轴流导叶式旋流分离器研究进展

轴流导叶式旋流分离器研究进展寇杰;丛轶颖;王德华;王冰冰【摘要】从结构设计、数值模拟和实验研究3个方面介绍了轴流导叶式旋流分离器的国内外现状,并对今后轴流导叶式旋流分离器的研究提出一些建议.认为要加强分离机理的研究,数值模拟与实验研究应同步开展,建立能真实反映分离器内流场的数学模型.同时要加强结构优化设计的研究,建立一套可用于轴流导叶式旋流分离器结构设计和分离性能预测的计算方法.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2018(045)004【总页数】5页(P406-410)【关键词】旋流分离器;轴流导叶式;结构设计;数值模拟;实验研究【作者】寇杰;丛轶颖;王德华;王冰冰【作者单位】中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院;中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院【正文语种】中文【中图分类】TQ051.8+4旋流分离器是一类基于离心分离理论研制出来的分离器，广泛应用于石油、煤矿及制药等领域。

早在20世纪60年代，国内外许多学者就已经开始对旋流分离器进行理论和实验研究，进入旋流分离器的多相流体由于密度差会受到不同的离心力作用，轻质相所受离心力较小，聚集在分离器轴心处，重质相所受离心力较大，向分离器内壁运移，这样就实现了混合介质的分离。

常规旋流分离器多采用单切向或双切向入口结构，其径向尺寸的增加会在一定程度上制约旋流分离器的应用，尤其是对于一些对分离设备的空间结构布局有特殊要求的环境，例如：狭长的井下空间环境[1]。

为此，有研究人员设计出一种轴流导叶式旋流分离器，通过在入口处安装导向叶片，将原本的切向入口结构改为轴向入口结构，使它在尺寸上达到紧凑化、小型化，同时可有效改善入口处循环流，提高内部流场的稳定性，减少压力损失。

目前，国内外学者对切流式旋流分离器的研究已经较为深入，而轴流导叶式旋流分离器的研究仍处于起步阶段。

因此，对轴流导叶式旋流分离器的研究进展加以分析总结，对今后的研究和发展有重要意义。

1 结构设计轴流导叶式旋流分离器是在Thew型液-液水力旋流器[2]的基础上，通过改进入口形式，加入导向叶片开发而来的，主要由入口、导向叶片、筒体、溢流管、底流口组成，其中导向叶片、筒体结构和溢流管结构都对分离性能有重要影响。

轴流导叶式旋流分离器的基本结构如图1所示。

图1 轴流导叶式旋流分离器的基本结构1.1 筒体结构轴流导叶式旋流分离器的筒体结构主要有单锥型、双锥型和柱型3种。

陆忠韩等运用计算流体力学(CFD)方法，对用于油水分离的锥型和柱型旋流分离器分别进行了数值模拟，通过比较分析发现，在相同工况下，锥形结构可以减弱分离器内部的湍流运动，避免油滴发生剪切破碎[3]。

金向红等设计了一种轴流式气液旋流分离器，分别对管柱式和管锥式这两种不同的筒体结构进行对比实验[4]，实验结果表明，在同一流速下，管柱式旋流分离器的压力损失比管锥式的高；在较高流速下，管锥式旋流分离器的分离效率比管柱式的低；在较低流速下，管锥式旋流分离器的分离效率比管柱式的高。

Nieuwstadt F T M和Dirkzwager M以轴流式气液旋流分离器为研究对象，推导出简化后的分离效率理论公式，认为减小导向叶片之后的筒体直径可以提高分离效率[5]。

同时利用流函数法对速度场和分离器内壁附近的压力场进行了计算，通过该方法可以找到分离器的最优结构，以提高分离效率。

史仕荧等提出了一种轴流式液液旋流分离器[6]，该分离器主体结构为一段稳流直管段和一段开有矩形切向缝的缩径除水管段，在管道入口处装有直板型导流叶片，该分离器结构紧凑，可安装在管道上，适用于井下油水分离。

