環(huán)形異向流淺層流場(chǎng)油滴流動(dòng)及分離特性研究

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合基金項(xiàng)目“面向海上聚驅(qū)采出水的油滴-微泡團(tuán)聚機(jī)理及其協(xié)同動(dòng)態(tài)旋流預(yù)除油特性研究”（U20B2030）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“微孔介質(zhì)預(yù)分散式軸向旋流微細(xì)氣泡生成機(jī)理與特性研究”（51806019）；中國(guó)石油化工股份有限公司科研項(xiàng)目“油田采出水電場(chǎng)破乳凈化處理技術(shù)研究”（320047）；北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃一般項(xiàng)目“聚驅(qū)采出水旋流電氣浮處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（KM202110017007）；北京石油化工學(xué)院大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“環(huán)形異向流淺池分離技術(shù)流動(dòng)及分離特性研究”（2024J00095）。

艾星宇，邢宇涵，蔡小壘，等.環(huán)形異向流淺層流場(chǎng)油滴流動(dòng)及分離特性研究98-106

Ai Xingyu，Xing Yuhan，Cai Xiaolei，et al.Flow and separation characteristics of oil droplets in shallow annular counter-flow field98-106

目前關(guān)于環(huán)形多層異向流淺層流道內(nèi)液滴流動(dòng)和油水分離特性的研究尚不夠深入。為此，借助流體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)分散油滴運(yùn)移分離特性和多層淺層流道速度分布特性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)油滴浮升至斜板表面所需板長(zhǎng)為96 mm，小于理論計(jì)算所需板長(zhǎng)122 mm；淺層通道內(nèi)層間速度分布對(duì)分離效率影響較大，下層流道入口速度峰值為0.008 05 m/s，環(huán)形多層淺層通道內(nèi)油相浮升過(guò)程中會(huì)遇到交叉流，顯著影響淺層通道分離效率；滑移距離是影響淺層通道間分離效率的重要因素，當(dāng)板長(zhǎng)為350 mm、油滴粒徑為50 μm時(shí)，滑移距離占板長(zhǎng)38.35%。所得結(jié)論可為基于淺層沉降強(qiáng)化分離理論的緊湊型采出水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。

采出水處理；環(huán)形異向流；淺層沉降分離；數(shù)值模擬；流道速度；分離效率；滑移距離

TE37

A

013

Flow and Separation Characteristics of Oil Droplets

in Shallow Annular Counter-Flow Field

Ai Xingyu1，2" Xing Yuhan1" Cai Xiaolei1，2nbsp;" ""Chen Jiaqing1，2" Ding Guodong1，2" An Shenfa3" Wang Xiujun4

（1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology;2.Beijing Key Laboratory of Key Technology and Equipment for Deepwater Oil and Gas Pipelines;3.Petroleum Engineering Technology Research Institute of Sinopec Shengli Oilfield Company;4.CNOOC Research Institute Co.，Ltd.）

The characteristics of oil droplet flow and separation in shallow annular multi-layer counter-flow channels have been inadequately investigated.In this paper，the flow and separation of dispersed oil droplets in shallow annular counter-flow channels and the velocity distribution in shallow multi-layer flow channel were analyzed by using computational fluid dynamics （CFD） methods.The results indicate that the plate length required for the oil droplet floating upward in the shallow annular counter-flow channel to the surface of the inclined plate is 96 mm，less than the theoretical plate length （122 mm）.The inter-layer velocity distribution in the shallow channel has a great impact on the separation efficiency，and the velocity at the inlet of the lower channel peaks at 0.008 05 m/s.The oil droplet may encounters a cross flow when it floats upward in the shallow annular multi-layer channel，which will impede greatly the separation efficiency in the channel.The sliding distance is a key factor influencing the separation efficiency.When the plate length is 350 mm and the grain size of oil droplet is 50 μm，the sliding distance accounts for 38.35% of the plate length.The research findings provide theoretical support for the innovative design and optimization of compact produced water treatment equipment based on the theory of shallow settling and enhanced separation.

annular counter-flow;shallow settling and separation;numerical simulation;velocity distribution in flow channel;separation efficiency;sliding distance

