锥角对水力旋流器压力场和速度场的影响.pdf

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1、572化工机械2011年锥角对水力旋流器压力场和速度场的影响+蒋明虎”1刘道友1赵立新1贾桂春2(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．辽河油田装备制造总公司研究所)摘要针对所建立的静态水力旋流器结构模型进行了简要的分析，采用CFD软件中基于各相异性的雷诺应力湍流模型。应用PC．SIMPLEc算法，对双锥水力旋流器内部流场进行了的三维数值模拟。得到了旋流器内部流场的压力分布特性和速度分布特性。结合流体力学及旋流器理论分析验证模拟结果的正确性。研究发现：在一定范围内，水力旋流器内部压力降随大锥角增加而降低，因此适度增加大锥角可以降低旋流器内部的压力损失

2、和能耗；切向速度随着大、小锥角的增加而增加；而适当缩小小锥角，可使准强制涡半径r。减小，从而提高分离效率。关键词水力旋流器锥角两相分离压力降流场模拟中图分类号TQ051．8+4文献标识码A文章编号0254_6094(2011)05-0572-05水力旋流器是一种大量应用于采矿、石油及化工等行业的分离设备，对其研究常规采用的方法是理论分析和试验测试，随着计算机技术的迅速发展，从而使数值模拟成为研究旋流器的主要方法之一。数值模拟技术除具有成本低、速度快、可提供全流场信息外，还具有模拟真实条件的能力，利用数值模拟技术能反映旋流器内流体的流动规律，可以为旋流器

3、的结构优化提供一定的借鉴。笔者通过改变主要的结构参数(大锥角和小锥角)和操作参数(分流比)进行变参数模拟，目的在于找出旋流器内部的压力和速度的变化规律，进而分析减少能量耗损的方法和途径。1能耗及压力分布水力旋流器内的能耗机制分为：旋流器内压力分布与损失、局部损失、粘滞损失、湍动能耗以及空气柱和出口能量损失等几方面¨。。在水力旋流器内部，形成由准自由涡和准强制涡构成的组合涡结构旧’，因此要想实现旋流分离，磐须有一定的压力损耗。压力降是近似反映水力旋流器内部能耗大小最直接的指标：一方面，在进口压力一定时，减小压力降可提高出口压力，回收更多的能量；另一方面，

4、在出口压力不需要很高时，可降低进口压力，达到节能的目的。当旋流器中流体围绕垂直轴线作旋转运动时，在其半径r处取一宽度为dr和厚度为出的长方形流管(图1)，对其分析后，可得旋流器自由涡范围内任意半径处的静压力分布为"’41：⋯。+尝[-一(玎]㈩图I旋转运动微元体受力分析式(I)可以改写成：址”^=去c"加毫2[(争)2n—t】㈤式中h——水柱高度，m5·黑龙江省自然科学基金(重点)项目(ZD201018)，黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划项目(1155一NCET-003)。}·蒋明虎，男，1962年7月生，教授，博士生导师。黑龙江省大庆市，1

5、63318。第38卷第5期化工机械573“广与圆锥面半径方向垂直的切向速度，m／s。由式(2)可得，旋流器中压力差随入口速度的平方成正比例变化，同时还决定于旋流器半径与任意半径之比的2n次方。n无论是正还是负，Ah恒为正。随着半径r的减小，Ah增大，当半径r减小到某个值时，h=0，即该半径处压力为零‘“。2结构建模特征及数值模拟2．1结构模型的建立本研究过程中采用双锥水力旋流器，如图2所示，此结构模型主要由切向入口、柱状旋流腔、大锥段、小锥段、溢流管及底流管等部分组成。旋流器的结构参数为d；／D=0．267，d。／D=0．286，d．。／D=0．25，

6、L／D=42，大锥角Ot和小锥角0为变化的结构参数。图2液一液水力旋流分离器结构简图1——溢流管；2——人口管；3——旋流腔；4——大锥段；5——小锥段；6——底流管2．2计算模型的选取及边界条件的确定针对旋流器内部强旋转和高强度的湍流，笔者采用基于各相异性的湍流模型——Reynolds应力输运模型(RSM)。雷诺应力模型是求解雷诺应力张量各个分量的输运方程"1，具体形式为：告(p瓦)+击(以瓦)=D’oDL。+P。嵋+‘bF+8“+FF(3)划分网格时采用了局部加密技术，对旋流器人口和溢流口的网格局部加密，以增加计算精度；底流出口流动按充分发展处理，

7、具体确定为：f1．入口边界条件。油水混合物沿切向人口进入旋流器，入口截面法向的时均速度为10m／s，分散相的体积分数为2％，相应的湍流参数(包括湍流强度，和水力直径DⅣ)根据给定流量和入口尺寸经计算得出。b．出口边界条件。将油水分离旋流器溢流口和底流口均设定为与大气相连通，即相对压力为零。c．固壁边界条件。由于模型为静态旋流器，因而所有壁面均设为无滑移壁面。3模拟结果及分析3．1压力损失分析3．1．1改变结构参数对压力降的影响3．1．1．1大锥角由图3可知，在截面I处压力降由器壁向中心逐渐增大，到达中心处达到最大值，且在器壁附近的压力降不为零。在一定范

8、围内，随着大锥角a的增大，压力降Ap随之下降，增幅较为明显。在中心位置附近，角度Ot的改变对于