尤佳丽在传统柱状气液旋流分离器的基础上，加入了锥式内芯，这种结构对促进气相上移有明显的作用，有效改善了液相夹带气现象[7]。

由于内锥的举升作用，排气口气相体积分数中间高、两边低的现象得以缓解，整个排气口的气相分布趋于均匀，整体出气率高于传统柱状气液旋流分离器。

1.2 导向叶片导向叶片在轴流导叶式旋流分离器中起造旋作用，与分离器内部流场的分布和强弱密切相关，是决定分离器分离性能的重要结构。

目前使用的导向叶片主要包括螺旋叶片、直板式叶片和弧形叶片这3种类型(图2)。

图2 3种导向叶片20世纪90年代，Franca F等研制了一种结构简单的螺旋片导流式气液旋流分离器，广泛用于井下油气分离，该分离器实现气液分离所用到的方法共有3种：气流发生折转分离、气流撞击壁面使气液分离和离心分离[8]。

周帼彦等在2004年也设计出一种螺旋片导流式分离器，通过分析螺旋个数和螺距变化对压力损失的影响，对达西公式进行修正，拟合出适用于螺旋片导流式旋流分离器结构设计的压力降计算公式，并通过实验验证了公式的准确性与可行性[9，10]。

1983年，毛羽和时铭显提出了一套弧形旋风子叶片的设计计算方法，通过建立叶片曲面方程，确定了圆弧形叶片和幂函数叶片的准线方程，并根据叶片准线方程给出了叶片展开图的作图方法，同时还着重讨论了叶片出流面积的计算方法[11]。

2008年，Raj R T K和Ganesan V通过实验研究了不同叶片角度对分离器内漩涡强度的影响，确定了能使漩涡保持稳定的叶片最佳角度为45°[12]。

Nagdewe S等研究了导向叶片到溢流管进口的距离对分离效率的影响[13]，证明导向叶片存在最佳位置使分离效率达到最高。

黄龙等通过改变导向叶片的结构参数，对气液旋流器的流场和压力场进行模拟分析，发现增大叶片的扭转角或减小叶片的出口角都能增大分离效率，但压降也会随之增大，确定了叶片最佳出口角为23～25°，扭转角可适当增大，但不宜过大[14]。

导向叶片作为轴流导叶式旋流分离器内的造旋部件，对流体起加速和增压作用，其形状和结构参数对分离器的分离效率和压降大小有直接影响，因此导向叶片的设计必须以分离性能为指标。

除此以外，还应考虑到实际加工难度和应用可靠性，使导向叶片同时具备良好的经济效益和广阔的应用前景。

1.3 溢流管结构溢流管附近是形成短路流的主要区域，颗粒随短路流从溢流管逸出会直接导致轴流导叶式旋流分离器分离效率下降，因此研究溢流管结构对提高分离性能有重要意义。

Kataoka H通过室内实验研究了不同溢流管结构对压降的影响，发现溢流管与分离器内壁之间的间隙大小是影响压降的主要因素[15]。

王振波等通过实验研究了8种异形排气口结构对轴流式气液分离器分离性能的影响，发现与其他排气口结构相比，伞状开孔排气管结构操作范围更宽，适用于不稳定工况[16]。

金向红等设计了4种不同的排气管结构，通过数值计算和实验研究，发现喇叭口结构排气管能有效降低短路流，具有压降低、分离效率高的优点[17]。

2 数值模拟研究计算流体力学(CFD)是近年来发展迅速的一门学科，采用数值计算方法，通过求解流体运动控制方程组，研究流体运动规律。

由于旋流分离器内部旋流场较为复杂，采用实验方法进行研究不仅周期长、成本高，而且无法排除其他设备的干扰，因此数值模拟成为旋流分离器内部流场和压力场研究的重要手段。

多相流分析方法包括欧拉-拉格朗日法和欧拉-欧拉法两种。

对于轴流式旋流分离器内部的强旋流运动，通常采用两种多相流模型：拉格朗日法-离散相模型(DPM)和欧拉法-雷诺应力湍流模型(RSM)[18]。

DPM模型一般用于次相体积分数小于10%的多相流体，将次相作为离散相，可以模拟出分离器内颗粒的运动轨迹。

马艺等应用DPM模型，对轴流式液-液旋流分离器内油滴运动进行了研究，模拟结果表明油滴共有3种运动轨迹：油滴随溢流管附近短路流直接由溢流管排出；油滴进入锥段处的内旋流并随上行流由溢流管排出；油滴在离心力作用下，进入外旋流并从底流口逸出[19]。

