往复泵作用下结构参数对旋流器流场特性影响

杨蕊，吕超，朱宝锦，张磊，肖迎松

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318；2.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室，黑龙江大庆 163318)

0 前言

1 数值模拟分析

本文作者研究的气液分离器的结构如图1所示，尺寸见表1，上端为溢流管，气相介质从其溢出；下端为底流管，液相介质从其流出。

图1 气液分离器结构示意

表1 气液分离器几何尺寸 单位:mm

1.1 边界条件

入口边界为速度入口(Velocity)，由于模拟在流量脉动条件下，故入口速度是非稳态的，以50.25 Hz的脉动频率变化，脉动的周期为1 s、脉动峰值为7.7 m/s，因此通过导入UDF方程的方法来实现入口速度的非稳态，水力直径为7.5 mm，溢流口和底流口均为自由出流(Outflow)。溢流分流比为60%，气液比30%，Simplec算法用于速度压力的耦合，气液旋流器墙壁为无滑移边界条件。

1.2 气相云图对比

从截面Ⅰ的气相云图(如图2所示)可知：随着柱段长度从39 mm增大到88 mm，旋流器轴向中心的气核维度逐渐变小，相同范围内的气相浓度也随之降低。且从气相体积分数为0.82的等值面图也可以看出，遮罩内的气相体积逐渐降低，到柱段长为88 mm时，气核的体积降到了最低。

图2 稳涡罩柱段长39、50、78、88 mm及无罩的分离器截面Ⅰ气相云图对比

从图3可以发现：在稳涡罩内部，旋流器轴向中心，4种柱段长度旋流器的气相体积分数均在0.9左右；在以半径为10 mm的圆周内，39 mm的气相体积分数最高，且随着长度的增加，气相体积分数降低。稳涡罩外表面的气相体积分数随着柱段长度的增加而增加，最高达到了0.78。因此，稳涡罩的柱段越长，罩外气相沿罩下移，进而从导流孔进入其内部的机会就越小，这样会使这些气相隔绝在罩外，从而影响分离性能。另外，无罩时，虽然在轴心处气相体积分数均高于带稳涡罩的情况，但无罩时气核维度不大，汇聚的气相少。故稳涡罩旋流器的柱段长为39 mm时，对气相在中轴处的聚集效果最好。

图3 截面Ⅰ气相体积分数

以入口为恒定流速条件下的分离效率公式(1)为基础：

(1)

式中：为底流含气浓度；为入口含气浓度。

推导得到适用于脉动条件下的分离效率：

(2)

式中：为溢流分流比；为底流口气体质量流率；为底流口混合相质量流率；为入口气体质量流率；为入口混合相质量流率。

沥青质量直接影响混合料质量，应选用具有良好温度敏感性、抗老化性，含蜡量低的优质沥青。本文采用70#道路石油沥青，其主要技术指标如表4所示。

根据式(2)计算出各时刻的分离效率并绘制效率曲线，如图4所示。内部流场平稳后，无罩时分离效率最低，且不稳定，柱段长度为39 mm的稳涡罩旋流器的分离效率高达95%，随着柱段长度的增加，分离效率逐渐下降至94%。从图中的局部放大部分可以发现：随着柱段长度的增加，效率曲线的波动幅度逐渐增大，这表明柱段长度增加，稳涡罩对脉动流的抑制作用减弱，导致其分离性能不稳定。

图4 稳涡罩不同柱段长度效率图线

1.3 压力云图对比

如图5所示：从不同时刻的稳涡罩旋流器截面Ⅰ的压力云图可以发现，随着柱段长度从39 mm增大到88 mm和时间从3.9 s变化到4.0 s，位于遮罩内的低压区变得不稳定，不能保持在相对一致的低压下；无罩时低压范围明显减小，且低压区压力不稳定；柱段长度为39 mm的稳涡罩内低压区范围更大，且压差更小，对轴心处气相物质的举升力也更稳定持续，分离效率最高。

