水力旋流器油-水分离性能数值模拟

王 军，陈 宁

● （江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003）

水力旋流器油-水分离性能数值模拟

王 军，陈 宁

● （江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003）

本文对两种不同入口型式的水力旋流器的流场进行了数值模拟，湍流模型采用雷诺应力模型，并结合油-水两相流MIXTURE混合模型进行分析，得出：单入口旋流器流场切向速度、轴向速度呈偏心分布，而切向双入口型式的旋流器流场分布对称性明显优于单入口型式；切向双入口旋流器在油-水两相分离时，油相浓度沿着径向方向变化率更大，且更易于向中心区汇聚，利于分离，分离效率要高于单入口旋流器；实验结果证明了模拟结果的正确性。

水力旋流器；雷诺应力模型；两相流

0 引言

水力旋流器是一种利用产生的切向高速旋流场对流体进行分离、分级、筛选的设备，它结构简单，可广泛用于石油、化工、环保等行业，近年来，在船舶舱底水的油-水分离中也逐步开始应用。水力旋流器的内部流场是一种强湍流流动，这种强湍流场一方面会造成被分离相随湍流无序扩散，降低了分离性能，另一方面也使得旋流分离的能耗增大。本文应用fluent软件，结合雷诺应力模型[1]和多相流分析方法，对切向单、双入口型旋流器用于油-水两相分离进行了数值模拟，并采用实验验证了模拟结果。

1 湍流模型

旋流器内的流场是一种高雷诺数（可达 105-108量级[2,3]）、强旋流流动，湍流粘性系数呈各向异性[4,5]。由于强旋流场中的流线呈高速旋转、弯曲，且变化迅速等特点，标准的k−模型已不能准确描述内部流场特征，由于雷诺应力湍流模型增加了湍动能和湍动能耗散率并考虑到了湍流粘度的各项异性，使复杂强旋流场的模拟结果具有更高的预测精度。

对不可压缩介质的雷诺应力模型所对应的方程包括[6]：

运动方程：

式中，Ui为时均速度；gi为重力加速度分量；P为压力；t为时间；u'为脉动速度；xi为笛卡尔坐标分量；ρ为密度；μ为粘度。

应力输运方程：

其中，δit为Kronecker符号，k为湍动能，ε为湍动能耗散率；μt为湍动粘度；，Cu为湍流粘度各向异性系数；剪应力项压力应变项

方程（1）～方程（5）构成了水力旋流器内封闭的雷诺应力微分方程。

2 三维模型及网格划分

三维模型尺寸如图1所示：总长H= 765mm，圆柱长度H1= 65mm，锥管长度H2= 500mm，直径D= 50mm，入口直径di= 20mm，溢流口直径de= 4mm，底流口直径dc= 20mm。

图1 旋流器基本结构图

采用四面体和六面体网格划块，并进行网格叠加，划分后总网格为152024个。

3 边界条件及其他设置

1）入口边界：采用速度入口velocty_inlet，速度方向为切向。

2）底流出口边界：采用速度出口velocty_outlet1，底流出口边界为湍流充分发展状态。

3）溢流出口边界：采用速度出口velocty_outlet2，符合质量守恒。

4）固壁边界 ：壁面无渗漏，采用无滑移边界条件。

5）其它：设体积比，油相:水相=1:9，水的密度：998.2kg/m3，粘度：0.001003Pa·s；油的密度：850 kg/m3，粘度：0.050 Pa·s，入口流量为定值，设Qin=3m3/h。

本算例中，取QUICK差分格式，采用SIMPLEC算法和 PRESTO!格式作为压力差补。运用雷诺应力模型（RSM 模型）先对单相、定常流动进行计算，待其结果收敛后，通过混合模型MIXTURE，将第二相加入进去，完成对油-水两相流的计算。

4 计算结果与分析

4.1 入口结构形式对流场的影响

图2为单、双入口旋流器入口截面处切向速度矢量分布图。由图2可见，入口结构形式对切向旋流的产生和分布有很大的影响，流体沿切向入口高速进入旋流器，在离心力作用下，沿器壁产生强烈的旋流场，同时，流体经旋转后速度会逐渐的降低，这说明随着旋流的进行，动能减弱，并与连续进入的流体发生了碰撞、混合等能量损耗。在入口附近的切向速度分布密度要明显大于其他部位切向速度分布密度，速度场表现为偏心不均匀性。显然，切向双入口结构形式从空间上实现了内部流场的对称分布，大大减弱了速度场的偏心程度，提高了分离的稳定性。

图2 单、双入口截面切向速度矢量图

4.2 单、双切向入口型式旋流器切向速度、轴向速度分布特点

在旋流器流场内，对分离效果影响最大的是切向速度，而轴向速度会对溢流及油-水两相沿溢流口和底流口流动的时间会有影响，选取溢流管出口截面为高度基准（z=0），图3为切向单、双入口旋流器在切向入口截面z=350mm处的切向速度、轴向速度分布规律。

从图3（a）可以看出切向速度分布特点为：从壁面沿径向至中心，切向速度不断增大，在距离中心半径r=10mm附近达到最大值，而后向轴心区呈快速减小，这是一种典型的组合涡形式，即：切向速度峰值位置将旋流场分为了器壁附近的强制涡区和中心附近的准自由涡两个区域。

在数值上，双入口型旋流器的切向速度峰值（10.1m/s）要高于单入口型切向速度峰值（8.94m/s），这表明双入口型旋流器的离心力场要大于单入口型，有利于分离，且对称性明显要优于单入口结构型式。而单入口型旋流器切向速度场表现为非对称性，其最小值在偏离中心半径r=1.29mm处取得。

