螺旋片导流式分离器分离性能的数值模拟与试验研究_周帼彦

研究论文
螺旋片导流式分离器分离性能的
数值模拟与试验研究
周帼彦1,2 凌 祥1 涂善东1,
2
(1南京工业大学机械及动力工程学院,江苏南京210009;
2
华东理工大学机械工程学院,上海200237)
摘 要 应用计算流体力学(CF D)方法对不同结构参数的螺旋片导流式气液分离器在湍流状态下的流体流动场进行了数值模拟,研究了螺旋个数和螺距对螺旋片导流式气液分离器分离性能的影响,并与试验测定结果对比,由此验证基于数值模拟方法设计螺旋片导流式气液分离器分离效率的可行性与准确性.分析结果表明,数值模拟结果与试验数据基本一致,可以作为螺旋片导流式气液分离器设计的有效工具.关键词 气液分离器 计算流体力学 分离效率 螺旋结构 数值模拟中图分类号 T Q 02818 文献标识码 A
文章编号 0438-1157(2004)11-1821-06
NU M ER ICAL SIM U LAT ION AN D EXPERIM ENT AL ST U DY ON
SEPARAT IN G PERFORM ANCE IN SPIRAL SEPARAT OR
ZHOU Guoyan
1,2
,LING Xiang 1and TU Shandong
1,2
(1College of M echanical and Power Engineer in g ,N anj in g University of Technology ,N anj in g 210009,Jiangsu,China;2
School of M echanical Engineering ,East China Univ er sity of Science and T echnology ,S hanghai 200237,China)
Abstracts T he Computational Fluid Dy nam ics (CFD)method w as used to simulate the flow fields and calculate the separation efficiency of air -liquid spiral separators w ith different structural param eters.T he RSM turbulent model (Reynolds Stress Model),which abandons the isotropic eddy -viscosity hypothesis,w as used to analyze the highly sw irling flow fields in spiral separators.Random Orbit Model w as used to simulate the traces of liquid droplets in the w hole flow field.Based on the simulation,the effects of helical pitch and screw number on the separating performance w ere studied,w hich w as further tested and verified.T he results show ed that the Reynolds Stress Model predicted successfully the characteristics of the flow and the simulated performances w ere in good ag reement w ith those obtained by tests.It should be feasible to design the spiral separators based on the method of Desig n by Num erical Analysis.
Keywords gas -liquid separator,computational fluid dynamics (CFD),separating efficiency,spiral structure,numerical simulation
2004-03-26收到初稿,2004-06-28收到修改稿.
联系人:凌祥.第一作者:周帼彦,女,26岁,博士研究生.
引 言
螺旋片导流式分离器是一种结构简单、高效的分离气体与稀相液体的工业设备,主要依靠螺旋流
来分离气体和离散相的液体.螺旋片导流式分离器无运动部件,适用于高温、高压、大流量的气液分 Received date:2004-03-26.
Corresponding author:LING Xi ang.E-mai l:xling @
njut 1edu 1cn
离,具有制造和维护费用低等优点.由于螺旋片导流式分离器内气液两相的运动情况比较复杂,对
第55卷 第11期 化 工 学 报 V ol 155 l 11
2004年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China) N ovember 2004
其流场的研究存在一定的难度,目前在工业应用中存在的主要困难是如何确定其压力降和分离效率.
近几年来,随着计算机技术的发展,已采用计算机仿真计算对气固旋风分离器的分离效率做了大
量的研究工作[1~3],对气体与稠相液体的分离研究也有报道[4~6],但对气体与稀相液体分离则研究甚少.本文作者对螺旋片导流式分离器的压力降已做过一些探索工作,在数值模拟、理论推导、试验验证的基础上提出了一个螺旋片导流式分离器压力降的定量计算表达式[7].对于螺旋片导流式分离器分离效率,目前尚缺少理论上的认识,还没有一个定量的估算方法.因此,分析螺旋片导流式分离器内部流态分布,研究其分离效率的影响因素,优化分离器结构设计,提高螺旋片导流式分离器的分离效率,是螺旋片导流式分离器应用中必须首先加以解决的问题.本文尝试应用计算流体力学方法研究螺距和螺旋个数对螺旋片导流式气液分离器分离效率的影响,分析基于数值模拟方法设计(de-sign by numerical analysis)螺旋片导流式气液分离器分离效率的可行性与准确性.