图5 稳涡罩柱段长39、50、78、88 mm及无罩的分离器截面Ⅰ不同时刻压力云图

稳涡罩内部压力如表2所示，可知：在3.9、3.95、4.0 s三个时刻，稳涡罩中心压力均为负压；但稳涡罩边缘压力则正负均存在。通过计算其中心与边缘的压力差，可得到稳涡罩内部负压区域的大小，即压力差越小，稳涡罩内负压区域越大。将不同柱段长度3个时刻的压力差计算平均值，可以对其进行比较。计算发现：随着柱段长度从39 mm增长到88 mm，平均压力差从1 327.62 Pa增长到了2 257.07 Pa，无罩时的平均压力差更是高达9 378.07 Pa，故稳涡罩柱段长为39 mm时，其内部负压区范围最大，则产生对气相物质的举升力越强，从而提升了旋流器的分离性能。

表2 稳涡罩内部压力

2 试验分析

为进一步验证数值模拟结果的准确性，加工旋流器的实体模型以及不同尺寸的稳涡罩实体模型，如图6所示，通过替换不同尺寸的稳涡罩进行试验。

图6 “柱+锥”状遮罩实体模型

使用变频器与动力柜相连来对脉动流进行模拟，通过观察玻璃转子流量计内转子的变化，可以明确脉动的频率和周期。室内试验系统如图7所示。

图7 室内试验系统

使用室内试验系统，对分离器的分离效率进行测量，在气液比为30%、分流比为60%的同一操作参数下，对试验数据进行处理分析，得到不同柱段尺寸稳涡罩旋流器的分离效率，如表3所示。由于现实工况下所存在的误差，试验效率值低于模拟值，误差在可接受范围内。模拟效率与试验效率对比如图8所示。

表3 稳涡罩不同柱段尺寸样机试验分离效率

图8 模拟效率与试验效率对比

根据试验得到的数据，应用Origin软件对其进行分析，拟合出不同柱段长度与旋流器分离效率的关系式(3)，相关系数为0.997 01，表明二次多项式的拟合相关度高，具有可信度。

=93193-0000 3-0003 2

(3)

其中:为旋流器分离效率(%)；为柱段的长度(mm)。

此外，加工有机玻璃模型，试验过程中使用高速摄像机对有机玻璃段进行拍摄，如图9所示，观察旋流场中气核的运动状态，如图10所示。

图9 高速摄像图示

图10 不同“柱+锥”状遮罩柱段尺寸气核对比

从图10可以发现：稳涡罩柱段长为39 mm时，旋流器流场中的气核聚集在轴心处附近，且气核底端没有触摸到底锥，故只有少量气相物质从底流口跑出，绝大多数气相从溢流口溢出；随着稳涡罩柱段尺寸的增加，旋流器轴心气核的底端距离底锥越来越近，当柱段为88 mm时，气核已将底锥尖端掩盖。由此可知：柱段长度增加，气相物质从底流跑出的量也在增加，分离效率降低。

除分离效率直观评价外，旋流强度也是评价旋流器性能的一个重要指标。一般认为，旋流器的旋流强度越大，其对混合相介质的分离效果越好。

=

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：为气流旋转动量矩；为轴向动量矩；为轴向动量；为出口截面积；为入口截面积；为气流密度；为气流流量；为切向速度；为气液通过遮罩的平均旋转半径。

从式(7)可以得知:旋流强度与遮罩柱段的长度成反比，其值随着柱段长度的增加而减小，即印证了旋流器的分离效率随着遮罩柱段长度的增加而降低。

3 结论

(1)经过数值模拟研究发现，4种柱段长度的稳涡罩分离效率均很可观，但其中39 mm柱段的效果最好，模拟分离效率高达95%，且其对脉动的削弱作用最强，旋流器分离性能最稳定。

(2)样机试验与高速摄像试验进一步验证了数值模拟结果，得出了稳涡罩4种不同柱段尺寸的最优值——39 mm，并且拟合出柱段长度与旋流器分离效率之间的关系式，相关系数高达0.997，分离效率随柱段长度的增加而降低。稳涡罩柱段长39 mm时，气液旋流分离器对气液两相的分离效果最好，试验效率高达92.6%。