新型卧式气液分离器内流场数值模拟

高继峰，王 丽，麻宏强，*，张春娥，段详杰，贾继伟

(1.中石化中原石油工程设计有限公司，河南 濮阳 457001；2.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

在中央空调机组中，通过大型的冷水机组来提供需要的制冷量；风冷机组在冬天制热时通过四通换阀转变制冷剂的流向，从而切换制冷和制热的功能[1].故在风冷式冷水机组中，特别是热泵机组，由于不同工况下使用不同量的制冷剂来满足冷量的要求，有可能存在部分制冷剂液体进入蒸发器后不完全蒸发而直接进入到压缩机的现象；因此，必须使用气液分离器，将其安装在冷剂管路中的蒸发器之后，压缩机之前.一方面为了避免液态制冷剂进入压缩机破坏润滑或者损坏涡旋盘，影响空调系统运行；另一方面气液分离器可同时起到储液的作用[2].

在建筑结构中，中央空调机组要求的安装层最高.当安装高度受限时，宜采用卧式的气液分离器，从而减少对空调主机安装空间的占用.

孙李[3]对两管制热回收多联机系统中的气液分离器的结构进行了模拟优化设计，其结构可明显增加分离器气侧出口的干度.

王丹东[4]等搭建了气液分离器系统实验台，开展了U型气液分离器可视化微观实验研究.实验表明大部分经分离的液态制冷剂会从U型管底部的回油孔吸入到压缩机中，当分离器入口为过热状态时，无制冷剂积存.当入口具有一定干度时，将形成一定的液位高度；分离器出入管管径增大或者干度的减小均会使得积存的液面高度增加；入口流量的增大时积液高度呈现出先增后减的趋势.

陈秋燕[5]利用CFD技术以及实验方法分析了复叠式制冷系统中影响重力沉降式气液分离器分离效果的因素，包括分离器进口管位置、入口混合物液滴直径、制冷剂进口速度.对未加伞形罩与加伞形罩的重力沉降式气液分离器分离效果对比，发现加伞形罩并改变结构后的分离器其分离效果为改变结构前的气液分离器分离效果的1.75倍.

吴腾飞[6]设计了一种适用于重力供液制冷系统的气液分离器，运用液滴动力学对分离器内流场的单液滴进行了动力学分析，并将单液滴模型用于气液分离器结构的设计中，并模拟分析了气液分离器的内部流场.当分离器直径减小为原来的75%时，气相出口截面平均液相体积分数变为1.0689*10-8，对于实际制冷系统来说是合理的；

此外，通过利用重力供液制冷系统的试验平台分析气液分离器形式对重力供液制冷系统的影响，发现分离器的结构形式对制冷系统的性能影响较小，但当分离器直径减小了25%，蒸发器内蒸发温度波动剧烈；分离器内制冷剂存储量大大减少，当液位处于控制液位时，分离器存储量仅为原来的19.1%.

上述研究的不同系统中的分离器多为立式，而卧式分离器的研究较少.因此，能够合理的设计卧式分离器以充分借助重力作用，确保达到与立式气液分离器相同的分离效果，在空间与效果之间达到平衡[7].基于上述要求，本文建立了气液分离器流场模拟模型；分析了分离器内部构件对流场特性的影响；确定了最佳的分离器结构.

1 数值模型研究

1.1 物理模型建立

本文提出的一种新型的气液分离器，其结构简单、维修管理方便，结构如图1所示.该结构的分离器主要由分离室和集液筒两个主体部分组成，通过中间的连通管连接.分离室直径1 000 mm，长度4 225 mm，集液筒直径为330 mm，封头为标准封头.

对于该分离器，气液两相流体进入分离室后，由于气、液两相的密度不同，气液两相在落到分离室底部后引起液滴飞溅，实现了初分离；由于气体质量较轻，在向上流动的过程中液滴逐渐凝聚，当其重力大于升力时液滴掉落到分离室底部；随着底部液体的不断积累，液体最终经过连通管流入集液筒中，而气体则直接从出口流出，实现了最终的分离.

1.2 数学模型分析

1.2.1 计算模型及相关设置

本次模拟由于流体速度较小，可以假定为不可压流，求解器采用压力基求解器、非稳态时间格式；求解方法采用默认的SIMPLE算法；压力插值格式采用PRESTO格式，动量、湍动能、湍流耗散率选择一阶迎风格式；湍流模型选取标准k-ε模型；近壁面处理采用标准壁面函数；多相流模拟采用VOF模型，可以得到一种或多种互不相融流体间的交界面，多相流模拟时的体积分数选择QUICK插值格式[8].

考虑到本文的目的在于优化内部构件的结构参数以提高分离效率，因此文中模拟的材料选择fluent材料库中的水和默认的空气作为气、液两相介质进行模拟，其中气相密度为1.2 kg/m3，动力粘度为1.8×10-5kg/m·s；液相密度为998.2 kg/m3，动力粘度为1.0×10-3kg/m·s[9].

1.2.2 网格划分及边界条件

采用合理的网格划分方法，尽可能对结构模型采用结构化网格划分，可减少网格数量，提高计算精度和计算效率[10].