0" 引" 言

艾星宇Symbol`@@，等：環(huán)形異向流淺層流場(chǎng)油滴流動(dòng)及分離特性研究

采出水（produced water）是原油開(kāi)采及加工過(guò)程中最大的副產(chǎn)物，其主要污染物包括石油烴類、懸浮雜質(zhì)、溶解態(tài)礦物質(zhì)、表面活性劑和聚合物等［1］。隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)以及國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和頂層戰(zhàn)略布局的穩(wěn)步推進(jìn)，采出水相關(guān)排放及回注標(biāo)準(zhǔn)將更為嚴(yán)格。例如中海油已經(jīng)明確提出建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型綠色油田，加強(qiáng)油氣開(kāi)發(fā)中副產(chǎn)資源和能源的綜合利用能力、努力提高油氣生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境友好水平和控制“三廢”排放，要求對(duì)海上油田采出水進(jìn)行回注處理，最終達(dá)到零排放。為此，油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采出水處理裝置的處理能力和處理效果提出了更高的要求［2-3］。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)更為高效緊湊的采出水處理裝置，持續(xù)推進(jìn)采出水降碳減污協(xié)同增效處理，確保我國(guó)石油行業(yè)的健康綠色發(fā)展［4］。

目前，高效緊湊型采出水處理技術(shù)已從旋流［5-6］、過(guò)濾［7］、氣浮［8-9］等單一技術(shù)轉(zhuǎn)向多技術(shù)耦合協(xié)同［10］，通過(guò)提升單體設(shè)備處理性能［11-12］，進(jìn)一步簡(jiǎn)化采出水處理工藝流程。在此背景下，采出水設(shè)備核心分離區(qū)結(jié)構(gòu)也逐漸從池體結(jié)構(gòu)或臥式罐體結(jié)構(gòu)等向立式罐體結(jié)構(gòu)甚至是管式結(jié)構(gòu)發(fā)展［13］。然而，設(shè)備緊湊性能的提升意味著設(shè)備有效分離區(qū)體積的減小，核心分離區(qū)內(nèi)流態(tài)也從以層流為主發(fā)展為以湍流為主［14］，相應(yīng)強(qiáng)湍流引起的彌散效應(yīng)等導(dǎo)致分離區(qū)內(nèi)油滴去除粒徑下限擴(kuò)大，限制了裝置分離性能的進(jìn)一步提升［15-16］。淺層沉降分離技術(shù)是以淺層理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的一種多相流強(qiáng)化分離技術(shù)，該技術(shù)主要是通過(guò)縮短分離區(qū)內(nèi)離散相顆粒的浮升距離，優(yōu)化流場(chǎng)布局，降低局部湍流強(qiáng)度以及減小表面水力負(fù)荷率，促進(jìn)小粒徑油滴的去除分離，從而增強(qiáng)處理裝置分離性能［17-25］。國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)針對(duì)淺層沉降分離理論及工程應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究工作。例如，20世紀(jì)初，Hazen提出淺層沉降理論，該理論表明淺層通道內(nèi)可被去除的顆粒粒徑大小是沉降深度的函數(shù)，與沉降時(shí)間無(wú)關(guān)［26］；E.PONDER［27-28］研究了傾斜淺層通道水平投影面積對(duì)捕獲粒子效率的影響規(guī)律，并提出了PNK理論；A.CALLEN等［29］應(yīng)用PNK理論來(lái)預(yù)測(cè)傾斜通道中顆粒的沉降行為和分離效率，研究結(jié)果表明，淺層分離區(qū)寬高比（分離區(qū)板長(zhǎng)長(zhǎng)度除以其垂直間隙）與分離區(qū)有效面積密切相關(guān)；李方濤等［30］通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)斜板沉降池油水分離性能進(jìn)行研究，重點(diǎn)探究了沉降時(shí)間對(duì)分離性能的影響，研究結(jié)果表明，隨著沉降時(shí)間的推移，在沉降初始階段沉降效果逐漸增強(qiáng)， 到沉降后期沉降效率將趨于穩(wěn)定。總體而言，現(xiàn)有研究已經(jīng)形成了田中法（分離粒徑法）、姚氏法（特性參數(shù)法）、理想分離法等淺層沉降分離理論或經(jīng)驗(yàn)板長(zhǎng)計(jì)算方法，并較為系統(tǒng)地探究了淺層分離流動(dòng)過(guò)程及相關(guān)分離特性，結(jié)果可為淺層沉降分離設(shè)備設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