从图 3（b）轴向速度分布特点为：轴向速度在近壁面处为负值，在中心区域速度为正值，在中心附近有最大值，在近壁面有最小值，轴向速度由负值向正值转变位置处存在速度零点（r=8.2mm）。单入口型的轴向速度最小值在左右两侧分布位置出现了较为明显的偏离和波动：在左侧半径r=-14mm处，轴向速度最小值为-2.44m/s，在右侧半径r=13.9mm 处，轴向速度最小值为-1.22m/s，呈现明显的速度分布不对称现象。双入口型具有更好的轴向速度分布对称性。

图3 切向速度、轴向速度分布

4.3 油-水两相体积分数分布规律

体积分数的变化规律，反应了体积浓度的变化规律，设体积比为油相:水相=1:9，混合均匀。计算时，先以水为单相流进行计算，再将油相加入，运用MIXTURE混合模型，进行两相流模拟。图4为z=350mm截面处，两种不同入口结构型式旋流器油相、水相体积分数分布图。

图4 油-水两相体积分数分布

从图4中可以看出，油和水的体积分数分布规律呈相反的变化趋势。图4（a）可见，从器壁向中心，油的体积分数随越来越大，表明了中心区域为密度较小的油液聚集区，图4（b）则显示了密度较大的水的体积分数由器壁向中心，随半径的减小而减小，这一特点表明了油-水混合液在旋流时，轻质油相向旋流器中心集中，水相多分布于旋流器壁面处。对比图4（a）、图4（b）可见，双入口型的油相体积分数在中心附近要高于单入口型，而壁面处的油的体积分数又低于单入口型式的，两条曲线出现了交叉。这表明，切向双入口型式的油相体积分数沿径向方向的变化率更大，油相更容易从壁面区域向中心区域集中，分离效果更好，图4（b）中的水相体积分数也进一步证实了双入口型的旋流器比单入口型的中心区域水含量更低，且大多集中在器壁附近的外旋流空间，这也与前文得到的双入口型旋流器更有利于分离这一结论是一致的。

4.4 分离性能实验测试系统

根据模拟结果得到的油-水两相体积分数分布，结合分离效率定义可估算旋流器的分离性能，其结果是，单入口型分离效率约为 91%，双入口型分离效率约为 94%，明显要高于单入口型的分离效率。为了进一步验证数值模拟结果的正确性，对单、双切向入口型式旋流器分别了实验测试，实验系统如图5所示，实验流量为3m3/h，溢流率为10%。

图5 实验测试原理图

图6 分离效率曲线对比

两种结构型式旋流器的实验测试值与模拟计算值结果如图6所示。从图6可见，实验测试结果与数值模拟结果接近，分离效率变化规律基本相同：随着流量的增大，分离效率不断提高，这是因为入口速度不断提升，使得切向速度和离心力都增大，有利于分离，但当流量超过3m3/h时，实验值测得的分离效率呈下降变化，而模拟计算结果却显示分离效率较为稳定，因为在实验测试时随着流量的加大，入口压力会提高，会造成油滴碎裂与水形成乳浊液，难于进一步分离。而在模拟计算时，假定是油水混合均匀，并没有考虑到油滴破碎的发生，这将使得模拟计算值总体上要比实验测试值略高。

5 结论

运用雷诺应力模型对两种不同入口结构型式水力旋流器流场进行模拟计算，得到了如下的结论：

1）单入口旋流器流场切向速度、轴向速度呈偏心分布，有明显的不对称性[7]，这与入口结构不对称有关，而切向双入口型式的旋流器能改善流场，减少能量消耗，流场分布对称性明显优于单入口型式。

2）切向双入口旋流器在油-水两相分离时，油相浓度沿着径向方向变化率更大，且更易于向中心区汇聚，利于分离，稳定性好，分离效率要高于单入口旋流器。

[1]牛贵锋,艾志久,刘春全,等.油水旋流分离器流动机理和分离性能研究[J].石油矿场机械,2007,36(9):13-17.

[2]NOWAKOWSKI A F,DYAKOWSKI T.Investigation of swirling flow structure in hydrocyclones[J].Trans IchemE,81(A):862-873.

[3]金有海,马艳杰,许伟伟,等.排气芯管结构对导叶式旋风管内流场影响的数值模拟[J].中国石油大学学报:自然科学版,2009,33(6):87-90.

[4]褚良银,陈文梅,戴光清,等.水力旋流器[M].北京:化学工业出版社,1998:25-27.

[5]Li Jian ming.Numerical simulation of turbulence two-phase flow within hydrocyclone and their separation performance[D].Chengdu:Sichuan Unit Univ.,1997:12-13.

[6]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

[7]王军,陈宁.旋流器流场模拟及特性分析[J].江苏科技大学学报（自然科学版）,2012,26(4):366-369.

Numerical Simulation on Performance of Hydrocyclone for Oil-Water Separation

WANG Jun,CHEN Ning
(Institute of Energy and Power Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

The numerical simulation of the flow field of hydrocyclone based on two different types of entrance,turbulence model based on the Reynolds stress model,combined with the MIXTURE mixed model of oil - water two phase flow is analyzed.The results obtained are:single entrance flow in cyclone tangential velocity,axial velocity is an eccentric distribution,while the tangential double entrance type hydrocyclone flow field symmetry is obviously better than the single entrance type; tangential double entrance hydrocyclone in oil - water two phase separation,the oil phase concentration along the radial direction change rate higher,and easier to converge toward the center,to facilitate the separation,the separation efficiency is higher than that of single entrance hydrocyclone; experimental validity results show that the simulation results.

Hydrocyclone,Reynolds Stress Model,Two Phases Flow

TD928

A

王军（1978-），男，研究生，讲师。主要从事船舶设备和动力装置等性能研究及教学、船舶数字化设计、仿真等。