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 摘 要： 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究, 液体的连续相采用 RNG K- 模型, 固体离散相采用 DPM 模型, 通过数值分析可以得到旋流器内部流场的情况, 探究进口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
2、率; 粒径大小; 入口速度; 模拟; 旋流分离设备1被广泛应用于石油化工、采矿等行业2-3, 自从 E.Bretney于 1891 年申请了首个水利旋流分离器的专利后, 旋流分离技术的研究开始了飞速的发展。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 CFD4,5软件 FLUENT6,7探究混合物进口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 下载原图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
3、合流体 (常见的有固-液混合物或油水混合物等) 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
4、的分布, 并最终随着外旋流从底部被排出, 或随内旋流从溢流口排出。1.2 RNG k- 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 RNG k- 模型, 在k- 模型的基础上, 增加了一个附加生成项, 从而在一定程度上弥补了标准 k- 模型上的一些不足。RNG k- 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究, 使 RNGk- 模型适合处理低雷诺数、旋转度大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。2 数值模拟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=68m
5、m, h1=200mm, h2=530mm, 入口段内径 50mm, 溢流管长度 160mm。将分离器分为四个区域:入口段、圆柱段、圆锥段、溢流管。旋流器的结构图如图 2 所示。图 2 旋流分离器模型 下载原图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 ICEM CFD 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
6、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, 却增加了计算消耗的资源, 降低了计算的速度。本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 下载原图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 (velocity inlet) , 大小为 20.00m/s;(2) 出口:自由出流 (outflow) , 流量为 1;(3
7、) 颗粒捕集口: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3.1 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, 入口一侧的速度较大;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
8、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, 在顶部又反向沿着溢流口段的外壁向下流动, 形成环形空间内的纵向涡流, 这是最主要的二次涡流, 这种涡流会把一部分颗粒向上带到顶部形成“上灰环”导致无法分离; (2) 溢流管段下端附近有较大的速度, 紊流严重。由于径向速度较大, 小部分流体从进口进入后直接进入溢流管, 形成短路流; (3) 在圆锥段也有一些不规则的小的局部二次涡流。图 4 速度分布图 下载原图图 5 纵截面速度矢量图 下载原图3.1.2 单向流速度分布
9、图 6 纵截面切向速度图 下载原图图 6 为纵截面不同高度处的切向速度图, 切向速度分布的轴对称性很好, 其分布曲线呈“驼峰”形分布, 就是每侧都存在一个最大切向速度点。中心区域旋流运动产生的离心力有利于将颗粒甩向外部;而外部由于旋流强度低, 对颗粒的携带作用减弱 (尤其是一些大粒径的颗粒) , 这样利于颗粒在壁面被捕集。下图 7 为纵截面不同高度处的轴向速度分布图, 轴向速度的分布对称性较好。可将液体分为下行外旋流和上行内旋流两区域。上、下旋流的分界点与旋风分离器的形状有关, 在圆柱段部分, 此分界面大致也呈圆柱状, 其半径一般要稍大于溢流管的半径。图 7 纵截面轴向速度分布图 下载原图3.
10、2 固液分离模拟结果旋流分离器的单相液相流场已经通过计算得到。但旋流分离器实际进行的是液、固两相的分离, 因而必须引入相应的两相流动模型, 对其中的颗粒相研究。本次模拟采用 DPM 模型进行模拟。设置跟踪的步长为 100000 步, 有足够的时间让所有可以离开分离器的颗粒被分离。颗粒在所设置的时间或步长内离开了分离器, 便不再跟踪;若在所设定的时间或步长内没有离开分离器, 便认为分离器不能对该颗粒进行分离, 也不再跟踪。这样, 分离器的总分离效率为:通过整理计算之后的结果可以得到表 2 各种粒径的分离效率以及图 8 各种粒径分离效率柱状图。表 2 各种粒径的分离效率 下载原表 图 8 各种粒径
11、分离效率柱状图 下载原图通过对比可以得到:(1) 当入口流速增大时, 由于离心力场增强, 提高了对沙粒的分离效率。随着入口速度的加大, 旋流器的分离效率也跟着增加, 尤其是小粒径和中等粒径颗粒分离效率的增幅更大, 大颗粒的增幅较小。所以, 入口速度的提高有利于颗粒的捕集, 分离器分离效率也越高。然而, 入口流量不能太大, 随着流量的增加, 压力的损失也相应增加。另外, 过高的流速会加大颗粒的破碎以及分离器内壁面的磨损。(2) 相同的流量下, 颗粒粒径越大, 其分离效率越大, 但增加的幅度越来越小, 最后趋向于稳定。从理论上说, 旋流分离器都有一个固定的临界粒径, 小于临界粒径的微粒是无法被捕获
12、的, 但实际上, 颗粒进入了分离器之后, 因为存在颗粒间的互相碰撞, 颗粒的聚集夹带及静电和分子引力等因素, 颗粒的运动有较大的随机性, 使得一部分小于临界粒径的颗粒也可以被捕集, 同样的, 一部分大于临界粒径的大颗粒也可能会逃逸。参考文献1Chine B, Concha F.Flow patterns in conical and cylindrical hydro-cyclonesJ.Chemical Engineering Journal, 2000, 80:267-273. 2辛周, 龚俊, 黄建龙, 等.旋流分离技术在黄河泥沙分离中的应用J.兰州:兰州理工大学学报, 2004, 30
13、 (4) :67-69. 3王福军.计算流体动力学分析:CFD 软件原理与应用M.北京:清华大学出版社, 2004, 30 (4) :67-69. 4Cullivan J C, Willaams R A.New understanding of a hydrocyclone flow field and separation mechanism from computer fluid dynamicsJ.Minerals Engineering, 2004, 17:650-660. 5徐继润.罗茜水力旋流器流场理论M.北京:科学出版社, 1998. 6韩占忠, 王敬, 兰小平.FLUENT 流
14、体工程仿真计算实例与应用M.北京:北京理工大学出版社, 2004. 7A W B, J N T.Mineral Processing TechnologyM.Amsterdam:Elsevier Science&Technology Books, 2006:212-223. 8Chu K W, Kuang S B, Yu A B, et al.Particle scale modelling of the multiphase flow in a dense medium cyclone:Effect of fluctuation of solids flowrateJ.Minerals Engineering, 2012, 33:34-45. 9Chu K W, Wang S B, Yu A B, et al.Particle scale modelling of the multiphase flow in a dense medium cyclone:Effect of vortex finder outlet pressureJ.Minerals Engineering, 2012, 31:46-58.