現(xiàn)有淺層分離的研究主要關(guān)注矩形淺層流道內(nèi)流動(dòng)和分離機(jī)理。然而，與常規(guī)臥式罐體結(jié)構(gòu)采用矩形淺層流道不同，立式結(jié)構(gòu)罐體及管式結(jié)構(gòu)分離設(shè)備罐體直徑普遍偏小，更適合于采用空心錐臺(tái)堆疊結(jié)構(gòu)組成的環(huán)形同向流或異向流淺層流道。而且空心錐臺(tái)堆疊結(jié)構(gòu)的表面水力負(fù)荷更低，還可通過(guò)提高罐體高度或空心錐臺(tái)堆疊深度進(jìn)一步提升分離效率。但空心錐臺(tái)堆疊結(jié)構(gòu)形式的淺層流道內(nèi)存在配水均勻性較差［31］、近軸心端流速明顯高于遠(yuǎn)軸心段等問(wèn)題，尤其是近軸心端高流速已經(jīng)成為影響淺層沉降分離效率的關(guān)鍵因素。例如潘億勇等［32］已經(jīng)初步探究了淺層沉降間配水均勻性對(duì)油水分離效率的影響。目前，關(guān)于環(huán)形多層異向流淺層流道內(nèi)液滴流動(dòng)和油水分離特性的研究尚不深入，導(dǎo)致現(xiàn)有理論計(jì)算結(jié)果難以支撐和指導(dǎo)該類型淺層沉降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。因此，本文將借助流體動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)環(huán)形多層異向流淺層流道內(nèi)油水兩相流動(dòng)過(guò)程及特性進(jìn)行研究，探究不同粒徑油滴顆粒的運(yùn)移及分離特性，獲得影響多層異向流淺層流道油相運(yùn)移分離性能的關(guān)鍵因素，從而為基于淺層沉降強(qiáng)化分離理論的緊湊型采出水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1" 技術(shù)分析

1.1" 環(huán)形異向流淺層沉降分離原理

環(huán)形異向流淺層沉降原理主要是通過(guò)在核心分離區(qū)設(shè)置多層空心錐臺(tái)堆疊結(jié)構(gòu)斜板，相鄰斜板間形成一定間距的淺層分離通道，水相與分散相油滴在淺層分離通道內(nèi)運(yùn)移并完成分離過(guò)程［33］，沉降原理如圖1所示。

環(huán)形多層異向流淺層流場(chǎng)的特點(diǎn)是主體水流向下，斜板傾角一般控制在45°～ 60°。在環(huán)形異向流淺層分離過(guò)程中，分散油滴向上浮升時(shí)主要受到重力Fg、浮力Fb以及阻力Fr的共同作用，其中Fr與水的流態(tài)有關(guān)。

根據(jù)油滴在流道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)某一粒徑的油滴P處于斜板中某一位置時(shí)，它具有上浮速度vo，水流具有軸向速度v。分散顆粒的上浮速度vo為其絕對(duì)浮升運(yùn)動(dòng)速度vp （相對(duì)于地面或靜止通道壁面）與周圍流體絕對(duì)速度vs（相對(duì)于地面或靜止通道壁面）之間的相對(duì)速度，即vo=vp-vs。根據(jù)牛頓第二定律得出如下關(guān)系式：

mdv→o/dt=F→b+F→r+F→g=ρpgVp+

CDAρcv2o/2+ρcgVp（1）

式中：m為油滴質(zhì)量，kg；ρp為分散油滴的密度，kg/m3；ρc為周圍流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Vp為分散油滴的體積，L；CD為阻力系數(shù)；A為淺層沉降通道投影面積，m2。

假設(shè)板間距為d，α為斜板的傾斜角度，取垂直斜板方向?yàn)閤方向，取沿斜板方向?yàn)閥方向。油滴運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

vx=vocos α

vy=v-vosin α

（2）

根據(jù)上向流矩形斜板板組矩形相似原理，可以獲得油滴分速度與板長(zhǎng)間關(guān)系式：

vx/d=vy/Le（3）

式中：vx為垂直斜板向上方向速度，m/s；vy為平行斜板向下方向速度，m/s；Le為分離段板長(zhǎng)，m。

由式（2）、式（3）可得：

Le=（vd）/（vocos α）-（dsin α）/（cos α）（4）

通過(guò)式（1）可計(jì)算上浮速度vo，并根據(jù)式（4）可計(jì)算分離段板長(zhǎng)Le。當(dāng)水流剛進(jìn)入淺層分離通道時(shí)，因水流方向發(fā)生急劇變化，從沿中心流道的向上流急劇轉(zhuǎn)變?yōu)檠匦卑逑蛳铝鳌Ｋ魉俣葟募眲∽兓节呌诜€(wěn)定所需板長(zhǎng)稱為起始段L0，所以最終板長(zhǎng)L計(jì)算公式為：

