不同入口流速下新型水力旋流器内部流场分析

张蓓蓓， 蒋明虎，邢 雷，卢秋羽， 慎英才

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆市环境保护局，黑龙江 大庆 163312；3.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500)

不同入口流速下新型水力旋流器内部流场分析

张蓓蓓1、2， 蒋明虎1，邢 雷1，卢秋羽1， 慎英才3

(1.东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆市环境保护局，黑龙江 大庆 163312；3.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500)

水力旋流器较多地应用在选矿、采矿、化工、石油、生物工程、食品、医药、纺织等多个部门，属于工业行业应用中的分离设备之一，近些年又较多应用在环保领域的工业污水分离处理作业中。本文以一种新型水力旋流分离结构为目标载体，主要分析入口流速度对其内部流场特性的影响。本文首先通过Meshing软件对新型水力旋流器流体域模型进行网格划分，再采用fluent软件在入口流速不同的情况下对旋流器内流场进行数值模拟，最后得到结论为：该水力旋流器油相出口的油相分布呈单峰分布，油相体积分数与入口流速呈正比关系，由于水力旋流器内存有轴向零速过渡区，因此随着入口流速的不断增加，轴向速度值也在不断地增高。但是轴向零速过渡区大小和位置基本不发生变化。

旋流器；流场；分离；流速

0 引言

液-液水力旋流器的理论研究基本上是从20世纪80年代开始的。液滴在旋流腔内部的运动相比固体颗粒要复杂很多，不能确定其形状，并且在高速的旋转中也比较容易破碎。截止目前关于旋流器内部流场分布规律的研究分析仍处于起步阶段，对影响旋流器内部流场分布的各种因素进行探索，对旋流分离装置的进一步应用以及发展有着重要的意义[1-7]。本文以一种新型水力旋流分离结构为目标载体，主要分析入口流速度对其内部流场特性的影响，初步探索出了该种结构的内部流场分布规律。

1 物理模型及网格划分

相比于其他的分离设备，水力旋流器具有结构简单、分离效果好等优点。但是由于其复杂的分离过程，并且结构参数对水力旋流器分离性能影响较大。因此，确定某参数与旋流器性能的关系是十分重要的。本文所涉及的新型水力旋流器如图1中所示，来液由切向入口进入，经过多级分离，实现油水高效分离，旋流器内部设有增压原件对液体进行加速。

图1 新型水力旋流器流体域模型

通过Meshing软件对新型水力旋流器流体域模型进行网格划分，最终得出如下所示网格划分情况，网格单元总数为163800万，网格有效利用率为98.6%。

2 物性参数及边界条件

2.1 物性参数

主相(水)：密度ρ=998.2 kg/m3，运动黏度μ=1.003g(m·s)；离散相(油)密度ρ=889kg/m3，运动黏度μ=1.06 Pa·s，油滴粒径设置为0.35 mm。

2.2 边界条件

采用速度入口为入口边界条件，速度分别设置为10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s，入口的油相体积分数为20%；出口边界均设置为自由流出口，轴向油相出口的分流比为40%；假设无滑移壁面边界、不可渗漏条件。湍流模型采用雷诺应力(Reynold-Stress)模型，采用传统的SIMPLE算法用于压力-速度耦合计算，采用QUICK格式离散动量方程的对流相。

3 模拟结果分析

采用fluent软件在入口流速不同的情况下对旋流器内流场进行数值模拟，分析其流场内分离过程流体运动规律与分离性能。按照如下速度参数对新型旋流分离器的结构进行了数值模拟计算。通过对比不同的入口速度条件，分析得出新型旋流分离结构的内部流场规律。

表1 实验方案表

针对水力旋流器内的流场情况，设置各边界参数及初始条件对模型进行求解分析。数值模拟实验将来液设为油、水两相混合液，如图3所示。

图3 观测分析结果截面

3.1 入口流速对切向速度的影响

Ex1、2、3、4分别对应的为入口流速10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s的试验，对不同流速情况下的内流场进行分析。

图4 (a) B截面不同入口流速下的切向速度分布；(b) C截面不同入口流速下的切向速度分布

图4为在不同的入口速度下，B截面和C截面沿径向方向的切向速度分布曲线图。随入口的流速增大，其切向速度的分布情况并没有改变，但切向速度值整体呈现增大趋势，旋流器内流场的强度也随之增大。

3.2 入口流速对轴向速度的影响

图5 (a) B截面不同入口流速下的轴向速度分布；(a) C截面不同入口流速下的速度分布

图5为在不同的入口速度下，截面B和截面C沿径向方向的轴向速度分布曲线图。可以看出速度规律基本相同，随入口流速增加，轴向速度值增大，对轴向零速过渡区位置和大小并未形成明显的影响。

3.3 入口流速对油相体积分数的影响

图6 (a) A截面不同入口流速下的油相体积分数；(b) D截面不同入口流速下的油相体积分数

水力旋流器结构共有两个油相出口，分别为A截面和D截面，从图中可以看出随着入口流速的增加，油相体积分数的曲线高度也在增大。入口流速增加会影响油相出口的油相分布，速度越大油相分布越集中于轴心。

4 结 论

该水力旋流器油相出口的油相分布呈单峰分布，油相体积分数与入口流速呈正比关系，即入口流速增大时油相体积分数更集中，但油相体积分数的分布形式并不发生变化。水力旋流器内存在轴向零速过渡区，随着入口速度的增大，轴向速度值增高，但是轴向零速过渡区大小和位置基本不发生变化。

[1] 马艺,王振波,金有海.导叶式液液旋流器内油相浓度分布数值模拟[J].化工学报,2011,62(2):420-426.

[2] 于长录,任相军,马艺,等.不同入口流速下导叶式液液旋流器内流场与性能分析[J].化工机械,2011,38(5):535-538.

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[责任编辑：崔海瑛]

张蓓蓓(1984-)，女，黑龙江大庆人，工程师，主要从事油田污水处理技术及不互溶介质多相分离技术研究。

国家863项目“井下油水分离及同井回注技术与装备”(2012AA061303)；东北石油大学培育基金“旋流场内离散相粒子运移规律及分离动力学研究”(NEPUPY-1-15)；东北石油大学青年基金项目“旋流场作用下非均相非牛顿流体的流变特性研究”(2013NQ117)。

TQ051.8

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2095-0063(2016)06-0094-03

2016-09-28