油-水动态旋流分离器流场模拟与能耗分析.pdf

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1、480化工机械2013年油一水动态旋流分离器流场模拟与能耗分析+郭广东料邓松圣华卫星张攀峰(解放军后勤工程学院军事供油工程系)摘要拟采用Fluent数值模拟的方法研究油一水动态旋流分离器流场特性与能耗的关系，通过研究得到了旋漉器内湍流场特性的分布规律以及旋流器运行过程中能耗产生部位和原因。计算结果表明，在旋转橱起片和导流雄后方区域雷诺数、湍流强度和湍动能都出现极值点。油一水动态旋流分离器运行过程中的能量耗损也主要集中在旋转栅翅片和导流锥后方区域。关■词动态旋流分离器油一水分离湍流场能耗巾圈分类号TQ051．8·文献标识码A文章编号0254-6094(

2、2013)04-0480-04油一水动态旋流分离器是一种将油水混合液经转筒旋转形成旋流场，从而实现油水分离的设备。研究油一水动态旋流分离器的能耗和流场的关系不仅可以解决旋流器的能耗问题，还可以进一步探求旋流器的流场特性。由于受测试手段等原因的限制，油一水动态旋流分离器湍流压力场的测量存在困难，加之其内部流体的流动结构非常复杂，也导致了动态旋流器在能耗分析和研究方面的欠缺。随着测试手段的不断更新和计算机数值模拟技术的发展，国内外众多学者对静态和动态旋流器内部湍流压力场结构、旋流器流场特性、油滴的聚结破碎以及油相浓度分布等方面做了大量研究。尤其在静态旋流

3、器能耗方面。赵清华等¨1从气相压降特性的角度研究了水力喷射空气旋流器的能耗情况；马艺等心1根据切向速度分布，求出径向压力分布规律，并对旋流器内的能耗进行了分析；曹晓娟和顾伯勤H1则通过对空气柱的模拟，研究了旋流器的能耗问题。对于动态旋流器来说，其耗能相比静态旋流分离器更加复杂，包括泵送物料以及转筒转动都涉及到能量耗损的问题。1油一水动态旋流分离器能耗定义及组成对于油一水动态旋流分离器来说，分离效率和能耗是其两个最核心的评价指标。旋流分离器内的总能量损失在理论上可以表示为进口能量损失(Ah。)、内部能量损失(Ah；)和出口能量损失(Ah。)之和，即：A

4、H=△^。+△^i+△

5、II。其中进口能量损失包括油水混合物经泵送入旋流器在入口由管路突然扩张或收缩造成的能量损失，以及流体在入口遇到旋转栅的局部阻力；内部能量损失主要包括因流体的粘性造成的摩擦损失和由湍流脉动及压力损失等造成能量耗损，内部能量损失是旋流器在操作运行过程中应重点关注的；出口能量损失主要包括排出动能损失和排出压能损失。2模型建立关于物理模型，主要结构参数为：转筒长度L=I600ram、直径D=100mm；叶片长度z=95mm、中心轴直径d=60ram、叶片厚度h=5mm、出口直径d。=20mm；其中，旋转栅选取四叶片式结构，对溢流和底流

6、出1：1结构做简化处理，如图I所示。通过Gambit建模，划分区域以六面体和少量四面体生成混合网格。·总后军需物资油料部科技项目(cx21IJ03I)，重庆市高校优秀成果转化项目(KGZHll223)和后勤工程学院学术创新基金项目(YZ0643601)。··郭广东，男。1984年12月生，博士研究生。重庆市，40131I。第40卷第4期化工机械481D图1动态油一水旋流器计算模型D——转筒主直径；d——旋转栅中心轴直径；d．——溢流口内锥面人口直径；出——溢流口直径；^——叶片厚度；L——转筒长度；厶——旋转栅与外接设备之间的螺纹长度；￡．——旋转栅

7、叶片长度；L2——旋转栅导流锥长度；厶——溢流管插人深度关于数学模型来说，将Gambit形成的网格文件导入Fluent6．3软件，湍流模型采用雷诺应力模型(RSM)，混合模型选取多相流混合模型，可动区域模型选取单个参考系模型(SRF)，以柴油和水的混合物为模拟流体，边界条件及主要操作参数为：入口边界选取速度人口边界，底流与溢流的出口边界均按充分发展来处理，壁面按照无滑移条件处理；入口流量为3m3／h，转筒转速为1200r／rain，混合液含油浓度为8％。3湍流模拟及能耗分析油一水动态旋流分离器的工作方式是依靠电机带动旋转栅和转筒做高速转动，从而使油水

8、混合液在转筒内旋转运动，其内部流场属于高速涡旋流场，油水混合液流动呈强旋转湍流流动，研究其湍流结构特点和湍流耗散机理，可以揭示动态旋流器内能量损失原理和控制动态旋流器内能量损失区域。3．1湍流度湍流度是反映油一水动态旋流器内湍流脉动大小最重要的参数之一，也称湍流强度和湍流密度，它反映了湍流脉动大小与参考速度的比值，是相对于平均速度的脉动速度的均方根。其中，管道内部的充分发展的湍流强度计算式为卜。：．，，=旦=0．16(ReD。)““U●，s式中D。——管道当量直径；m——雷诺数；u’——湍动速度；l,l'lvg——平均速度。对于湍流强度，1％以下的被

9、认为是弱湍流，10％以上的被认为是强湍流‘5。。图2是通过Flu．ent软件数值计算得出的油一水动态旋流分离