本文采用ICEM软件进行网格划分.为确定合理的网格数量，需对网格无关性进行检验，分别选取0.8万、1.0万、1.2万、1.3万、1.4万、1.5万、1.7万的网格数进行了模拟对比.发现网格数量低于1.2万时，分离器出口的液相含率很高，即分离效率很差，网格数量计算值存在较大差异，而当网格数量超过1.2万时，模拟结果逐步变好，当网格数量超过1.4万以后，模拟计算结果差异不大.考虑到计算效率及时间问题，最终确定采用1.5万的网格数进行模拟.网格模型如图2所示.边界条件设置如下：

图1 气液分离器三维结构剖面图图2 气液分离器网格

(1)分离器入口采用速度入口方式，速度方向为边界的法相，入口速度为2 m/s，操作压力为2.2 MPa；

(2)分离出口采用压力出口，采用相对压力，压力值为0，即出口直接与大气相连通，其余均为默认值；

(3)壁面均采用非滑移边界条件，即壁面速度为0；

(4)入口和出口处的湍流定义方法采用湍流强度和水力直径；其中，湍流强度取默认值5%，入口的水力直径取当量直径0.2 m，出口为0.15 m.

2 分液侧分离特性评价方法

本文采用分离效率以及分离腔内的流场特性来评价气液分离器分离效果.其中，分离腔内的流场特性主要依据流场内的流体流动均匀性、漩涡和返混产生量的多少、气液两相分界面处的流体是否稳定来评价.

分离效率η是指分离器分离出来的液量与入口处进入的液量之比，即

(1)

公式中：G1为进入分离腔体内的液相体积分数；G2为出口处液相体积分数.本文选取了文献[11]的几何模型来验证模拟模型的正确性.液位无量纲高度分别为：0.125、0.25、0.375、0.5；液体流量分别为：45 L/h、60 L/h、75 L/h、90 L/h四组，粒径为20 μm.正交数据表，如表1所示.可以看出，入口液体流量、液位水平发生变化时均对分离效率产生影响.由于模拟条件较为理想，因此大于实验值，在允许误差范围内，由此表明模拟模型是可靠的.

表1 分离效率模拟值与实验值对比

3 结果与讨论

3.1 分离器流场分析

不同时刻分离腔内部液相分布云图，如图3所示.可以看出：流体进入分离室后部分直径较小的液滴因其自身重力难以克服升力而随着气流的流动而直接由出口流出；当分离时间超过24 s后，在底部沉积的液体开始流入集液筒.不同时刻速度流线图分析，如图4所示.在入口处没有任何阻挡部件的情况下气液两相流体在进入分离室后向出口处流动，此时流体速度较大，较少部分流入集液筒；当分离时间超过24 s后底部流体增多，气液两相落入分离室底部后携带的液滴与底部溅起的小液滴融合，使得两相更易分离，但所需时间较长.

图3 不同时刻分离室内液相分布

图4 不同时刻分离室内流体流线分布

3.2 结构参数对分离特性影响

3.2.1 整流板对分离特性影响

整流板是一块与气液分离器等直径的半圆形板，在其上进行均匀打孔使得流体通过时起到稳流的作用.影响整流板性能的主要参数孔隙率和孔直径；而孔隙率又直接由孔间距的疏密程度决定.为了研究整流板对分离室流体流态的影响，如图5所示，在距离入口和出口各1 m的位置设置了整流板，在fluent中定义此处的边界条件为多孔跳跃、孔隙率为31.8%、孔直径为16 mm进行模拟.

图5 整流板对分离腔内部气液分布的影响

可以看出，在分离初期底部流体落入分离室底部后引起飞溅；随着分离的进行，流体逐渐增多并在分离室底部聚集；当流动超过18 s，经过整流板后的流体流态稳定，顺利的流入集液筒中.由此可见整流板的稳流效果明显.

3.2.2 导流板对分离特性影响

在分离室入口处设置导流板，主要用于改变流体的流动方向.如图8所示：流体在流入分离室后垂直下落并撞击导流板，而后落入分离室底部并沿着底部滑移；随着分离的进行，流体滑移速度逐渐减小，说明底部流体的聚集增加了流动阻力，因此流体回流量减少.

分离性能随时间的变化关系曲线，如图6所示.在加入导流板以后流体分离效率随分离时间的增加而逐渐提升，出口的液体体积分数呈现相反的变化规律.由此可知：由于导流板的导流作用明显，流体撞击导流板后速度矢量减小，液滴逐渐聚集而不易从出口逃逸.说明导流板布置合理，整体分离性能得到改善.

图6 分离性能随时间的变化图7 最佳结构剖面示意图

通过以上模拟，最终得到了如图7所示的分离器的最佳结构模型，在分离室入口加入导流板，有效的起到导流作用；在距离分离腔入口和出口各1 m的地方增加一块与气液分离器等直径的半圆形整流板，可以稳定流场，且整流效果明显.

图8 不同时刻分离室内流体流线分布

由图9可以看出，在加入不同的构件后，对分离器的整体分离效率影响较大.各构件的作用不同，但均使得分离性能提高，整体分离效率最终可高达95%以上.

图9 不同结构时的分离效果

4 结 论

本文建立了气液分离器的模拟模型，分析了不加任何内部构件仅靠自身重力实现的分离效果和加入整流板及导流板以后分离器的分离性能；确定了最佳的分离器结构.其结论如下：

(1)在不加任何内部构件的情况下，分离器入口流体速度较大时质量轻的液滴来不及分离就被高速气流携带从出口逃逸，从而影响分离器的整体性能.

(2)在分离室内加入两块整流板后原本扰动的流体通过整流器的整流作用，抑制了漩涡和返混的产生，流场的场速度分布也有了明显改善作用，气液分界面变化缓慢，并且基本都消除了逆流现象，有利于分离器内液体的沉降分离.

(3)分离室入口处加入导流板后流体速度减小，在分离室底部聚集到一定程度后经过连通管流入到集液筒中，导流效果明显.