基于水力旋流器三维数值模拟的结构参数研究

李 慧 张发厅

0 引言

水力旋流器是一种应用非常广泛的液体非均相混合物的分离设备。自问世以来,有关其研究与应用方面的文献已有很多,然而所涉及的大都是分级方面,应用于固—液分离方面的则比较少。由于其具有结构紧凑、成本低、处理量大、分离效率高并且可连续操作等优点,因而其在固—液分离领域的应用越来越受到关注。

单纯通过实验的方法[1,2]研究旋流器,周期长、成本较高且受到模型尺寸、人身安全和测量精度上的限制。因此,本文针对地下水除沙用的固—液分离水力旋流器,利用计算流体动力学(CFD)的FLUENT商业软件包对其进行数值模拟。通过改变模型的结构参数,探讨其对水力旋流器性能的影响,从而为水力旋流器优化结构参数,减少能耗提供一定的技术基础和依据。

1 模型几何结构尺寸

如图1所示,柱体段长度h=300mm,插入深度S=100mm,旋流器锥角α=15°。

其余几何参数如下:

a=40 mm;b=80 mm;De=85mm;D=250mm;B=60 mm; H=1 021mm。

为更符合实际工况,底流口延长一平行直管,长度为 50mm。

2 水力旋流器内流场的数值计算方法

2.1 湍流模型

目前可用于工程实际的模拟方法,仍是从Reynolds时均化方程出发的模拟方法,这就是常说的“湍流模型”[3],其基本出发点是利用某些假设,将Reynolds时均化方程中的高阶湍流脉动关联项用低阶关联项或时均量来表达,从而使Reynolds时均化方程组封闭可求解。

2.2 积分区域的离散化

在对指定的问题进行CFD计算之前,首先要将计算区域离散化,把它划分成许多个子区域,并确定每个区域中的节点位置及该节点所代表的控制容积,从而生成网格。

2.3 求解方法的确定

将控制方程组离散变为代数方程后,接下来就是求解的问题了。水力旋流器内流场为时均定常、各向异性的强湍流旋流流动。针对水力旋流器的流场,一般采用SIMPLE,SIMPLER,SIMPLEC等系列压力—速度修正算法求解。FLUENT软件提供了SIMPLE,SIMPLEC和PISO三种处理压力—速度耦合关系的算法。SIMPLEC是SIMPLE的改进算法,意为协调一致的SIMPLE算法,在该算法中可不再对压力修正值进行欠松弛处理。PISO一般用于求解非稳态问题,而且对于动量方程与其他标量场强烈耦合的稳态问题,用PISO方法很不容易收敛。

因此,结合前人经验,本文的研究采用稳态迭代法的 SIMPLEC算法。

3 结构参数对性能的影响

由模拟结果可分别得到各个结构参数对其性能的影响。

3.1 溢流管直径对压降的影响

溢流管直径是一个很重要的结构参数,它一定程度上决定了内、外旋流的分界点位置,对压降和分离效率的影响都较大。

表1 溢流管直径—压降关系表

本文在进口流量为 80 m3/h的情况下,即入口流速为6.94m/s时,对溢流口直径分别为 70,85,95,100的旋流器进行了数值模拟,对比考察了溢流管直径对压降的影响。表 1列出了不同溢流管直径下的模拟压降值和经验公式计算值。由数值预报的结果和经验公式计算值可看出,随着溢流管直径的增大,静压降、动压降绝对值、总压降都随之减小。作者认为,直径较小的溢流管中流体的速度较大,即动能较大,因而静压能较低,静压降较大。同时,小直径的溢流管的阻力损失相应也会增大,因此,总的压降也较大。

3.2 溢流管直径对分离效率的影响

表2列出了入口流速为 6.94m/s时,不同溢流管直径下的模拟的分离效率和分级效率值。从表 2中可以看出,随着溢流管直径的增大,总的分离效率、分级效率均逐渐降低。粒径为 3.95μm的颗粒的分离效率降低幅度较大,即所受溢流管直径的影响较大,而粒径为 27.2μm的颗粒分离效率几乎不受溢流管直径的影响。作者认为,当溢流管直径增大时,内外旋流的分界点逐渐向筒壁外移,使得内旋流区域增大,外旋流区域减小,颗粒更容易卷入内旋流从溢流管逃逸而不能有效分离。同时,溢流管直径的增大,使得短路流更容易发生,粒径较小的颗粒很容易被短路流夹带,因此对溢流管直径变化较为敏感。尽管较小溢流管直径分离效率较高,但是由前面的分析可知,较小的溢流管径同时也会增大压降,即增大能耗。因此,在实际工况中,应根据具体的生产要求,来确定所选择的水力旋流器的溢流管直径尺寸。

3.3 溢流管插入深度对分离效率的影响

一般情况下,固—液旋流器中的溢流管要向圆柱段内插入一定深度,来减少由于短路的作用而使进入旋流器顶部的分散相颗粒直接从溢流管排出从而降低分离效率。合理的溢流管插入深度有利于分离效率的提高。本文考察了一定进口流量的前提下,溢流管插入深度分别为80mm,100mm,105mm,125mm,150mm的情况下对分离效率的影响。表 3列出了不同插入深度下,分离效率和粒级效率的模拟计算值。

可以看出,随着溢流管插入深度的增大,总的分级效率先增大,后又逐渐减小,其曲线出现了一个高效平缓区。该高效区大概区段在 100mm～125mm。各分级效率总体也呈现这样一个趋势,即效率先增大后减小,但是粒径较大的颗粒的分离效率几乎不受溢流管插入深度变化的影响。

因此,由数值模拟的结果可以看出,溢流管插入太浅,不利于短路流的抑制;但插入太深,会使中小颗粒不易分离,因而造成总的分离效率下降。

表3 溢流管插入深度—分离效率关系表

4 结语

本文使用FLUENT软件,采用贴体坐标法的网格划分,通过对固—液分离用水力旋流器的数值模拟,深入研究了结构参数对旋流器性能的影响。在入口流量一定的情况下,随着溢流管直径的增大,静压降、动压降绝对值、总压降都随之减小,然而其分离效率也随之减小,所以应兼顾考虑能耗与压降这二者的关系。随着溢流管插入深度的增大,总的分级效率先增大,后又逐渐减小。溢流管插入太浅,不利于短路流的抑制;但插入太深,会使中小颗粒不易分离,因而造成总的分离效率的下降,其插入深度存在一个高效取值区。

[1] Kelsall D.F..A Study of the Motion of Solid Particle in a Hydraulic Cyclone[J].Trans.Instn Chem.Eng.,1952,30(1):87-108.

[2] Brad ley D.,Pulling D.J..Flow Patterns in the Hydraulic Cyclone and Their Interpretation in Terms of Performance[J]. Trans.Instn.Chem.Eng.,1959,37(2):34-35.

[3] 贺友多.传输过程的数值方法[M].北京:冶金工业出版社, 1991:111-115.

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[6] 邹 宽,杨 茱,曹 玮,等.水力旋流器湍流流动的数值模拟[J].工程热物理学报,2004,25(1):127-129.