1计算模型
111气液两相流动特性
气液两相(气体或蒸气与液体)流动的流体力学特性是与两相介质的相的存在和分布状态有关的.分散相液滴除去介质与流道壁(或绕流物体壁面)之间存在作用力外,在两相界面之间也有作用力存在,而且随着界面大小的不同而不相同.
在实际的气液分离流场中分布着许多直径不等的分散相液滴,在分离沉降过程中,除碰撞外,当两液滴中心距小于其半径之和时,将会发生液滴间的聚合,加大沉降分离速度.由于分散相液滴在流场中的分布状态十分复杂,每一个液滴在沉降方向上与其聚合的液滴形态非常复杂,故假设[8]:¹连续相流场是平稳、均匀的塞状流;º分散相液滴不存在界面膜.
根据假设º,
径分别为d0和d1的液滴M0和M1
(如图1
示,其中x轴正方向为连续相流动方向,y
方向为分散相液滴上浮方向)
d0>d1,x1-x2[(d0+d1)/2(两者发生碰撞后完全聚合.
由于分散相液滴在流场中的运动是由随流体(连续相)的平移运动和自身在密度差作用下所做的上浮或沉降运动合成,聚合后液滴的运动轨迹是液滴直径的随机函数,水平方向的位移明显小于单滴的水平位移(如图2所示).
F ig11Droplet collision model
F ig12Droplet mot ion trail in flow field
112气液两相流计算模型
随机轨道模型不用颗粒湍流扩散系数的概念,直接由轨道形式的颗粒瞬时方程组出发,考虑流体湍流对颗粒的作用,计算颗粒的随机轨道及沿轨道的变化经历.
本文中所研究的螺旋片导流式分离器内的气液两相流动属于液体稀相流动,故将气体相看成连续相,液体相看成分散相,即采用随机轨道模型求解.
113基本方程
忽略颗粒相自身各变量的脉动、流体相的密度脉动及变质量源脉动,则得到拉氏坐标系下颗粒轨道模型的湍流两相流基本方程组.
流体相连续方程
1
r
5
5r(Q ru r)+
1
r
5
5H(Q u H)+
5
5z(Q u z)=0(2)流体相动量方程
Q u
r
5u r
5r+u H
5u r
r5H
-
u2H
r
+u z
5u r
5z=
#
1822
#化工学报2004年11月
Q u r
5u z 5r +u H 5u z r 5H +u z 5u z
5z
=-
5p 5z +L 1r 55r
r 5u z 5r +1r 2
52
u z 5H 2+52
u z
5z 2
(3)
颗粒相动量方程
m p
d u p
d t
=F d +m p g -V P $p (4)
计入气流脉动造成的颗粒湍流扩散,得到颗粒运动方程
d 2z d t 2=B ( u g z +u c g z -u p z )+1Q p 5p
5z
d 2r d t
2=B ( u g r +u c g r -u p r )+g +1Q p 5p 5r +r d H
d t +X 2
d 2
H d t 2=B r ( u g H +u c g H -u p H )+1r 2Q p
5p 5H -2r d r d t d H d t +X (5)
其中
B =18L g f (Re p )Q p d 2
p
当u c 2
g r =
u c 2
g H
=u c 2
g z 时,
K =23
u c 2
g r .如果随机速度分布满足Gaussian PDF 统计分布规律,气体脉
动速度的随机取样为
u c g r =F [u c 2g r ]1/2,u c g H =F [u c 2g H ]1/2
,u c g z =F [u c 2g z
]1/2 (F =0,1,2,,)2 数值模拟
运用计算流体力学软件FLUENT 对螺旋片导流式气液分离器内的两相流场进行求解,液体相的
体积含量小,采用离散相模型DPM 对颗粒相进行计算,采用随机轨道模型跟踪液体颗粒的运动轨
迹.其计算的程序为:先用Reynolds 应力模型RSM 模拟气体连续相流场,然后计算颗粒运动轨迹.
211 几何模型
几何模型以整个螺旋片导流式气液分离器内流体流动区域及进出口接管为原型.
本文用于计算的几何模型总体高度H =1059mm,标准椭圆形封头内径D i =400mm;气体进出口管直径d =80mm,当量长度L =150mm;分离液体出口管直径d l o =2514mm,当量长度L l o =30mm;表面粗糙度D [011;采用左旋流向.