L=Le+L0（5）

假定油滴分離所需的時(shí)間為t，則分離效率計(jì)算式為：

η=voQ/A=vod/t（6）

式中：η表示分離效率；Q表示淺層分離流道流量，m3/h。

由式（6）可知，淺層斜板的分離效率與斜板間距離成反比，斜板間距越小其分離效率越高。由于斜板間距越小，其雷諾數(shù)（Re）也會(huì)越小，油滴浮升到斜板表面所需要的時(shí)間變得更短，從而使分離效率越高。

1.2" 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

為研究環(huán)形異向流淺層流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)及分離特性，在額定處理量為1.0 m3/h、水力停留時(shí)間為180 s條件下，設(shè)計(jì)了基于淺層沉降技術(shù)的環(huán)形異向流分離通道，如圖2所示。該通道主要由入口彎管、環(huán)形空心錐狀斜板、折流板、排油管及環(huán)形排水出口等部分組成。其中入口彎管直徑為20 mm，排油管直徑為10 mm，環(huán)形排水出口面積為78.50 mm2，傾斜角度為60 °。按照去除粒徑為50 μm油滴進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)α=60 °、d=30 mm、v=0.078 m/s、vo=0.026 832 m/s，可得分離段板長(zhǎng)Le=170 mm，起始段長(zhǎng)度L0=180 mm，則錐臺(tái)板總長(zhǎng)L為350 mm。

分離過(guò)程中，含油污水經(jīng)入口進(jìn)入到流體均布區(qū)，通過(guò)入口彎管沖擊到中心流道底端，使得含油污水在流道中均勻分布；隨后含油污水沿中心流道向上流動(dòng)，并在折流板分流作用下進(jìn)入淺層分離通道，也就是強(qiáng)化分離區(qū)；強(qiáng)化分離區(qū)由環(huán)形空心錐狀斜板組成，油滴在通道內(nèi)將迅速上浮到上斜板下表面并平行于斜板斜升到中心流道上部，從而完成富集過(guò)程，最后從中心流道頂部排油管排出；凈化后的水相沿著環(huán)形空心錐狀斜板間流道斜向下流，并經(jīng)底部環(huán)形排水出口排出。

2" 數(shù)值模擬方法

2.1" 幾何模型與網(wǎng)格劃分

幾何模型采用ANSYS平臺(tái)中的Space Claim軟件進(jìn)行繪制，利用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。網(wǎng)格劃分過(guò)程中主要采用多面體網(wǎng)格類型，以保證模擬計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性，進(jìn)而可以更為準(zhǔn)確地捕捉流體流動(dòng)的細(xì)節(jié)以及幾何特征。考慮到流場(chǎng)特性，對(duì)斜板表面區(qū)域邊界層局部進(jìn)行了加密處理，邊界層設(shè)置為8層，增長(zhǎng)率為1.2，第一層高度為0.2 mm。

2.2" 多相流模型設(shè)置

利用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。多相流模型采用Eulerian模型，在該模型中可以考慮油滴與液相之間、油滴與油滴之間的相互作用，且計(jì)算速度較快，收斂精度較高［34］。

湍流模型采用RNG k-ε模型。對(duì)于低雷諾數(shù)流動(dòng)，RNG k-ε模型通常能夠提供更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，其在預(yù)測(cè)壁面邊界層中的湍流行為方面表現(xiàn)出色，能夠準(zhǔn)確地模擬湍流的剪切層和速度分布。RNG k-ε模型來(lái)源于瞬態(tài)N-S方程，其對(duì)ε方程進(jìn)行了修正，可以更好地呈現(xiàn)主流時(shí)間平均應(yīng)變率［35］。

