旋流分离器液固分离数值模拟研究

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1、旋流分离器液固分离数值模拟研究杨博文郑小涛周瀚浩文王浩宇黄苏武汉工程大学机电工程学院旋流分离器被发明至今已有一百多年，是一种古老而现代的多相流分离技术。被广泛用于各个行业。水力旋流器的内部进行着复杂的两相流运动，是液相以及固体颗粒相分离的一个过程，而固体颗粒的在旋流器内部的运动，很大程度上由液相的运动所决定。本文通过采用CFD软件FLUENT对旋流分离器进行模拟研宂，液体的连续相采用RNGK-e模型，闹体离散相采用DPM模型，通过数值分析可以得到旋流器内部流场的情况，探宄进U速度以及颗粒大小对分离效率的影响。关键词：旋流分离器;分离效率;粒径大小;入口速度;模拟;旋

2、流分离设备m被广泛应用于石油化工、采矿等行业［2-3］，自从E.Bretrwy于1891年申请了首个水利旋流分离器的专利后，旋流分离技术的研宄开始了飞速的发展。分离效率是评价一个旋流分离器好坏的一个很重要的参数，影响分离效率的因素有许多，主要分为三类:操作参数、结构参数和物性参数。本文利用CFD〔4,5〕软件FLUENT［6,7〕探究混合物进门速度以及分离颗粒的粒径对旋流分离器效率的影响。1旋流分离器的工作原理1.1基本原理图1旋流分离器内部流动情况离心沉降作用是旋流分离设备的主要工作原理，在一定的压强作用之下，由入口进入的混合流体（常见的有固-液混合物或油水混合物

3、等）沿着切向方向进入到旋流分离器的内腔之后，由于高质相和低质相存在着密度差，所以受到不同的的向心浮力、离心力以及流体阻力，所以在旋流分离器内壁的限制下，部分流体一边向下一边向中心做着旋转运动，这些便形成了外旋流，由于旋流分离器内部中心低压区的吸引以及分离器圆锥段的限制，内部的流体变为向上做着旋转运动，这些便形成了内旋流，如图1所示。随着流动半径的减小，压力能逐渐转变为流体的动能和其他的能量损失。高质相在径向主要受到:离心惯性力，向心浮力和流体阻力［8-10］，这3个不同的力促使不同密度不同粒径的微粒在旋流分离器的径向上有序的分布，并最终随着外旋流从底部被排出，或随内

4、旋流从溢流口排出。1.2RNGk-e湍流模型Yakhot和Orszag等人利用重整化群理论发展并改进而成的RNGe模型，在k-e模型的基础上，增加Y—个附加生成项，从而在一定程度上弥补Y标准k-e模型上的一些不足。RNGk-e模型考虑了有效雷诺数对湍流输运的影响，通过对旋转流动的研宄，使RNGk-e模型适合处理低雷诺数、旋转度人的流动以及高应变率的流体。所以，本文中将采用该模型进行数值计算。viz/2.1计算模型本次计算采用的主要几何参数如下：D=275mm，S=50mm,B=32mm,De=68mm,hl=200mm，h2=530mm，入口段内径50mm,溢流管长

5、度160mm。将分离器分为四个区域:入口段、圆柱段、圆锥段、溢流管。旋流器的结构阁如图2所示。图2旋流分离器模型2.2网格的划分网格的生成为数值模拟前处理的一个过程。模型的网格划分是进行数值计算非常关键的一步，网格质量的好坏，不仅仅会影响到计算结果的准确度，而且会让计算结果出现较大的错误。针对旋流分离器内部的流场特点，此次计算将采用ANSYS自带的ICEMCTO对旋流器网格进行划分。经过大量模型计算，比较后证明：计算网格划分得太稀疏，不能准确反应流场的特征，误差大；网格数目达到一定程度时，己经可以较好地反映出真实的情况，继续增大网格数目，不再能加强计算的精度，却增加

6、了计算消耗的资源，降低了计算的速度。木章模型将整个计算域划分为53万左右的网格数目，包含156万个面，54万多个节点，可以得到很好的计算结果。网格划分如图3所示图3分离器网格划分2.3计算的材料以及边界条件材料参数如表1，所说的边界条件是在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。(1)入口：速度进口(velocityinlet),大小为20.00m/s;(2)出口：自由出流(outflow),流量为1;(3)颗粒捕集U:自由出流(outflow),流量为0;(4)本次模拟的离散相为沙粒，密度为1500kg/m。表1材料参数下载原表3模拟结果3.

7、1单向流结果3.1.1单向流速度云图由于本次采用的单侧入口，导致了旋流器内部的漩涡核心并不在轴心。从图4中可得到，圆柱段的速度对称性差一些，而圆锥段的速度对称性较好，等速度线基本上是圆环。从全局来看，分离器内部的液体旋流是比较对称的，由速度分布的云图颜色可以看出，上部分的速度大小的对称性略差，入门一侧的速度较大;而越趋向下部分，速度大小分布的对称性越好。图5为纵截面上的速度矢量图，从图中可以看出，水在进入旋流分离器之后，开始向下流动，形成外旋流，到达分离器底部之后再向上流动，形成内旋流。在主流上伴有许多局部二次涡流：(1)进入旋流器后，部分液体沿壁面向上运动，在