旋风分离器排气管内气相流场的数值模拟.pdf

收稿日期:2008-01-26基金项目:国家/8630计划项目(2006AA06Z224)作者简介:金有海(1956-),男(汉族),安徽无为人,教授,博士生导师,从事气固分离技术研究。文章编号:1673-5005(2008)06-0109-04旋风分离器排气管内气相流场的数值模拟金有海,姬广勤,曹晴云,王建军(中国石油大学 机电工程学院,山东 东营 257061)摘要:采用雷诺应力模型对直切式旋风分离器内气相流动的三维流场进行数值模拟,分析了排气管内的气相流场特点及排气管直径对气相流场的影响。结果表明:排气管内气流旋转强度较高,轴向速度呈强剪切流特征,并且存在回流区,这些都是造成能量损失的重要原因;减小排气管直径可以抑制短路流量,使旋风分离器整个空间内的切向速度增大,有利于颗粒分离,但同时压降增大。关键词:旋风分离器;排气管;气相流动;数值模拟中图分类号:TQ 05118 文献标识码:ANumerical si mulation of gas-phase flow field in vortexfinder of cyclone separatorsJI N You-ha,i JIGuang-qin,CAO Qing-yun,WANG Jian-jun(College ofM echanical and ElectronicEngineering in China University of Petroleum,Dongying 257061,China)Abstract:Based on Reynolds stressmode,lthe three-di mensionalgas-phase flow filed in cyclone separator with tangentialinletwas si mulated,and the characteristics ofgas flo w field in the vortex finder and the influence of the dia meter of vortexfinder on gas-phase flo w field were especially analyzed.The results show thathigh gas sw irling intensity,shear flow charac-teristics of the axialvelocity and reverse flow are contributed to the energy loss in the vortex finder.W hen the diameter ofvor-tex finder decreases,the downward flow decreases and the tangential velocities of the whole cyclone separator increase,butthe pressure drop increases at the sa me ti me.K ey words:cyclone separators;vortex finder;gas flo w;numerical si mulation 旋风分离器内是复杂的三维湍流流场,实验测量困难,并且获得的实验数据有限。五孔球探针与热线风速仪为接触式测量方法,对流场有干扰;激光多普勒测速仪(LDV)与颗粒图像测速仪(PI V)的测量精度高,但在旋风分离器内离心力场中受示踪粒子的限制,测量的难度大,成本高。目前随着计算流体力学(CFD)的发展和商用软件的应用普及,对强旋流动的模拟已经达到一定的精度。已有学者采用多种湍流模型,如 k-E模型 1-2、雷诺应力模型(RSM)3-5和大涡模型 6-7研究旋风分离器内的流场,从模拟结果和目前的计算机水平看,以用 RS M模型为宜。笔者针对直切式旋风分离器,采用 FLU-ENT612流体计算软件提供的 RS M 模型对三维气相流场进行数值模拟,分析排气管内流场特点,研究不同排气管直径对气相流场的影响规律,为优化旋风分离器结构参数提供参考。1 几何和数学模型111 几何模型与网格划分直切式旋风分离器的结构尺寸如图 1所示。筒体直径为 170mm,进气口尺寸为 43mm 85mm,坐标原点取在旋风分离器顶盖的中心轴线上,向下为正。考虑到进气管与筒体连接处的尖锐程度,采取分区生成网格的办法。不同区域内分别采用了结构化和非结构化网格,网格节点数为 33万个。112 数学模型和边界条件采用雷诺应力模型(RS M)模拟旋风分离器内非稳态不可压缩湍流流动,使用有限体积法建立离2008年 第 32卷 中国石油大学学报(自然科学版)Vo.l 32 No.6 第 6期 JournalofChinaUniversity ofPetroleum Dec.2008散方程,采用 QUICK差分格式和 SI MPLE算法求解控制方程。图 1 直切式旋风分离器结构Fig.1 Structure of tangential cyclone separator (1)入口边界条件:入口气流为常温状态的空气,入口速度按实验值给定,即 vi=11147m/s。(2)出口边界条件:按充分发展管流条件处理,所有变量在出口截面法向上梯度为零,即55z=0。为此在计算中将旋风分离器的出口管路加长,以保证充分发展条件的成立。(3)壁面边界条件:采用无滑移条件,对近壁网格点用壁面函数近似处理。2 计算结果及其分析211 计算值与实验值的对比为了检验计算模型的可靠性,将流场模拟结果与王建军 8-9利用激光 Doppler测速仪(LDV)对同尺寸旋风分离器测量的结果进行对比,见图 2。从图中可以看出,不同流动区域内气流的切向速度轴向速度计算值与实测值均吻合较好。由此表明,所采用的计算模型和数值模拟方法能较好地预测旋风分离器内的气相流场,有较高的可靠性。图 2 流动参数模拟值与实测值对比Fig.2 Com parison of nu m erical and experi m entaldata#110#中国石油大学学报(自然科学版)2008年 12月212 排气管内流场分布排气管内切向速度和轴向速度分布如图 3所示。图 4为排气管内切向速度沿轴向的变化曲线(r=25mm,220b)。由图可知,切向速度沿径向呈/驼峰 0形分布,与分离器内分布规律基本相同;切向速度沿轴向衰减,但衰减幅度较小;排气管出口处(排气管轴向长度为其半径的 10倍)最大切向速度仍保持 1413 m/s,是排气管入口处最大切向速度的017倍,这表明排气管中存在较强的旋转。由于排气管内的旋转气流对于分离已毫无益处,气流的高速旋转只能带来能量的消耗,而且旋转速度越高,旋转动能越大,能量消耗也越大。