2.3" 物性參數(shù)及邊界條件

數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中連續(xù)相為水相，初始密度為 998 kg/m3，黏度為1.00 mPa·s；分散相為煤油，其初始密度為780 kg/m3，黏度為2.40 mPa·s。環(huán)形異向流淺層流道入口設(shè)置為速度入口，入口流速為0.41 m/s，入口湍流按湍流黏性比為10及湍流強(qiáng)度為5%給定，入口含油質(zhì)量濃度為200 mg/L。出水口及出油口均設(shè)置為自由出流邊界（out flow），其中出油口設(shè)置流出5%。壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

2.4" 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格數(shù)量變化主要對(duì)環(huán)形異向流淺層流場(chǎng)內(nèi)的分離效率產(chǎn)生較大影響。分別構(gòu)建網(wǎng)格數(shù)目為100 321、205 462、434 565、606 545、814 517和1 027 841等6組模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。此次研究重點(diǎn)關(guān)注分離效率，結(jié)果表明隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加分離效率逐漸減小，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由606 545增加至814 517時(shí)，相對(duì)偏差為0.57 %，可見(jiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為606 545時(shí)，可在縮短計(jì)算時(shí)間的情況下保證計(jì)算精度。因此，后續(xù)都采用該數(shù)量對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格密度對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3" 結(jié)果及討論

3.1" 環(huán)形異向流淺層通道內(nèi)分散油滴運(yùn)移分離特性

為研究環(huán)形異向流環(huán)形淺層流道內(nèi)的離散油滴運(yùn)移分離特性，設(shè)置進(jìn)水流量為1.0 m3/h，水中離散油滴粒徑為50 μm，油相質(zhì)量濃度為200 mg/L，數(shù)值模擬了油水兩相流在多層異向流環(huán)形淺層流道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程。圖4為異向流環(huán)形淺層流道內(nèi)流場(chǎng)及離散油相分布云圖。

從圖4a可知，在環(huán)形淺層流道內(nèi)，油滴分離經(jīng)歷3個(gè)關(guān)鍵階段：初始階段、分離階段和末尾階段。初始階段主要特點(diǎn)是含油污水從豎直向上流轉(zhuǎn)變?yōu)檠丨h(huán)形空心錐臺(tái)斜板斜向下流，此時(shí)流體流動(dòng)方向急速變化，受慣性作用和湍流彌散效應(yīng)影響，部分油滴會(huì)隨主體水流進(jìn)入到強(qiáng)化分離區(qū)，此時(shí)油相分布沒(méi)有出現(xiàn)明顯分層。從圖4b可知，分離階段主要特點(diǎn)是速度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，湍流彌散效應(yīng)減弱。根據(jù)環(huán)形異向流淺層沉降分離原理，在重力等作用下，分散油滴逐漸向上浮升，最終聚集至空心錐臺(tái)斜板底面，并沿底面斜向上浮升直至完成分離過(guò)程。末尾階段流場(chǎng)內(nèi)多數(shù)油滴已完成浮升分離，且該區(qū)域內(nèi)環(huán)形流通截面積較初始階段明顯偏低，相應(yīng)流速也逐級(jí)減小，有利于油滴浮升分離效率的進(jìn)一步提高。

圖5為不同分離階段3個(gè)代表截面（用截面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ表示）速度分布曲線。

從圖5可以看出，當(dāng)含油污水從截面Ⅰ流至截面Ⅲ，流速峰值從0.009 14 m/s降至0.004 62 m/s，相應(yīng)雷諾數(shù)從4 789減小至2 420。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是主體水流從初始階段流入外側(cè)末尾階段時(shí)，環(huán)形流動(dòng)截面積明顯增大，使得平均流速明顯降低，因而更有利于油滴完成浮升過(guò)程。基于數(shù)值模擬結(jié)果，以油層質(zhì)量濃度和厚度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，獲得了環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)分離階段油滴運(yùn)動(dòng)軌跡，并與淺層沉降理論計(jì)算獲得的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

