W式溢流管对水力旋流器分离效率的数值模拟

樊玉光，余晓月

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

液液水力旋流器是20世纪70年代问世的用于油水分离的分离器，以其结构简单、体积小、重量轻、无运动部件、运行可靠受到了化工、环保部门及各大油田的重视。人们原先是通过试验来研究旋流器的分离效率，周期长且费用高，随着CFD仿真技术的日趋成熟，数值模拟已成为研究的一种重要手段，不仅计算快，而且可以较全面地揭示流场的特性。

水力旋流器的结构形式和结构参数是决定其分离性能的重要因素[1]。但在其设计过程中，溢流管这一重要结构对旋流器分离性能的影响往往被忽视，导致了不管旋流器的其他结构形式和操作参数如何变，溢流管结构基本不变的现象，这对旋流器的分离性能造成了不好的影响。溢流管是分离后的轻分散相排出的地方，具有稳定旋流器内油核的作用，是水力旋流器分离时不可缺少的一个重要通道[2]。溢流管的结构形状直接影响了短路流的存在及其流量大小，也会影响水力旋流器的出口能量损失。溢流管的直径与处理液含油浓度具有一定的匹配关系，从而会影响旋流器的分离效率，溢流管直径对脱水效率也有显著的影响。所以，溢流管的结构尺寸对旋流器分离性能具有重要的影响[3]。

1 W式溢流管的工作原理及模型的建立

1.1 W式溢流管的工作原理

水力旋流器的基本结构见图1，主要由圆柱段、大椎段、小椎段、溢流管、尾管进口组成。其中圆柱段使流体形成涡流，大锥段可以使流体获得极大的加速度，并形成螺旋流动，小锥段使流体速度不断地增大，尾管利用流体的恒速，可以对上部分形成一定的回压，以利于被分离出来的油从溢流口排出。

图1 除油水力旋流器结构图

W式溢流口水力旋流器工作原理和常规的水力旋流器一样，是将流体的静压力转变为流体的旋转运动力，利用受约束涡流产生离心力。在离心力场中，不同粒径的液滴均会以一定的规律沿着旋流器的半径方向运动。由于油水两相密度的差异，密度大的水相在离心力作用下贴近器壁不断旋转向下，从下游的底流口排出；而油相则被推向中心低压部位，并朝旋流器上游的溢流口移动，呈现出双螺旋运动轨迹。W式溢流管的溢流管已插入旋流器的圆柱段，此设计可以避免短路流的形成和发展，有利于提高旋流器的分离效率，并且W式溢流管倾角的设计对混合液与溢流壁相遇起到了缓冲作用，避免混合液与溢流器壁相撞时损失过大[4]。

本文所探讨的旋流器基本尺寸如表1所示。

表1 旋流器基本尺寸 /mmTab.1 Basic size of Hydro cyclone

1.2 W式溢流管模型

W式溢流管是将旋流腔顶部靠近溢流管的外壁，切出一个倒的圆台，并在此基础上将入口上部的旋流腔切除，在溢流管直径和伸入长度不变的前提下，逐渐增大 W式溢流管的倾斜角度θ。倾角θ分别为 0°、7°、14°、21°和 30°（图 2）。

图2 W式溢流管模型图

2 计算模型及方法

2.1 边界条件

旋流器入口为油与水的混合液，水的体积分率较大，将其设为连续相；油的体积分率较小，将其设置为分散相。根据旋流器的实际情况定义如下的边界条件：

1）入口油相体积分数为5%，分流比（溢流口流量与入口流量之比）为8%，溢流口和底流口设定为自由出口，入口面方向速度分量为10m·s-1，其他两个方向速度分量为0；