RSM模型则一般用于次相体积分数超过10%的多相流体，可以将次相作为连续相进行模拟。

金向红等应用RSM湍流模型对轴流式气液旋流分离器内部流场进行了数值模拟，发现溢流管底部附近有短路流存在，液滴容易夹带在气相中从溢流管口排出，进而降低分离器的分离效率；同时分离器内部湍流强度分布与分离器几何结构密切相关，溢流管与底流管附近存在较高强度的气相湍流脉动，容易使液滴剪切破碎，造成分离效率下降[20]。

操作条件和结构条件是影响分离器内流场、压力场分布和分离效率的重要因素。

金环年等利用Fluent软件研究了入口流量对分离器内流场的影响，发现分离器内轴向速度和切向速度远大于径向速度，且各向速度随入口流量的增加而增大[21]。

聂涛等则研究了导向叶片结构对流场的影响，模拟结果表明导向叶片存在一个最佳角度，使分离器内湍流脉动最弱，流场稳定性最好[22]。

马兴亮研究了操作条件和结构条件对分离性能的影响，发现存在最佳入口速度，使分离性能达到最佳；适当增大排液管直径可以提高分离效率，但直径过大会导致气相从排液管逸出，反而不利于气液分离[23]。

随着多相流理论和数值模拟技术的不断发展，对轴流导叶式旋流分离器内颗粒运动轨迹和复杂流动现象，如内旋流、外旋流及短路流等的研究应当更加深入。

此外，导向叶片是分离器内的旋流发生部件，限于其流场的复杂性和目前的数值模拟技术，还无法深入了解其流场特性，因此今后应重点加强对导向叶片内部流场的模拟研究，这对提高轴流导叶式旋流分离器的分离性能有重要意义。

3 实验研究虽然计算流体力学可以较好地应用于轴流式旋流分离器的模拟研究，但其真实性与可靠性仍需要实验数据进行验证。

因此，轴流式旋流分离器的研究仍要以实验研究为基础。

轴流导叶式旋流分离器内高涡旋流场的测量基本以多普勒激光测速仪(LDV)为主。

2009年，汪秀敏采用LDV测量了轴流式气液旋流分离器内气相时均流场，发现切向速度场由内侧准强制涡和外侧准自由涡构成；轴向速度由内部上行流和外部下行流构成，上行流和下行流交接面为零轴向速度包络面，靠近轴心处有最大轴向速度[24]。

2010年，任相军又利用LDV测试了轴流式液液旋流分离器内三维时均速度场，通过数据计算分析得到了连续相三维速度模型[25]。

Chuen-Jinn Tsai等设计了一种可用于低压条件下细小颗粒分离的轴流式旋流器，通过实验测试了不同流量和压力下旋流器的分离效率，验证了该旋流器在低压下对于100nm的细小颗粒仍有较高的分离效率，并发现流体雷诺数对颗粒分离效率有较大影响[26]。

Ogawa A和Arakawa M设计了一种轴流式气液旋流分离器，通过实验比较分析了分离器轴向入口和切向入口的分离效率和压降大小，得出结论：同一入口流量下，轴流式旋流分离器的分离效率比切流式低，但其压力损失却小于切流式旋流分离器[27]。

段文益等以导叶式固液旋流分离器为研究对象，对分离器的结构参数和操作参数进行了优选试验，发现在一定范围内减小锥段锥角，可以增大旋流强度，提高分离效率；在一定范围内增大入口流量和分流比，可以使分离效率增大；同时通过大量试验筛选出叶片最佳出口角、最佳数量和最佳流道宽度[28]。