导向叶片结构对气液旋流器性能的影响研究

黄龙 邓松圣 陈志

（1.后勤工程学院，重庆 401311；2.中国石油集团工程设计有限公司西南分公司，成都 610041）

由于旋流分离器能产生相当于几十上百倍重力加速度的离心力场[1]，效率较高，所以，相比于重力式分离器，旋流分离器近年来越来越受到重视[2]。与常规的切入式水力旋流器不同，导叶式旋流器是以轴向为入口，靠导向叶片改变流体方向形成旋流，压降更低，处理量更大，结构也更加紧凑[3]，对入口速度的依赖也更小。某新型导叶式旋流器用作天然气重力分离器的入口初分离装置，导向叶片是旋流器的唯一旋转加速部件，其结构直接决定着旋流器的流场分布，对旋流器的性能有着重要影响[4]，有必要对其进行深入研究。

本文利用计算流体力学软件，采用预测精度较高的雷诺应力模型及DPM模型[5]对某新型轴流导叶式旋流器内部流场进行了数值计算，探索了导向叶片结构参数对旋流器速度、压降及分离效率的影响。

1 模型建立

该旋流器竖直安装，气液混合物从入口轴向进入，流经内筒体时流道面积减小，速度增大，然后经过导叶产生旋转，液体被甩向筒壁，从分水口处进入分水罩，从液相出口流出，气体经过弯管改变方向后进入重力式分离器。具体的尺寸为：外筒直径do=100 mm，内筒直径di=70 mm，长度L=200 mm，内筒体上、下引导锥长度L1=300 mm，分水口宽度Lf=5 mm，分水罩直径df=160 mm，导叶的数目为8叶，主要结构参数有导叶末端与水平面的夹角即出口角α和导叶从入口端到出口端的扭转角度β，如图1所示。

通过Solidworks三维建模后导入Gambit，划分区域后采用六面体与四面体形成混合网格。模拟采用实际工况下的天然气介质，密度为82.09 kg/m3，黏度为1.32×10-5Pa·s，离散相为水，液相体积分数约为3%。湍流模型采用精度较高的RSM模型，入口边界为速度入口，根据日处理量20×104Nm3/d计算平均速度，出口按充分发展来处理，壁面为无滑移边界条件，设定分流比为3%；多相模型采用DPM模型，液滴从入口处均匀入射，进入分水罩底部则被捕集分离。

2 导叶参数对旋流器性能影响分析

2.1 导叶出口角的影响

导叶出口角α（见图1）直接规定了气液混合流体流出导叶时的流动方向，对流场影响较大。图2、图3分别为不同入射角度下分离区（叶片下缘30 mm处）轴向速度和切向速度沿径向变化曲线。

图2 不同导叶出口角下分离区轴向速度曲线

图3 不同导叶出口角下分离区切向速度曲线

可以看到，轴流导叶式旋流器的切向速度和轴向速度都保持较为严格的对称，不存在传统切向入口旋流器的偏心紊动现象[6]，这有利于离散相的平稳分离，是轴流式旋流器的一大优势所在。从图2可以看出，轴向速度基本保持不变，这是由于α角并未改变流道过流面积，而流量不变，故轴向速度也不变。设叶片出口处的气体速度为V0，分离区内气体的轴向、切向速度分别为Va、Vt，则有下列关系式：

Va相同，当α角越小时V0越大，Vt也就越大，这从图3可以明显看出。由于α是锐角，故切向速度明显大于轴向速度，这有利于离心分离。

图4为不同导叶出口角时的分离效率曲线，可以看见，随着α角的减小，切向速度增大，使液滴所受离心力增大，而轴向速度不变，液滴受到的向下的气流曳力也较小，所以，分离效率也逐步提高，但是提高的效果在减弱，当出口角减小到25°以下时，对分离效率（特别是15μm以上的较大液滴）的提高效果已经不明显，曲线趋于一致。并且从图5可以看到，出口角减小还会使旋流器压降直线上升，增大旋流器的能量损耗。所以，旋流器分离器导叶出口角度保持在23°～25°时较为合适，这样可以提高分离效率，同时减少资源的浪费和压力的无谓损失。

图4 不同导叶出口角下分离效率对比

图5 导叶出口角对压降的影响

2.2 导叶扭转角的影响

导叶扭转角度β是叶片的另一重要参数，和导叶出口角一样，改变β角不会对轴向速度造成影响，如图6所示。而对于切向速度，增大β相当于在同样的流道长度内使气流偏转更大的角度，自然会造成分离区切向速度的增大，如图7所示。可以看到，随着导叶扭转角的增大，分离区切向速度基本保持正比增加，并且增大幅度较改变α角要大。

图6 不同导叶扭转角下分离区轴向速度曲线

图7 不同导叶扭转角下分离区切向速度曲线

切向速度的增大会提高旋流器的分离效率，如图8所示。可以看到，导叶扭转角对分离效率的提高效果较为明显，除了10μm以下的液滴由于受紊流和气流夹带影响大，提升效果不明显外，其他粒径液滴都有5%～10%的提升，直至效率接近100%。

图8 不同导叶扭转角效率曲线

但是同时，切向速度的增大也会导致旋转流体与筒壁间的摩阻损失加剧，增大旋流器的能量损耗，从图9可以看出，压降与β角的增大呈线性关系，β角每增大5°，压降增大900Pa左右。此外，由于该旋流器是用于重力分离预处理，过高的切向速度会导致旋流器出口处气流的紊乱，不利于后续的沉降分离。所以，对于叶片扭转角度，建议可以适当增大以提高效率，但不宜过大。

图9 导叶扭转角对压降的影响

3 结论

3.1 轴流导叶式旋流器速度分布对称，消除了偏心紊动，有利于离散相的平稳分离。

3.2 导叶出口角对轴向速度无影响，减小导叶出口角能加大切向速度从而提高分离效率，但是提高效率逐渐减弱而能量损耗增加，故导叶出口角保持在23°～25°为宜。

3.3 导叶扭转角也不影响轴向速度，切向速度与导叶扭转角成正比，增大导叶扭转角可以提高效率，同时压降也直线增加，建议可以适当提高导叶扭转角，但不宜过大。

[1] 林存瑛.天然气矿场集输[M].北京:石油工业出版社,1997.

[2] 褚良银,陈文梅.旋流分离理论[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[3] 丁旭明,王振波,金有海.两种入口结构旋流器性能对比试验研究[J].化工机械,2005,32(2):69-71,87.

[4] 王振波,马艺,金有海.导叶式旋流器内油滴的聚结破碎及影响因素[J].化工学报2011,62(2):399-406.

[5] 韩占忠.FLUENT——流体工程仿真计算实例与分析[M].北京:北京理工大学出版社,2009.

[6] 宋健斐,魏耀东,时铭显.蜗壳式旋风分离器气相流场的非轴对称特性的模拟[J].化工学报,2005,56(8):1398-1402.