因此可以考虑在排气管中设置导流叶片,以抑制气流旋转,从而实现流动减阻。轴向速度从边壁向中心逐渐降低,而且速度梯度很大,呈强剪切流的特征。在轴心附近轴向速度甚至出现正值,产生了回流区。沿轴向距排气管入口越远,回流区越小,直至完全消失。排气管中心附近回流区的存在必然导致排气管内流动阻力增加,从而造成能量损失。图 3 排气管内切向和轴向速度分布Fig.3 Distribution of tangential and axial velocity in the vortex finder图 4 排气管内切向速度沿轴向的分布Fig.4 Axial distribution of tangentialvelocity in the vortex finder213 排气管直径对流场的影响图 5为入口风速为 11147 m/s时不同排气管直径旋风分离器内切向速度和轴向速度分布。由图可见,随着排气管直径的减小,旋风分离器整个空间内的切向速度增大,带动颗粒作高速旋转运动,有利于颗粒的分离;同时轴心处气流的下行速度逐渐减小,排气管入口处的回流区消失。图 6为环形空间 40b 220b 方向纵剖面的二维合成速度矢量图。由图可以看出,排气管入口附近有较大的径向速度,一部分气流未通过下部分离空间就直接进入排气管,形成所谓的/短路流 0。根据流量守恒关系可知,/短路流 0量的大小与下行流量沿轴向的变化量有关。旋风分离器每一断面处的下行流量可以通过下行流中的轴向速度对过流面积的积分求得 10,即 Q=Qr2r12Prvzdr.(1)式中,Q 为体积流量,m3/s;vz为轴向速度,m/s;r为径向距离,m;r1和 r2为下行流区域的内外半径,m。将轴向速度用多项式拟合为半径 r的函数,并根据式(1)积分,就可以得到下行流量。图 7为计算得到的排气管入口附近 40b 220b下行流量沿轴向的变化曲线。由图可知,分离空间内的下行流量沿轴向向下逐渐减小,尤其是排气管入口附近(z 105mm 区域内),下行流量沿轴向的减小量即成为进入排气管的/短路流0量。通过不同排气管直径对比可知,排气管直径越小,下行流量变化曲线越平缓,沿轴向的减小率越小,则/短路流0量也越小,分离空间断面的下行流量增加,可使含尘空气在旋风分离器内的停留时间增长,为颗粒创造更多的分离机会。排气管直径分别为 75,86,96mm 时,旋风分离器的总压降分别为 62018,52913,44110 Pa。随着排气管直径的减小,分离器总压降增大。这是因为:入口面积一定时,排气管直径减小,旋转速度增加,造成流体内摩擦阻力以及流体与器壁间摩擦阻力增大;同时,在排气管入口处径缩效应程度增大,致使湍流程度增加,这些流动参数的变化都会引起旋风分离器压降的增大。#111#第 32卷 第 6期 金有海,等:旋风分离器排气管内气相流场的数值模拟图 5 不同排气管直径旋风分离器的切向速度和轴向速度分布Fig.5 Distribution of tangential and axial velocity in cyclone separators of different vortex finder diam eter图 6 环形空间纵剖面的速度矢量图Fig.6 D istribution of velocity vectorin the annulus space3 结 论(1)用雷诺应力模型对旋风分离器内气相流场进行了数值模拟,流动参数的模拟结果与实验结果吻合较好,有较高的预报精度。(2)排气管内切向速度沿轴向衰减幅度很小,呈强旋流状态;轴向速度从边壁向中心的速度梯度很大,呈强剪切流特征;排气管入口附近存在回流区。图 7 排气管入口附近下行流量沿轴向的变化Fig.7 Distribution of downflow rate in theseparation space near the inlet of the vortex finder这些都是造成排气管内产生流动阻力的重要原因。(3)排气管直径减小可以增加分离空间的气流旋转强度,降低排气管入口附近的/短路流 0量,有利于颗粒分离,但同时旋风分离器的总压降增大。参考文献:1 Z HOU L X,SOO S L.Gas-solid flow and collection ofsolids in a cyclone separator J.Powder Technology,1990,63:45-53.(下转第 124页)#112#中国石油大学学报(自然科学版)2008年 12月 3 SUNKL Koka.l Crude oil e mulsions:a state-o-f art revie wR.SPE 77497,2002.4 JA WORSKI Artur J,DYAKOWSK I Tomasz.Measure mentsof oi-lwater separation dyna mics in prm i ary separation sys-te ms using distributed capacitance sensors J.FlowM eas-ure ment and Instrumentation,2005,16:113-127.5 W I LKI NSON D,WALDIE B.CFD and experi mental stud-ies of fluid and particle flow in horizontal pri mary separa-tors J.Trans I Che m E,1994,72(PartA):189-196.6 BHARDWA JA,HARTLAND S.Dynam ics ofemulsifica-tion and de mulsification of water in crude oil emulsions J.Fuel and Energy,1995,36(1):11-19.7 张鸿仁.油田原油脱水 M.北京:石油工业出版社,1990.8 BAKER G,CLARK W W,AZZOPARDI B J,et a.lT ransient effects in gas-liquid phase separation at a pairof T-junctions J.Che m ical EngineeringScience,2007,63:968-976.9 GALV I N K P,CALLEN A,ZHOU J,et a.l Performanceof the reflux classifier for gravity separation at full scale J.M ineralsEngineering,2005,18:19-24.10 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