旋风分离器流场结构模拟研究

韩梦媛（中石化石油工程设计有限公司 山东 东营 257026）

引言

旋风分离器是一种以离心分离技术作为关键技术的高效分离设备，在石油、化工行业的气固、气液分离领域应用广泛[1-4]。分散相固体颗粒和液滴随气流切向进入分离器产生高速旋转，由于密度差异，分散相会脱离原有的运行轨道被甩向分离器边壁产生分离。分离器内流场是一种高度复杂的三维非定常的不规则流场，数学上很难进行解析描述，CFD方法近十几年来在旋流器的流场研究中发展迅速，本文将基于文献[5]提出的旋流分离器流场模拟优化方法，对柱—锥旋风分离器流场进行分析，旨在对分离器流场进行深入认识，指导进行旋风分离器流动分离机理研究。

一、几何模型与计算策略

1.分离器模型

图1 柱锥旋风分离器

图1 所示为旋风分离器结构示意图，z轴原点位于出口面中心线上，向上为正，其各部分a、b、H 、h、Dc、D、B、S的值分别为：102、41、820、307、102、205 、74、102 mm，分离器分区域划分非结构六面体网格。

2.边界条件与计算方法

入口边界为速度入口边界，速度为19 m/s，顶部出口边界为自由出流边界，底流口边界为固壁边界，底流泄流量为零，具体模型与计算步骤见文献[5]。

二、结果与分析

1.流场分布云图

图2 静压力场

图3 纵向截面流场

图2 所示为分离器入口截面的静压力场，从图中可以看出，在流体进入分离器之前，静压力分布在管道中较为稳定均匀，当单相流体进入分离器之后，静压力场发生变化，沿分离器径向由外向内，静压值逐渐减小，这说明旋转流动是静压向动压的转化过程，转化程度越大，旋流强度越大。

图3为分离器纵向截面的流场分布云图，从图中可以看出，流场在整个分离空间并不是完全的轴对称，而是存在一定的摇摆性，这是由分离器单向入口的几何不对称性以及旋流不稳定性的固有存在造成的，宋健斐等人[6]对此有详细的论述。先前的诸多文献由于计算机硬件条件的限制，对分离器数值模拟进行了轴对称假设，只进行二维简化计算，这对正确理解分离器的流场结构是不充分、不全面的。

2.分离空间流场分布

图4为分离器整个分离空间在不同轴向位置上的切向速度分布，从图中可以看出，旋风分离器切向速度场是典型的“兰金涡”分布，在分离器外部，切向速度沿径向向内不断增大；在分离器内部，切向速度沿径向向外逐渐增大，在某一径向位置存在一个切向速度最高点。以最高切向速度点为界，分为外侧的准自由涡与内侧的准强制涡。从图中同样可以看出，由于锥形截面的收缩作用，使旋流产生加速，不同横截面的切向速度并没有因为壁面摩擦损失的影响而产生衰减，这也是柱锥旋风分离器能保持较高分离效率的原因。

图4 不同截面切向速度

图5 不同截面轴向速度

图5 为分离器整个分离空间不同轴向截面的轴向速度分布，从图中可以看出，轴向速度在分离器的外侧运动方向向下，随着半径逐渐减小，轴向向下的速度逐渐减小，随半径进一步减小，轴向速度为零进而反向向上进行上行流动，并逐渐增大。在分离器轴心位置，由于排气管内旋流耗散，造成分离器中心整个轴线上的静压从上到下逐渐减小，轴心位置的流体产生滞留甚至产生回流。沿分离器轴向向下，轴向速度逐渐减小，这是由分离器三维流场所决定的，分离器在螺旋下行的同时，也不断由于径向流动而进入到内旋流当中，导致下行的流量越来越小，轴向速度也就越来越小。

结论

通过对典型旋风分离器进行三维数值模拟，对其内部流场分布有了一个全方位的认识，具体结论如下：

1.旋风分离器内部流动是一个静压向动压逐步转化的过程，静压向动压的转化程度越大，旋流强度也就越大；

2.旋流分离器内流场并不是轴对称分布的，具体表现为流场在整个纵向截面产生摇摆性；

3.分离器截面切向速度分布是兰金涡结构，分为外侧的准自由涡与内侧的准强制涡，柱锥结构可以保证旋流强度不产生衰减。轴向速度沿轴向向下不断衰减，轴向速度在轴心存在回流。

[1]黄星玮,钱付平.旋风分离器入口结构改进及其对“短路流量”的影响[J].过滤与分离,2008,18(1):8-10.

[2]曹晴云,姬广勤,金有海,王建军.不同结构参数下旋风分离器气相流场的数值研究[J].流体机械,2008,36(6):34-38.

[3]马全,陈建义.旋风分离器芯管结构改进的试验研究[J].化工机械,2007,34(5):241-245.

[4]李红,熊斌.不同入口高宽比旋风分离器内气固流动的数值模拟[J].动力工程学报,2010,30(8):567-572.

[5]陈建磊,何利民,罗小明等.旋流分离器流场模拟研究方法优化选择[J].过程工程学报.2013,13(5):721-727.

[6]宋健斐,魏耀东,时铭显.蜗壳式旋风分离器内气相流场非轴对称特性分析[J].化工学报.2007(58):1091-1096.