結(jié)果的淺層通道內(nèi)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡

從圖6可知，基于淺層沉降理論計(jì)算獲得的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡呈直線，而數(shù)值模擬提取的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)前期浮升高度較低態(tài)勢(shì)，在斜板位置40～80 mm處，浮升速度明顯增大。以油滴浮升至上斜板底面距離作為所需最小板長(zhǎng)指標(biāo)，數(shù)值模擬獲得的所需板長(zhǎng)為96 mm，遠(yuǎn)小于理論計(jì)算的122 mm。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有淺層分離理論計(jì)算過(guò)程中，通道內(nèi)流速采用的平均流速，油滴顆粒運(yùn)移分離過(guò)程主要與其受力和淺層分離通道長(zhǎng)度有關(guān)；而數(shù)值模擬充分考慮了環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)水流流通截面增大引起的流速降低，此時(shí)慣性作用和湍流彌散效應(yīng)等減弱，油滴在重力作用下可以更為有效完成運(yùn)移分離，相應(yīng)所需板長(zhǎng)明顯縮短。基于數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)一步修正了環(huán)形異向流淺層流道板長(zhǎng)計(jì)算公式，如下式所示：

L=0.786 9du（v-vosinα）/vo+L0（7）

式中：du為油滴浮升速度所引起的豎直向上位移，m，du=d/cos α。

3.2" 環(huán)形多層淺層流道速度分布特性

環(huán)形多層淺層流道內(nèi)流速流量分配的不均勻性使得局部流道內(nèi)流量過(guò)大，導(dǎo)致淺層沉降分離效率明顯降低，進(jìn)而影響整體油水分離效果。為研究多層淺層流道速度分布特性，基于前述工況，分析了3層異向流淺層流道內(nèi)的速度分布特性和油水分離特性。圖7為不同淺層通道入口處流體速度分布曲線。

由圖7可知，上、中、下3層間淺層通道內(nèi)速度分布明顯不均勻，各通道配水均勻性較差，下層淺層流道內(nèi)入口段速度峰值為0.008 05 m/s，中層為0.001 54 m/s，上層為0.001 73 m/s。這是因?yàn)楹臀鬯ㄟ^(guò)下部入口管段流入后，下層淺層通道流動(dòng)阻力偏小，導(dǎo)致大部分含油污水從該層“短路”流走。上層淺層通道流量大于中層通道的主要原因在于，主體水流向上流動(dòng)過(guò)程中，受上部均流沖擊板作用，含油污水向四周擴(kuò)散，其擴(kuò)散后路徑與上層淺層通道距離最近，導(dǎo)致更多的流體從上層淺層通道流出。整體而言，多層淺層通道內(nèi)流速分布呈現(xiàn)兩端高、中間低的特點(diǎn)，尤其是下部距離入口最近端淺層通道流速最高。通過(guò)分析3層淺層通道內(nèi)主體水流速度和含油質(zhì)量濃度變化，獲得了不同淺層通道內(nèi)油水分離特性，如圖8所示。

基于淺層沉降分離理論，淺層通道內(nèi)主體水流流速越低，湍流彌散效應(yīng)越弱，相應(yīng)的分離效率越高。從圖8可見(jiàn)，最下層淺層通道分離效率最高，主要原因是采用空心錐臺(tái)堆疊淺層通道時(shí)，下層通道分離后的油相在浮升過(guò)程中，會(huì)與上層淺層入口周邊水流形成交叉流，部分油相會(huì)被帶入到上一層淺層通道，造成該通道入口水流含油質(zhì)量濃度升高，進(jìn)而導(dǎo)致該通道名義分離效率降低。最上層淺層分離效率回升的原因在于，隨著下層和中層淺層通道的分流作用，主體水流在流向上層淺層通道時(shí)流速已經(jīng)降低，使得交叉流對(duì)浮升油滴的影響減弱，導(dǎo)致下層和中層分離的油相被攜帶進(jìn)入上層通道的含油量減小，使得上層淺層通道分離效率有所回升。因此空心錐臺(tái)堆疊淺層通道內(nèi)需要考慮淺層通道內(nèi)流速流量如何均勻分配，防止局部短流流量過(guò)大，以造成淺層沉降分離效率大幅降低。同時(shí)還需要考慮交叉流對(duì)淺層通道分離效率的影響。