其中螺旋结构参数见表1.212 计算域选取及网格划分
选取整个分离器内流体流动区域为计算域,采
用四面体非结构化网格.为使计算更加准确,本文
在流场流动复杂的区域采用加密网格的方法.图3和图4分别为用此法生成的流体区域和固体区域的三维网格模型.213 边界条件
螺旋片导流式气液分离器内操作气体为操作压力p =0177MPa,操作温度T =40e ,湿度01014kg #(kg 干空气)-1的湿空气.入口截面采用速度边界,入口速度v =57106m #s -1;螺旋片导流结构壁面采用定温墙体边界,温度T =40e ;出口截面采用压力出口,压力p =011M Pa,温度T =40e .螺旋片导流式气液分离器外筒内壁面上取流体速度和相关紊流参数为零,用壁面函数法[9]处理壁面边界层流场.在计算液滴流场时,当液滴碰到壁面时有部分液滴被壁面反射,其余液滴被壁面捕获并沿壁面顺流到分离器的底部.
Table 1 Parameters for geometrical model of spiral structures
Separator No 1Screw number
/mm
Heli cal pitch
/mm
Inner diameter of spirals/mm
Outer diameter of spirals/mm
Spiral plate thickn ess/mm
SS15422734002SS25322734002SS35372734002SS45472734002SS55522734002SS63422734002SS74422734002SS86422734002SS9
7
42
273
400
2
#
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F ig13M esh of spiral g as-liquid separator
F ig14M esh of solid in spiral separator
214数值求解方法
考虑螺旋片导流式气液分离器内流体的强旋流动,对压力的离散采用PRESTO(PREssure STag-gering Option)法.对动量方程和能量方程采用二阶迎风差分格式进行离散,对气相控制方程组的求解采用有限差分的SIMPLE方法,考虑到解的收敛,对气体运动速度3个分量u、v、w采用欠松弛因子方法处理,具体选择的松弛因子见表2.连续性方程的收敛准则为10-5.对常微分的颗粒相控制方程组采用数值积分方法求解,其中颗粒轨道用Euler法进行积分求解.取分离颗粒直径在1~ 100L m的范围内,假设颗粒直径同颗粒的质量分数之间存在指数关系,在入口处按Rosin-Rammler 分布,颗粒的平均直径为10L m.
Table2List of relaxation factors
Variable Relaxation factors
p013
u017
v017
w017
k018
E018
215计算结果及讨论
对9个不同结构参数的螺旋片导流式气液分离
器内气体连续相流场和液体颗粒相流场进行数值计算,得到了整个分离器内速度流场分布.图5、图6分别为某一螺旋片导流式分离器某个时刻进口截面、通过螺旋结构的横截面的速度分布.
Fig15Inlet velocity distribution
F ig16V elocity distr ibution on cr oss-section
由数值计算分析可知,螺旋分离器内气液两相流动非常复杂,混合气体从上部切向进入,产生高速射流,使流动状况更加复杂,在轴向、径向和圆周方向都存在极度不均匀分布.当夹带有液体颗粒的气流沿切向进入螺旋片导流式气液分离器时,冲向壁面,因极强的离心力而形成强旋流动.当进入螺旋导流通道后,气体沿导流片方向螺旋向下运动,到分离器底部后折转向上旋流进入内筒,从气体出口流出.液体颗粒沿螺旋通道强旋流动时,部分液体颗粒因极强的离心力而被分离,部分液体颗粒因撞击壁面而被壁面捕获,这些被分离的液体颗粒沿导流片和器壁(器壁和螺旋导流片间有微小间隙)顺流到分离器底部,其余液体颗粒随气流运动,在分离器底部由于气流折转向上运动而被分离,从而内筒气体出口的粒子数很少,说明具有螺旋结构的分离器的分离效果较好.分离效率为壁面捕获液滴量与入口流体中所含液滴量的比值,即由气体入口浓度和出口浓度进行计算而得.数值模拟
#
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各个模型的具体分离效率值见表3.
