2种锥段结构的轴流式旋流器内的流场模拟

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

水力旋流器是-种利用密度差来离心分离非均相混合物的分离、分级设备。由于其具有结构简单、无运动部件、操作方便的特点，被广泛的应用在医疗卫生、食品加工、环保、石油化工、矿物工程等众多领域。相对于切向人口旋流器，轴流导叶式旋流器(如图l所示)就有分离效率高，能耗低的优点。

图 1 实体锥段轴流式旋流器传统的轴流式旋流器的锥段是由金属板等不透水的连续介质构成。中国石油大学多相流分离实验室将锥段替换多孔介质(试验中为五层金属烧结网)，从而形成新型的轴流式旋流器，如图2。

收稿日期： 2012-07-23 修稿日期： 2013-03-21基金项目： 教育部 自主创新科研计划新项目(247201058A)；中国石油大学(华东)研究生创新工程项目(CXZC11-17)FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013式中 U W--流体的轴向、径向、切向速度U扑 、W --颗粒的轴向、径向、切向速度P --颗粒密度- - 颗粒直径、 - - 流体总速度、颗粒总速度- - 颗粒运动距离- - 液体分子粘性系数C。--曳力系数0 、a 、a3--常数，其值与处于不同雷诺数范围的颗粒球形度有关尺 --颗粒相对雷诺数采用多孔介质模型模拟多孔介质锥段对流体的阻力作用，对于简单的均匀多孔介质：. . 1Js c2 (11)式中 --多孔介质的渗透性c --内部阻力因子简单的指定D和c分别为对角阵和c：，其它项为零。

2.3 数值解法和边界条件压力与速度耦合方式选择 SIMPLE，压力插补格式选择 PRESTO!，其他离散格式均采用 Firstorder upwind(-阶迎风格式)。

(1)入口边界。采用速度人口，采用湍流强度和水力直径的方式定义湍流。流量 0.9，1.1，1.3，1.5，1.7，1.9m /h转换为入 口速度分别为0.796，0.973，1.15，1.327，1.5034，1.649m/s。利， .2 2用经验公式 ， 0.16(ReDH) 计算得湍流 强度分别为 0.0477，0.0456，0.0448，0.0441，0.0436。水力直径为人口直径 20mm。

(2)出口边界。采用压力出口，采用湍流强度和水力直径的方式定义湍流。溢流口压力通过实验获得，过滤流口的压力设置为大气压，通过调节底流口的压力来实现调节底流率达到 10%。

(3)多孔介质锥段设置。设置为多孔介质模型，内部流动形式设置为层流。在锥形坐标下设置锥段的粘度阻力系数，通过实验得到锥段的径向粘性阻力系数为 1.1706 X 1014 1/m ，流体只沿径向穿过锥段，所以设置轴向和周 向的粘性阻力系数比径向高3个数量级。为模拟锥段对颗粒的拦截作用，将多孔介质锥段内部设置为 porousjump，厚度为 0.0001mm，渗透性为8.5426×10- m(4)DPM模型的设置∨粒从入口和流体同速度射人，浓度为 5g/L，颗粒密度为 2700kg/m。。

颗粒湍流模拟方法选择随机轨道模型(StochasticMode1)，模型参数取默认值～ porous-jump面的壁面类型设置为反弹，即认为过滤流口没有颗粒流出，这与试验是相符的。

2.4 可靠性验证为了验证模拟结果的正确性，将过滤流的模拟结果与试验结果进行对比，见图4。2种条件下数据吻合的较好，表明所采用的计算模型和数值计算方法能比较好的预测旋流器中的流场，具有可行性。

g皿删髓流量(m ，h)图4 过滤流的模拟结果与试验结果3 模拟结果及讨论对比2种结构的轴流式旋流器的模拟结果，发现 2种结构的轴流式旋流器内部的流场存在明显的区别。下面从静压力、轴向速度、切向速度、液固分离效率等方面进行分析 J。

3.1 切向速度切向速度是旋流器内三维速度中最重要的-维，切向速度决定着旋流管中产生的离心加速度和离心力的大小，这是分散相介质分离的先决条件，所以说切向速度是衡量旋流器分离因数大小的重要指标。图5(a)所示为2种旋流器内液流切向速度分布图。从图中可以看出，2种类型的旋流器中切向速度的分布规律基本相同。由中心位置开始，随着半径的增加，切向速度慢慢增加，达到峰值后逐渐下降。切向速度在溢流管末端以下各个水平面上保持恒定。以峰值为分割点，流场被分为内部强制涡和外部准自由涡。对于实体锥段旋流器，其准自由涡部分的切向速度沿径向分布大致符合以下公式 J：2013年第41卷第 6期 流 体 机 械 25口rC (12)式中 U --切向速度- 回转半径、c--与旋流器的工况及内部轴向位置有关的常数黯七求髓媛塔魁摧Iz(mm)日(a)切向速度 (b)轴向速度 (c)静压力图5 2种轴流式旋流器的流场全貌对于多孔介质锥段旋流器，由于渗透流口的存在，对流体产生抽力作用。由于抽力和惯性力的作用方向相同，多孑L介质锥段旋流器的切向速度峰值明显大于实体锥段旋流器，且其准自由涡部分曲线斜率更大。这有利于固体颗粒向边壁附近聚集 ，从而提高液固分离效率。

