優質瀝青。本文采用70#道路石油瀝青，其主要技術指標如表4所示。

根據式(2)計算出各時刻的分離效率并繪制效率曲線，如圖4所示。內部流場平穩后，無罩時分離效率最低，且不穩定，柱段長度為39 mm的穩渦罩旋流器的分離效率高達95%，隨著柱段長度的增加，分離效率逐漸下降至94%。從圖中的局部放大部分可以發現：隨著柱段長度的增加，效率曲線的波動幅度逐漸增大，這表明柱段長度增加，穩渦罩對脈動流的抑制作用減弱，導致其分離性能不穩定。

圖4 穩渦罩不同柱段長度效率圖線

1.3 壓力云圖對比

如圖5所示：從不同時刻的穩渦罩旋流器截面Ⅰ的壓力云圖可以發現，隨著柱段長度從39 mm增大到88 mm和時間從3.9 s變化到4.0 s，位于遮罩內的低壓區變得不穩定，不能保持在相對一致的低壓下；無罩時低壓范圍明顯減小，且低壓區壓力不穩定；柱段長度為39 mm的穩渦罩內低壓區范圍更大，且壓差更小，對軸心處氣相物質的舉升力也更穩定持續，分離效率最高。

圖5 穩渦罩柱段長39、50、78、88 mm及無罩的分離器截面Ⅰ不同時刻壓力云圖

穩渦罩內部壓力如表2所示，可知：在3.9、3.95、4.0 s三個時刻，穩渦罩中心壓力均為負壓；但穩渦罩邊緣壓力則正負均存在。通過計算其中心與邊緣的壓力差，可得到穩渦罩內部負壓區域的大小，即壓力差越小，穩渦罩內負壓區域越大。將不同柱段長度3個時刻的壓力差計算平均值，可以對其進行比較。計算發現：隨著柱段長度從39 mm增長到88 mm，平均壓力差從1 327.62 Pa增長到了2 257.07 Pa，無罩時的平均壓力差更是高達9 378.07 Pa，故穩渦罩柱段長為39 mm時，其內部負壓區范圍最大，則產生對氣相物質的舉升力越強，從而提升了旋流器的分離性能。

表2 穩渦罩內部壓力

2 試驗分析

為進一步驗證數值模擬結果的準確性，加工旋流器的實體模型以及不同尺寸的穩渦罩實體模型，如圖6所示，通過替換不同尺寸的穩渦罩進行試驗。

圖6 “柱+錐”狀遮罩實體模型

使用變頻器與動力柜相連來對脈動流進行模擬，通過觀察玻璃轉子流量計內轉子的變化，可以明確脈動的頻率和周期。室內試驗系統如圖7所示。

圖7 室內試驗系統

使用室內試驗系統，對分離器的分離效率進行測量，在氣液比為30%、分流比為60%的同一操作參數下，對試驗數據進行處理分析，得到不同柱段尺寸穩渦罩旋流器的分離效率，如表3所示。由于現實工況下所存在的誤差，試驗效率值低于模擬值，誤差在可接受范圍內。模擬效率與試驗效率對比如圖8所示。

表3 穩渦罩不同柱段尺寸樣機試驗分離效率

圖8 模擬效率與試驗效率對比

根據試驗得到的數據，應用Origin軟件對其進行分析，擬合出不同柱段長度與旋流器分離效率的關系式(3)，相關系數為0.997 01，表明二次多項式的擬合相關度高，具有可信度。

=93193-0000 3-0003 2

(3)

其中:為旋流器分離效率(%)；為柱段的長度(mm)。

此外，加工有機玻璃模型，試驗過程中使用高速攝像機對有機玻璃段進行拍攝，如圖9所示，觀察旋流場中氣核的運動狀態，如圖10所示。

圖9 高速攝像圖示

圖10 不同“柱+錐”狀遮罩柱段尺寸氣核對比

從圖10可以發現：穩渦罩柱段長為39 mm時，旋流器流場中的氣核聚集在軸心處附近，且氣核底端沒有觸摸到底錐，故只有少量氣相物質從底流口跑出，絕大多數氣相從溢流口溢出；隨著穩渦罩柱段尺寸的增加，旋流器軸心氣核的底端距離底錐越來越近，當柱段為88 mm時，氣核已將底錐尖端掩蓋。由此可知：柱段長度增加，氣相物質從底流跑出的量也在增加，分離效率降低。

除分離效率直觀評價外，旋流強度也是評價旋流器性能的一個重要指標。一般認為，旋流器的旋流強度越大，其對混合相介質的分離效果越好。

=

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：為氣流旋轉動量矩；為軸向動量矩；為軸向動量；為出口截面積；為入口截面積；為氣流密度；為氣流流量；為切向速度；為氣液通過遮罩的平均旋轉半徑。

從式(7)可以得知:旋流強度與遮罩柱段的長度成反比，其值隨著柱段長度的增加而減小，即印證了旋流器的分離效率隨著遮罩柱段長度的增加而降低。

3 結論

(1)經過數值模擬研究發現，4種柱段長度的穩渦罩分離效率均很可觀，但其中39 mm柱段的效果最好，模擬分離效率高達95%，且其對脈動的削弱作用最強，旋流器分離性能最穩定。

(2)樣機試驗與高速攝像試驗進一步驗證了數值模擬結果，得出了穩渦罩4種不同柱段尺寸的最優值——39 mm，并且擬合出柱段長度與旋流器分離效率之間的關系式，相關系數高達0.997，分離效率隨柱段長度的增加而降低。穩渦罩柱段長39 mm時，氣液旋流分離器對氣液兩相的分離效果最好，試驗效率高達92.6%。