2） 油水两相的物性参数：水的密度为998.2kg·m-3，黏度为 1.003mPa·s；油的密度为834.1kg·m-3，黏度为 2.223mPa·s。

2.2 数值解法

因旋流器内部流体是进行旋流的湍流运动，采用Reynolds切应力模型可以较好地模拟流体在高速旋转下的流动，同时采用多相流模型Mixture进行联合求解，模拟出油水两相的流动，非定常算法可以观察油相迁移过程，用非平衡壁面处理近壁面。对旋流器采用六面体网格进行划分，网格数约为12万。离散格式选为QUICK格式，因其对于非直流线的流动现象，预报的结果较为贴近真实的物理状态。旋流器模拟的解法采取两步走，第一步模拟水的单相流场，采用PISO算法，第二步模拟油水两相的混合相流场，采用SIMPLEC算法[5]。

3 W式溢流管模拟结果及分析

3.1 速度和角度对进出口压降的影响分析

对于油水分离水力旋流器来说，压力损失是旋流分离的主要能量损失，包含进口与底流口、进口与溢流口两部分压降表示的压力损失。因此研究压降时，通常包含有两个压降，即溢流压降和底流压降，分别表示进口与溢流口、进口与底流口之间的压降，并且用流量加权平均来表示总的能量损失。分析模拟结果所得的不同角度的压降图如图3所示。

图3 压力降随速度的变化曲线

图3 为压力降随速度的变化曲线。当角度θ为0°时，W式溢流管就是直筒式溢流管。从图3可以看出，整体来说，W式溢流管水力旋流器和直筒式溢流管水力旋流器的压力降变化趋势相似，随着速度的增加压力降大幅度提高，这是由于入口流量的增加导致流体切向入口速度增加，旋流器内的离心力场增强所致。如图4所示，随着角度的增大，旋流器的溢流压降和底流压降都会降低，并且角度越大，压降越小，所以改变结构后的 W式溢流管水力旋流器压力损失略小，且倾角θ越大，压力损失越小。

图4 不同角度的压降图

图5 W式溢流管不同角度对分离效率的影响

3.2 速度和角度对分离效率的影响分析

分离效率是检测旋流器的最关键的性能指标，分离效率为溢流口处油的质量流量占入口处油的质量流量的比例分率。由所得的模拟数据，用origin画成的曲线图如图5所示。由图5可知，W式溢流管水力旋流器较直筒式溢流管水力旋流器分离效率高，且随着倾角θ的增大，分离效率增加，当倾角θ为 14°和21°时，分离效率最高，之后随倾角θ的增大而降低，可见分离效率随θ倾角的变化为先增加后降低。并且在不同速度下，分离效率曲线的趋势是一样的，所以对分离效率起到了验证的作用。W式溢流管倾角的设计对混合液与溢流壁相遇起到了缓冲作用，减小了油水混合液与溢流壁的碰撞，从而减小了能量损失，对分离性能的提高起到了一定作用。

4 结论

1）通过以上对 W式溢流管的数值模拟分析可知，与直筒式溢流管相比，W式溢流管对分离效率的提高有一定的作用，如 W式溢流管水力旋流器的速度场比直筒式溢流管的旋流器更加稳定。

2）W式溢流管角度为14°和21°的时候，分离效率达到最大，溢流处流场稳定；W式溢流管角度为30°的时候，旋流器分离效率开始下降。W式溢流管的压降随着角度的增大而降低，可知当角度为14°和 21°时，能耗也较低。

3）倾角的设计对混合液与溢流壁相遇起到了缓冲作用，避免混合液与溢流器壁相撞时损失过大，对旋流器分离性能的提高起到了一定作用。

[1] 任相军，王振波，金友海.轴流式气液旋流分离器分离性能试验研究[J].石油化工设备，2009，38(3)：16-20.

[2] 龚险峰.溢流口结构对除油旋流器分离性能影响的试验[J].油气田地面工程，2002，21(4)：127-128.

[3] 丁旭明，王振波，金有海.两种入口结构旋流器性能对比试验研究[J].化工机械，2005，32(2)：69-71.

[4] 贺杰，蒋明虎.水力旋流器[M].北京：石油工业出版社，1996.

[5] 韩占忠，王敏，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M] .北京：北京理工大学出版社，2004.