紧凑型柱状气液两级旋流分离器流场与分离特性研究
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紧凑型柱状气液两级旋流分离器流场与分离特性研究
柱状气液两级旋流分离器拟应用于低气液比段塞流工况与高气速环雾状流工况,以更好地应对段塞冲击与液膜攀升问题。
为此本文分析了两级旋流分离机制所依托附件的设计要点,借鉴了旋风分离器的基本设计理论,通过数值模拟的手段对分离器结构参数进行了优化。
最后根据数值模拟优化的成果加工了试验样机,并且搭建试验平台进行了试验探究。
主要研究内容与结论如下:对分离器内流场分布与旋流稳定性进行一般性分析,分析表明,切向速度分布呈现“兰金”组合涡分布特征,相对应地,动压和总压也呈现为“组合涡”的分布特征,而静压则是沿径向由壁面向轴心逐渐减小;轴向速度整体呈现“倒V”型分布,但当升气管直径增加到一定程度时,由于静压恢复产生滞流,则会呈现“M”型分布。
旋流不稳定性是单向直切入口式分离器的固有属性,将不稳定性与压力损失作为评价分离性能的指标,针对不同的结构参数进行了对比分析,结果表明:旋流不稳定性程度随着入口截面比的增大、升气管直径的减小、升气管插入深度的增加而减弱;压力损失随着入口截面比的增大、升气管直径的减小、升气管插入深度的增大而增大;综合考虑后,将对应结构参数确定如下:K<sub>A</sub>=7.85、Dc=90 mm、S=200 mm。
随着排液环隙间距L的增大,升气管内旋流强度增大,但同时分离器的压力损失增大,综合考虑后,取L=10 mm;随着回流管直径的增大,回流量增大,有利于液膜回流,但同时会降低分离空间的旋流强度,综合考虑后,取
d<sub>h</sub>=20 mm。
为了研究分离器的适用性,特选取环雾状流流型与段塞流流型工况范围,利用Malvern-Insitec在线激光粒度仪测试分离器出口粒径与气中含液率,并且对
分离器在对应流型下的高效运行区进行了标定。
研究发现:环雾状流流型下,分离器出口液滴粒径分布随表观气速的变化显著,而粒径分布随表观液速的影响是否显著主要受到表观气速的影响。
气中含液量随着表观气速的增大先减小后增大,其中主要涉及到旋流强度增大与液滴破碎加剧这两个变化过程之间的平衡问题,在试验范围内,当气相表观流速v<sub>sg</sub>介于27 m/s<sup>2</sup>9 m/s之间时,两个物理过程达到平衡,气相含液量最小,分离器的效率最高。
环雾状流流型下,在试验系统所能达到的工况范围内对分离器和捕雾器组成的整体进行了性能测试,对整体的高效运行曲线进行了标定与拟合,发现当气相表观流速v<sub>sg</sub>>32 m/s时,整体开始出现失效点。
段塞流流型下,在试验选取工况范围内对分离器的高效运行曲线进行了标定与拟合,并对曲线上不同工况点的失效形式进行了研究,发现以
v<sub>sg</sub>=12.13 m/s,v<sub>sl</sub>=0.12 m/s为分界点,左右两侧失效的共同点是均有贴壁液滴逃逸,不同点是分界点右侧发生气核携液。