旋转式能量回收设备孔道内部流动特性

崔伟， 钦沛， 张引弟， 刘凯*

(1. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司， 乌鲁木齐 830011； 2长江大学石油工程学院， 武汉 430100)

随着世界经济的快速发展，淡水资源已经不能满足人类、农业和商业的需求。目前海水淡化技术被视为一种有效增加淡水资源总量的方法，其中反渗透海水淡化(reverse osmosis, RO)技术作为一种高效的海水淡化方法目前已经被全世界广泛采用[1-2]。然而RO技术最主要的缺点是在工作过程中需要消耗大量的能量，其电能消耗可达到整个系统运行成本的40%。作为一种高效的能量回收设备，旋转型压力能回收装置(rotary energy recovery device, RERD)可以将RO系统中高压浓盐水的压力能回收并传递给新鲜海水，从而降低RO系统的能量消耗和运行成本。

旋转型压力能回收装置在压力能回收过程中，由于新鲜海水和浓盐水在孔道内会直接接触从而形成掺混现象，造成高压出口侧的新鲜海水浓度增加。目前孔道内部的掺混现象主要通过数值模拟和实验进行研究，发现孔道内掺混区的形成与旋涡的周期性脱落密切相关。方勇等[3]基于三维数值模拟研究了进、出管管径对掺混率的影响。Liu等[4]数值模拟研究了孔道内掺混区的形成过程，观测到在两股流体的接触面会形成液体活塞，并指出转速和进流速度会影响掺混区的形成过程。Yin等[5]研究了操作参数和结构因素对进流长度和掺混率的影响。霍慕杰等[6]通过计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)研究了具有倾斜式孔道的旋转型压力能回收装置的内部流场和回收效率。王越等[7]建立解析计算模型，对装置内部的泄漏规律进行了研究。Liu等[8]提出了一种基于旋转式配流盘结构的压力能回收装置，通过PIV(particle image velocimetry)可视化实验方法观测到孔道内进、出口区域的旋涡。

目前已有的研究中对孔道内部流场拓扑结构的研究较少，旋涡的形成和发展过程与掺混区之间的关系尚不明确。为此，在Liu等[8]的实验研究基础上，通过建立二维非稳态数值模型，对孔道内部的流场拓扑结构和掺混特性进行了研究，分析了操作参数对流场的影响规律，以揭示旋转型压力能回收装置孔道内部流场和浓度场的分布特性。

1 模型及参数

旋转式配流盘结构的压力能回收装置的工作原理如图1所示，采用孔道固定不动而配流盘旋转的结构形式，当配流盘旋转时孔道会经历高压区、密封区和低压区3个工作阶段[9]，其压力能回收过程与传统的旋转型压力能回收装置一致[8,10]。

图2为旋转式能量回收设备的二维模型示意图。在此模型中，孔道数量N= 12，孔道分布圆直径D= 70 mm，孔道直径d= 15 mm，孔道长度L= 150 mm，配流盘覆盖孔道个数为5根，配流盘转速为n= 500 r/min。高压浓盐水进口和低压海水进口定义为速度入口，高压浓盐水入口流速为VH=5 m/s, 低压海水入口流速VL= 5 m/s，升压海水出口和泄压浓盐水出口定义为压力出口，升压海水出口压力PH= 6 MPa，泄压浓盐水出口压力PL= 0.2 MPa。高压浓盐水浓度CBin= 3.5 %，低压海水浓度CSin= 1.8 %。二维数值计算基于以下假设：①流体在孔道中径向速度为零，即vr= 0；②在旋转式能量回收设备的压力能回收过程中，忽略流体温度的变化，即假设流体不可压且黏度不变；③配流盘和转子端面间、转子和套筒间不存在间隙泄露，即压力能回收过程中不存在压力泄漏问题。