3.3" 顆粒粒徑對(duì)淺層分離特性影響

由淺層分離原理可知，理論計(jì)算過(guò)程中當(dāng)分散油滴浮升至淺層通道上層斜板底面時(shí)，視為完成淺層分離。但是在進(jìn)行多層淺層流道速度分布特性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，分散油滴浮升至淺層通道內(nèi)上層油相聚集界面時(shí)，受慣性作用會(huì)繼續(xù)斜向下滑移一定距離，油滴斜向下速度逐漸減小，直至為0，而后沿斜面斜向上運(yùn)移，即存在滑移距離Lh，如圖9所示。這里將油滴浮升至淺層通道內(nèi)上層油相聚集界面處到其向下運(yùn)動(dòng)的速度反向點(diǎn)之間的距離（即油滴浮升過(guò)程中首次速度為0且隨后向相反方向運(yùn)行歷程）定義為滑移距離Lh。

為探究油相顆粒群在浮升過(guò)程中發(fā)生的滑移距離，分別對(duì)粒徑5、10、50、70、100和150 μm的油滴淺層沉降分離過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，并提取不同油滴粒徑油水分離效率和油相滑移距離。

不同粒徑油滴的滑移距離及其分離效率如圖10所示。

通過(guò)對(duì)其滑移距離分析可知，隨著油滴粒徑的減小，滑移距離逐漸增大，表明小粒徑油滴受主體水流的裹挾作用更強(qiáng)，導(dǎo)致淺層沉降分離效率降低。模擬結(jié)果顯示，粒徑小于10 μm的油滴顆粒群滑移距離小于20 mm。由于板長(zhǎng)有限，較小粒徑的油滴無(wú)法滑移到極限位置便從出水口流出，從而導(dǎo)致其分離效率極低。當(dāng)板長(zhǎng)為350 mm、油滴粒徑為50 μm時(shí)，滑移距離為134.225 mm，占板長(zhǎng)的38.35%，而傳統(tǒng)的斜板板長(zhǎng)在計(jì)算過(guò)程中忽略了滑移距離的影響。考慮油滴粒徑和流速變化，對(duì)環(huán)形異向流淺層流道板長(zhǎng)計(jì)算式（見(jiàn)式（7））進(jìn)行了二次修正，則有：

L=1.088 7du（v-vosin α）/vo+1.383 5L0（8）

4" 結(jié)" 論

通過(guò)理論計(jì)算和流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬等方法，分析了環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)分散油滴運(yùn)移分離特性和多層淺層流道速度分布特性，得出如下主要結(jié)論：

（1）環(huán)形異向流淺層流道內(nèi)分散油滴分離過(guò)程整體呈現(xiàn)初始階段、分離階段和末尾階段3個(gè)階段；隨著主體水流從初始階段向外側(cè)末尾階段流動(dòng)，流體流速峰值大幅下降，雷諾數(shù)減小，可有效促進(jìn)油滴完成浮升過(guò)程；油滴浮升至斜板表面所需板長(zhǎng)為96 mm，小于理論計(jì)算所需板長(zhǎng)122 mm，基于此對(duì)傳統(tǒng)板長(zhǎng)計(jì)算公式進(jìn)行了修正。

（2）淺層通道內(nèi)層間速度分布對(duì)分離效率影響較大。對(duì)比分析了3層淺層分離通道內(nèi)配水均勻性，結(jié)果表明，下層流道入口速度峰值為0.008 05 m/s，明顯高于中層和上層入口速度峰值，局部短流流速過(guò)大，導(dǎo)致大部分含油污水從該層“短路”流走，使得整體淺層沉降分離效率明顯降低。環(huán)形多層淺層通道內(nèi)油相浮升過(guò)程中會(huì)遇到交叉流，進(jìn)而顯著影響淺層通道分離效率。

（3）滑移距離是影響淺層通道間分離效率的重要因素。對(duì)比分析了淺層分離通道中不同粒徑油滴浮升至上層油相聚集界面時(shí)的滑移距離，結(jié)果表明，隨著油滴粒徑的減小，滑移距離明顯增大，如若剩余板長(zhǎng)小于滑移距離，則部分油滴無(wú)法完成浮升分離過(guò)程，且分離效率明顯低于理論值。當(dāng)板長(zhǎng)為350 mm、油滴粒徑為50 μm時(shí)，滑移距離占板長(zhǎng)的38.35%，基于數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)理論板長(zhǎng)計(jì)算公式進(jìn)行了二次修正。

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第一艾星宇，生于1999年，現(xiàn)為在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備。地址：（102617）北京市大興區(qū)。email：1617021648@qq.com。

通信作者：蔡小壘，email：caixiaolei@bipt.edu.cn。

2023-11-08

楊曉峰