图6为Z-80截面的流线，从图中可以看出，多孔介质旋流器内部由于抽力的存在，流线向边壁靠拢，液体中携带的颗粒有更多的机会在边壁附近聚集，从而提高分离效率。

(a)实体锥段 (b)多孔介质锥段图 6 2种轴流式旋流器 -80截面的流线3.2 轴向速度轴向速度分布决定着液流在溢流及底流中的分配。图5(c)所示为2种旋流器内液流轴向速度分布图。通过液体轴向速度为零的各点，可以描绘出-个接近圆锥形的表面，称为零轴速包络面(LzVV)。该面内部的液体 向上往溢流 口流动，形成内旋流；而在外部的液体则向下往底流口方向流动，形成外旋流。随着轴向距离的增加，内旋流逐渐减小，当达到-定位置，内旋流减小为零。内旋流大于外旋流。在离心力的作用下，外旋流中的固体颗粒浓度远远大于内旋流。

随着半径的增加，轴向速度逐渐减小，当达到- 定位置，轴向速度减小为零。超过这-位置，轴向速度变向继续增加，在边壁附近达到最大，然后急剧下降，在壁面达到零。在边壁附近位置，多孔介质锥段旋流器的向下轴向速度较大，这有利于边壁附近的高浓度颗领递达到底流口分离出来。在中心位置 ，多孔介质锥段旋流器 的向上轴向速度较小，这延长了内旋流中固体颗粒在旋流器内部的提留时间，有利于固体颗粒的分离。

3.3 静压力旋流器内压力场与其分离过程及能量耗损有密切联系。图5(a)所示的是两种轴流式旋流器内部的静压力云图。在两种旋流器的内部的压力分布规律基本相同，在离边壁较远的位置，从顶盖向下 ，随着轴向距离的增加 ，压力没有太大的变化。在柱段边壁附近，轴 向方 向压力也没有明显的变化。在锥段边壁附近，随着轴 向距离的增加 ，压力减小，并且多孔介质锥段的变化梯度更大-些 ，这有利于固体颗粒沿着壁面向底流口运动。

(a)实体锥段 (b)多孔介质锥段图 7 2种轴流式旋流器内部的静压力云图m 稚 牲 撼蟋m 加 如0 0 0 O O O O O 0 O O 0 O O O O 0 O O 0 O 0 O O6 2 8 4 6 2 8 46 5 5 5 4 4 3 3 3 避- 0 O 0 O O 0 O O 0 OO O O O O O O O 0 OO O O O O O O O O O6 2 8 4 O 6 2 8 4 O 6 5 5 5 4 4 3 3 3囊 疆曩整-FLUID MACHINERY Vo1.41，No.6，2013从图中可以看出，随着半径的增加，两种旋流器的压力-直增加，实体锥段轴流式旋流器在边壁达到最大。多孔介质锥段旋流器由于多孔介质锥段的影响，压力在距离边壁有-段距离的时候达到最大。然后开始减小，在边壁附近形成-个环带状的低压区，是固体颗粒在这-区域聚集，有利于提高过滤效率。多孔介质内部压力成线性下降。直到在锥段外壁达到大气压。对比相同截面，发现多孔介质锥段旋流器的压力明显较低，这说明相同入口流量，多孔介质锥段旋流器的能耗相对较低。

3.4 分离效率对比颗粒随液体进入旋流器，做旋转运动，颗粒向边壁聚集，大部分颗粒随外旋流到达底流口捕捉下来 7引。其余部分随内旋流进入溢流口逃逸。

液固分离效率的定义：- 旦题 廑 r-进料口颗粒浓度由于湍流离散的影响，液固分离效率在-定范围内波动，随着测量次数的增加，效率趋于-个固定值。本文采用计算 100次取平均的方法。图8为2种旋流器对直径 15p，m颗粒的液固分离效率随处理量的变化规律。在当前处理范围内，两种旋流器的旋流器都随着处理量的增加而增加，而且多孔介质锥段旋流器的分离效率明显较高，高5% ～10%。证明，采用多孔介质锥段有明显的提高液固分离效率的作用。

褪求流量(m ，h)图8 2种旋流器对直径151xm颗粒的液固分离效率4 结论分析了旋流器内速度场与压力场的分布，以及利用 DPM模型计算得旋流器的液固分离效率，得到以下结论：(1)采用 RNG k-8模型对旋流器进行模拟，得到了较理想的结果，比较正确地揭示了旋流器内流场的流动规律，从而验证了该湍流模型的可行性；(2)速度场方面，多孔介质锥段旋流器，切向速度峰值较大，向下轴向速度较大向上轴向速度较小，有利于固体颗粒的分离；压力场方面，在边壁附近形成-个环带状的低压区，有利于固体颗粒的分离；相同截面，多孔介质锥段旋流器的压力明显较低，能耗较低；(3)多孔介质锥段旋流器的液固分离效率较实体锥段旋流器高 5% ～10%，具有广阔的应用前景。