Table 3 Separating efficiency in spiral gas -liquid separator
Separator No 1
Separating efficiency/%
SS193175SS249131SS375162SS480137SS557101SS656168SS778134SS8
82122SS9
65110
其分离效率随螺距和螺旋个数的变化线图分别见图7、图8.由图可见,当螺旋个数一定时,分离效率随螺距的增大而先增加后降低,呈抛物线变化,在某一个螺距时达到最大值;而当螺距一定时,分离效率随螺旋个数的增加而先增加后降低,呈抛物线变化,在某一定螺旋个数时达到最大值
.
F ig 17 Relation between separating
efficiency and helical pitch
F ig 18 Relation between separating
efficiency and screw number
3 试验研究
应用于流体数值模拟的数学模型可以在观测流动现象和实验数据分析的基础上提出,再经过实验验证其结果的正确性,从而进一步修正理论模型和校核计算结果[10,11].
本文中对螺距和螺旋个数都不完全相同的5个螺旋片导流式气液分离器进行实验研究,观察分离器内流体的流动情况,测量分离效率.实验装置如图9所示
.
Fig 19 Sketch of exper imental setup
由于一般的湿度计无法进行含湿量较高的压缩空气的湿度测量,本实验根据入口空气湿度计算入口空气所含液体量,对分离器出口处的分离液体进行体积测定,由此来计算其分离效率.试验数据见表4.
测定的分离效率随螺距和螺旋个数变化的线图见图7、图8.
对比数值模拟和实验测定结果发现,数值模拟的分离器分离效率分别随螺距和螺旋个数的变化趋势与试验结果基本一致,但数值相差较大,且不同结构参数模型的试验测定结果波动相对较大.造成这种现象的原因包括:¹试验分离器是连接在活塞式压缩机系统中,一定操作时间内瞬时流量、压强、温度及进口空气的湿度等都不稳定,波动较
Table 4 Data of separating ef ficiency
Separator No 1Ambient temperature/e
Air humidi ty
/%
Operating press ure/M Pa
Operating temperature/e
Separating liquid volume/ml
S eparating efficiency/%SS1301657017546222784177SS330106001764461029157SS4261670017746138070199SS730115601764496352177SS8
3016
56
0177
46
1865
77183
#
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大,而数值模拟计算中给定的常量参数则是恒定的;º数值模拟采用的计算模型中许多参数是由经验确定的;»数值模拟是一种比较理想的状态,而实际影响因素较多,且分离后留在分离器底部的液体量也会影响到后续液体的分离,通常还会产生液沫夹带现象,由此影响到分离性能指标.
4结论
应用计算流体力学软件模拟了螺旋片导流式气液分离器的内部流场,并通过实验对分离器性能及其影响因素进行了研究,获得如下结论.
(1)考虑液滴碰壁时的黏附,液滴在分离器里运动时间缩短,能够较容易地除去,液滴向底部运动趋势加快;并且,液滴粒径越小,液滴在分离器里的运动位移越大.
(2)螺旋片导流式气液分离器的分离效率随螺距/螺旋个数的增加而先增加后降低,呈抛物线变化,在某一定螺距/螺旋个数时达到最大值,由此可对螺旋片导流式分离器进行最佳分离效率设计.
(3)数值模拟的螺旋片导流式气液分离器分离效率随螺距和螺旋个数的变化趋势与试验结果基本一致,因此应用数值模拟方法设计分离器的分离效率是可行的.
(4)试验系统中螺旋片导流式气液分离器连接在活塞式压缩机系统中,分离后留在底部的液体量累积增大,产生液沫夹带现象,这在目前模型中较难加以考虑,这是导致试验结果与数值模拟结果之间存在一定偏差的主要原因.
符号说明
d p)))颗粒直径,m
F d)))黏性阻力,m2#s-2
g)))重力加速度,m#s-2
K)))湍流动能,m2#s-2
m p)))颗粒质量,kg
p)))流体压强,Pa
Re p)))颗粒Reynolds数
t)))时间,s
u)))流体流动速度,m#s-1
u p)))颗粒运动速度,m#s-1
u g)))气相湍流流场平均速度,m#s-1
u c g)))气体脉动速度,m#s-1V p)))颗粒体积,m3
L)))湍流黏度,Pa#s
L g)))流体分子黏度,Pa#s
Q)))流体密度,kg#m-3
Q p)))颗粒密度,kg#m-3
X)))旋转角速度,r ad#s-1
下角标
z,r,H)))坐标轴方向
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