图1 旋转式配流盘结构的压力能回收装置Fig.1 Redesigned structure of rotary energy recovery device

①～为孔道编号图2 旋转式能量回收设备二维模型Fig.2 Two-dimension numerical model of RERD

采用CFD软件FLUENT 14.5进行数值计算，网格采用结构化网格，湍流模型选取标准的标准(湍动能-耗散率)(k-ε)模型，详细的数学模型和控制方程的介绍请参见文献[11]。

2 结果分析与讨论

2.1 设备内部流场拓扑结构分析

图3为旋转式能量回收设备在转速n=500 r/min，VH=VL= 5 m/s时内部浓度分布图，海水和浓盐水在孔道内的接触区域存在明显的掺混现象，即液柱活塞[12]。随着配流盘的旋转运动，液柱活塞在孔道内随着流体的流动而上、下运动，浓度场的分布形式与传统的旋转型压力能回收装置的较为相似[13]。

图4为内部流场的涡量和流线图，配流盘向左运动，又因为在此二维数值模拟中模型具有周期性边界条件，每根孔道会依次经历图中各种位置，故将孔道按图2编号顺序，介绍孔道内的旋涡的形成、发展、运动和衰退的过程。

当孔道处于①位置时(高压区)，孔道恰好完全进入高压流体进口，此时流体从孔道的上端向下端流动。在高压进口流体流动和配流盘运动的共同作用下，孔道上端的流体出现顺时针旋涡。随着配流盘不断向左运动，当孔道处于⑤位置时，孔道上端的顺时针旋涡的结构尺寸沿着顺流方向不断发展，涡量不断增大。这一现象与Liu等[8]通过PIV可视化实验所观测到的结果基本一致。

当孔道处于⑥位置时，此时孔道处于密封区，孔道内流体在惯性力的作用下保持运来的运动方向向下端流动。孔道上端的顺时针旋涡的涡量因流体的黏性消耗而减小，但旋涡的结构尺寸进一步扩大。

当孔道与低压流体出口接触时，即⑦孔道位置(低压区)，流体从孔道的下端向上端流动。上端的顺时针旋涡在流体推动的作用下开始排出孔道，涡量开始减小且旋涡结构尺寸缩小。随着配流盘继续旋转，当孔道处于位置时，上端的顺时针旋涡基本消失。

从上述的旋涡运动规律中可以发现，旋涡是孔道内流体流动过程中形成的重要流体结构，旋涡的形成和演化过程会对压力能回收过程和质量传递过程产生重要影响。为了揭示旋涡结构与流体流动和掺混过程的影响关系，考察了不同操作参数对孔道内部流场拓扑结构的影响。

图3 旋转式能量回收设备内部浓度分布Fig.3 Salinity distribution in RERD

2.2 转速对孔道内部流场拓扑结构的影响

为了考察操作参数中配流盘转速对孔道内部流场拓扑结构的影响，在入口流速设定为VH=VL= 5 m/s条件下，转速由500 r/min增加到2 000 r/min。

图5为不同转速下涡量分布。随着转速的变化，孔道两端的旋涡结构发生改变。当配流盘转速为500 r/min和1 000 r/min时，孔道在靠近浓盐水侧区域[图5(a)蓝色线框]的涡量为负值。当转速由500 r/min增加到1 000 r/min时，旋涡的方向仍然为顺时针方向，但旋涡的结构尺寸和涡量随之减小。当转速增加到1 500 r/min和2 000 r/min时，孔道在靠近盐水侧区域的涡量由负值转变为正值，说明旋涡的方向由顺时针方向转变为逆时针方向。随着转速增加到2 000 r/min，涡量变大、涡旋强度增加。由此可见，随着转速的增加，孔道内的旋涡的运动方向和涡旋强度会发生变化。

