锥芯式超音速旋流分离器流动及分离特性研究.pdf

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1、第４２卷第１期化工机械５９锥芯式超音速旋流分离器流动及*分离特性研究赵健华**刘晓敏刘培启胡大鹏（大连理工大学化工机械学院）摘要通过数值模拟和实验测试的方法，对锥芯式超音速旋流分离器内流体在小压力比情况下的流动特性和分离性能进行研究。模拟结果表明：在一定压力比条件下，随着面积比的增大，喷管渐扩段中气动激波强度越强并越靠近喉部；当压力比在１．２５～１．７５范围内，面积比为１．０６时，喷管渐扩段不存在气动激波，相应的分离性能最高。实验结果也表明：当面积比为１．０６、压力比为１．７５时，分离效率达到４０．８２

2、％。数值计算结果与实验结果相吻合。关键词超音速旋流分离器拉瓦尔喷管面积比分离性能中图分类号ＴＱ０５１．８文献标识码Ａ文章编号０２５４-６０９４（２０１５）０１-００５９-０５采出天然气中含有的大量水分和重组分，在之比对分离性能的影响。在自建的实验平台上，集输和处理过程中易凝结，对设备造成损坏。目通过实验测试验证了数值计算结果。前能够实现天然气与所含水蒸气分离的设备主要１控制方程有固体干燥脱水器、固定床吸附塔、吸收塔、膜分在超音速冷凝分离器内，气体为可压缩湍流离器及透平膨胀机等。其中，透平膨胀机采用的流动

3、，其数学模型需要建立质量、动量、能量守恒是低温冷凝法，虽然不需要较贵的吸收剂，但其等方程、湍流输运方程和状态方程，联立这些方程可熵效率低、能耗大、运转部件维护费用高、运行成［１］以计算各节点的温度、压力及速度等流动参数：本大，应用受到限制。与传统分离设备相比，ρ（ρｕｉ）超音速旋流分离器解决了上述缺点，该技术将空质量守恒方程＋＝Ｓ（１）ｍｔｘｉ气动力学原理与热力学原理相结合，利用天然气（ρｕｉ）（ρｕｉｕｊ）ｐ在拉瓦尔（Ｌａｖａｌ）喷管中的超音速流动产生低温，动量守恒方程＋＝－＋×ｔｉ

4、ｘｊｘｉｘｊ同时结合旋流作用，实现天然气中水蒸气和重组ｕｉｕｊ２ｕｊ[μ(＋－)]＋ρｇｉ＋Ｓｕ（２）分的冷凝分离。装置集制冷、冷凝和分离过程于ｘｊｘｉ３ｘｊ一体，制冷单元无转动部件，结构简单、占地面积（ρｈ）（ρｕｊｈ）能量守恒方程＋＝×小［２、３］。ｔｘｊｘｊ本课题组研发出一种新型锥芯式超音速旋流ｋｈ＋Ｓ（３）(ｃｘ)ｈ［４］ｐｊ分离器，其特点是向流道内插入锥芯，形成环状态方程ｐ＝ｐ（ρ，Ｔ）（４）形渐缩、渐扩流道，易于加工和调节，且压力损失其中，ｕ（ｉ＝１，２）、

5、ｐ、Ｔ分别为流场的速度、压ｉ小，分离效率较高。笔者通过数值模拟和实验测力和温度；ρ为流体的密度；ｋ为流动介质的传热试两种方法，对锥芯式超音速旋流分离器在小压系数；ｃ为比热容；ｈ为流体的热焓，是Ｔ的函数；力比情况下的流场特性和分离性能进行研究，着ｐ重分析了渐扩段出口面积与Ｌａｖａｌ喷管喉部面积ρｇｉ为ｉ方向上的重力体积力；Ｓｍ、Ｓｕ、Ｓｈ分别为质*国家自然科学基金资助项目（２１２０６０１３）。**赵健华，女，１９８９年１２月生，硕士研究生。辽宁省大连市，１１６０２３。６０化工机械２０１５年量、动量、能量守

6、恒方程源项。式（１）～（３）中等３锥芯式超音速分离器内部流动的数值模拟号左边两项为瞬态项和对流项，等号右边为扩散３．１结构及工作原理项和源项。湍流输运方程根据流体的流动工况、锥芯式超音速旋流分离器主要由旋流发生湍流模型的适用范围和计算能力而选择标准ｋ-ε器、直管壳体和锥芯构成的渐缩－渐扩喷管、排液模型。器和扩压器组成（图２）。其中，喷管渐缩段长６０ｍｍ，渐扩段长１００ｍｍ，喉部轴向位置在ｘ＝２模型验证６０ｍｍ处，排液口轴向位置在ｘ＝１６０ｍｍ处。为检验模型方程的可行性，先做验证性计算。对Ｌａｖａｌ喷管中

7、的流动过程进行数值计算，喷管的几何尺寸和实验数据均取自文献［５］，喷管的入口参数如下：环境温度１７．８０℃环境湿度１６．２％喷管进口绝对压力０．４６ＭＰａ喷管进口温度１４．９５℃喷管进口相对湿度８３％ＲＨ喷管流量３３．８ｍ３／ｈ图２锥芯式超音速旋流分离器三维结构示意图喷管内压力沿轴向分布的计算值与实验值对锥芯式超音速旋流分离器的工作原理为：含比如图１所示。由图１可见，计算值与实验值吻有湿分或重组分的高压天然气首先进入旋流分离合较好，说明所建立的数学模型能够正确反映超器，之后进入锥芯式喷管，混合气体膨胀至

8、超音音速喷管内流场参数的分布特征，可用于其流场速，形成低温环境，重组分开始冷凝，并从排液器的模拟计算。中排出，干气进入扩压段，经过一道正激波面，速度降低，压力回升，最后从干气出口排出。３．２模型及计算方法分离器的几何模型为轴对称模型，其计算域的几何边界如图３所示，文中的面积比Ａ是指喷Ｒ管渐扩段出口面积（ＩＩ-ＩＩ截面）与喷管喉部面积（Ｉ-Ｉ截面）之比。图３超音速喷管几何模型用Ｇａｍｂｉｔ软件进行网格划分，采用四边形结构化网格，对喉部和排液口