图6为转速与孔道中旋涡形成长度的变化关系。旋涡形成长度Ls的定义为：在涡量图中，孔道在⑥位置时(密封区)孔道内靠近盐水侧旋涡的最大轴向结构尺寸[14]。从图 6可以发现，随着转速由500 r/min增加到1 000 r/min时，旋涡形成长度不断减小；当转速由1 000 r/min继续增加到2 000 r/min时，旋涡形成长度逐渐增大。旋涡形成长度的变化规律结合图5的涡量分布可以发现，在旋涡运动方向随着转速增加而出现反转变化的同时，旋涡结构尺寸也随之出现先缩小后增大的变化过程。因此，在这四组转速工况中，存在最佳的转速即500 r/min，使得旋涡结构尺寸最小。

图7为转子转速与旋转式能量回收设备出口掺混率的变化关系，其中掺混率M的表达式为

(1)

式(1)中：CBin为高压进口浓盐水浓度；CBout为低压出口浓盐水浓度；CSin低压进口浓盐水浓度；CSout高压出口浓盐水浓度。

转速由500 r/min增加到1 000 r/min时，掺混率降低，当转速增加到2 000 r/min时，掺混率出现增加的趋势。这一变化趋势和图 7中转速与旋涡形成长度的变化趋势一致，说明旋涡形成长度与掺混率存在紧密的联系，即旋涡形成长度越大，掺混率越大；旋涡形成长度越小，掺混率越小。在最佳转速工况下旋涡形成长度最小，孔道内质量传递效率较差、掺混现象较弱。旋转式能量回收设备应在最佳的转速工况下运行，从而获得较低的掺混率、提高设备的压力能回收效率[15]。

图6 转速与无量纲旋涡形成长度的变化关系Fig.6 Relation between rotational speed and dimensionless vortex formation length

图7 转速与掺混率的变化关系Fig.7 Relation between n and M

2.3 进流速度对内部流场拓扑结构的影响

图8为转速n=1 000 r/min时不同进流速度下涡量分布。随着流速的变化，孔道两端的旋涡结构发生改变：当进流速度为1 m/s和3 m/s时，孔道在靠近盐水侧区域的涡量为正值，此时旋涡以逆时针方向旋转，涡旋强度随着进流速度的增加而减小。当进流速度为5 m/s和7 m/s时，孔道在靠近盐水侧区域的涡量由正值变为负值，旋涡转变为顺时针方向旋转，涡旋强度随着进流速度的增加而增加。可以发现随着进流速度的增加，会导致孔道内的旋涡的运动方向和涡旋强度发生改变。

图9和图10分别为进流速度与孔道中旋涡形成长度的变化关系和进流速度与掺混率的变化关系。随着进流速度的增加，Ls缩短、掺混率减小；当进流速度由5 m/s增加到7 m/s时，Ls开始增长、掺混率增加。结合图8可以发现，旋涡运动方向随着进流速度增加而出现反转变化的同时，旋涡结构尺寸也随之出现先缩小、后增大的变化过程。因此，在这四组进流速度工况中，存在最佳的进流速度即5 m/s，使得旋涡结构尺寸和掺混率最小。这也进一步说明了旋涡形成长度越大则掺混率越大，旋涡形成长度越小则掺混率越小的相互关系。

图8 不同进流速度下涡量分布Fig.8 Vorticity contours at various inlet velocity

图9 进流速度与漩涡形成长度的变化关系Fig.9 Relation between inlet velocity and vortex formation length

图10 进流速度与掺混率的变化关系Fig.10 Relation between inlet velocity and mixed ration

3 结论

通过数值模拟方法对旋转式能量回收设备的内部流场进行了研究，发现设备孔道内部旋涡的形成和演化过程会对质量传递过程产生重要影响。考察了不同配流盘转速和进流速度对孔道内部流场拓扑结构的影响规律，发现旋转式能量回收设备在特定的进流速度(配流盘转速)下存在最佳的配流盘转速(进流速度)，使得设备孔道内部的旋涡结构尺寸最小。旋转式能量回收设备应在最佳的转速工况下运行，从而获得较低的掺混率，实现提高设备的压力能回收效率的目的。