挡板的相对曲率对分离器入口局域流场流体力学性能的影响

张静，刘晓亮，龚斌，李雅侠，吴剑华

（1天津大学化工学院，天津 300072；2 沈阳化工大学辽宁省化工新技术转移推广中心，辽宁 沈阳 110142）

挡板的相对曲率对分离器入口局域流场流体力学性能的影响

张静1，2，刘晓亮2，龚斌2，李雅侠2，吴剑华1，2

（1天津大学化工学院，天津 300072；2沈阳化工大学辽宁省化工新技术转移推广中心，辽宁 沈阳 110142）

以立式圆筒体非均相分离器入口处的冲击挡板为研究对象，探究挡板的结构参数——相对曲率K对入口局域流体力学性能的影响。以水为介质，在K= -0.15～0.25范围内，利用计算流体力学三维湍流数值模拟，研究了凹柱面K＞0、平面K= 0和凸柱面K＜0共3个类型的9种挡板结构入口局域流场的压力和阻力特性，分析了挡板结构对分离器入口受限空间冲击射流的影响机理。结果表明，随着相对曲率的降低，挡板所受冲击力下降，入口局域阻力下降。相对平挡板，K=-0.1的凸柱面挡板局域阻力相对降低2.8%，K=0.1的凹柱面挡板相对提高2.0%。在受限空间内，挡板相对曲率改变了射流冲击间距，影响了入口局域流场结构和静压力分布。凹柱面挡板有效地加长了冲击间距，限制了射流在冲击区轴向和径向扩展。而凸柱面挡板则缩短了冲击间距，有利于射流的扩展。射流冲击区对壁面射流区切向速度分布及挡板出口速度分布起到了决定性作用。

挡板；相对曲率；数值模拟；局域流场

对用于传热、反应、分离等化工过程的容器而言，在入口处设置防冲挡板构件属于常规结构设计[1]。本文提出在立式圆筒体非均相分离器入口处安装挡板构件，以改变物料的流动方向，使物料进入主流场的方式由淹没自由射流转变为沿圆筒体内壁面切向流动的壁面射流，降低入口对主流场的扰动程度。如图1所示，挡板构件由垂直于入口的冲击挡板和上下两块平挡板组成，3块挡板与圆筒体内壁面构成了两个对称的长方形截面出口（本文称为挡板出口）。出口截面的速度分布对圆筒体内流场分布特性及非均相混合物机械分离起到决定性作用。目前，该类型设备挡板结构参数的选取仅依赖工程经验，没有相关研究为挡板结构设计提供理论支撑。

图1 立式圆筒体分离器

在挡板的作用下，分离器入口局域流场可以简化为小冲击间距下的圆形湍流射流流动。对圆形射流冲击平板的研究表明[2-3]，在冲击间距为入口管直径d的2～10倍范围内，随着冲击间距的增加，径向和法向最大时均速度降低，最大脉动速度降低，射流半宽值增加。KNOWLES和MYSZKO[4]研究提出，冲击间距为4d时，远离冲击区的射流半宽值最小，对于小间距冲击射流而言，冲击间距4d是一个临界值。采用烟线流动可视化方法[5-9]对冲击间距和柱面相对曲率（d/D）的实验研究表明，在冲击间距为1d～4d的范围内，冲击间距对凹柱面的流体力学性能影响较凸柱面强，射流沿凸柱面的流动保持稳定，显示出良好的旋涡结构；相对凸柱面和平面，凹柱面上的流动不稳定，主要表现为旋涡稳定性降低并形成回流。对凸柱面和凹柱面小冲击间距下的传热性能的分析表明，冲击间距和曲率对传热系数影响较大[10-13]。MASON-SMITH和EDGINGTONMITCHELL等[14]利用纹影可视化和声功率谱分析技术，研究了平板及柱面直径为10d的凸柱面和凹柱面，提出由于凹柱面对射流的回流作用，抑制了超声速流体冲击音的形成。

从上述分析可以看出，冲击间距和挡板曲率对射流流场的分布起决定性作用，对挡板内部入口局域流场的影响较大，合理的挡板结构设计是对该类型设备结构研究与应用的有力补充。为了比较挡板相对曲率对立式圆筒体非均相分离器入口局域流场的影响，本文以单相流体——水为介质，运用计算流体力学软件Fluent 6.3对凹柱面、平面和凸柱面3个类型的9种曲率挡板展开入口局域受限空间内流体流动特性研究，考察曲率参数对挡板的冲击力和阻力性能的影响，并建立冲击射流流场参数与挡板曲率参数之间的联系。研究结论可以为工程实际中挡板的结构设计和使用提供技术支撑，为该类型设备非均相分离性能的理论研究提供参考。

1 物理模型及数值模拟方法

1.1 物理模型

本文的研究对象为圆筒体入口挡板内的局域流场，图2对图1所示分离器作抽象化处理。入口管在筒体的中部，设置冲击挡板和上下两块平挡板相对入口管中心对称。圆筒体公称直径DN为400mm，高度H为800mm，入口管内径d为30mm，冲击挡板高度为h为100mm。工程中为了保证接管与筒体的焊接要求，入口接管一般采用插入式焊接[15]，本文设置角焊缝高度为5mm。

图2分离器抽象结构

挡板曲率是影响挡板内局域流场的重要因素，出口截面形状对圆筒体内的主流场分布起到决定性的作用。在该类型设备的结构设计中，挡板曲率和出口宽度是重要的设计参数。为此，本文取5种凹柱面挡板[如图2(b)所示]、平面挡板和3种凸柱面挡板，研究相对曲率（K=d/D=d/2R）对挡板内局域流场的影响；其次，针对每种曲率的挡板分别取5种不同的出口宽度值研究出口宽高比（AR=b/h）对挡板内局域流场的影响。本文中冲击间距L作为曲率与出口宽度的混合参数，定义量纲为1冲击间距为式(1)。

为了方便下文参数说明，定义凸柱面挡板的曲率为负值。在工程设计中，挡板的冲击间距不宜太短，出口宽度也不宜太宽。考虑这些因素，凸柱面挡板冲击间距下限L/d≈ 1，出口宽度对应取值。

1.2 实验参照

COOPER[2]和KNOWLES[4]等对冲击平板的射流进行了实验研究，相关的实验设备参数、流动参数等数据如表1所示，为网格方案和湍流模型选取提供比较参考。

表1 实验和模拟参数

1.3 网格方案

本文对圆筒体内流域采用边长为8的四面体非结构化网格划分方案，图3(a)为平挡板（AR=0.35）结构在图2所示对称截面上局域网格分布。网格密度对数值计算结果有一定影响，鉴于本文的研究范围，对入口局域进行网格加密，加密区域为包含挡板局域流场在内的120mm×120mm×120mm正方体；加密方案为在四面体网格边上增加节点，即一个四面体网格被分成8个四面体网格，以降低最大网格体积。图3(b)和图3(c)分别为经过一次和二次加密后对称截面上的网格分布。

图3 网格加密方案

运用上述3种网格方案对表1的模拟参数进行数值计算，取平挡板入口正前方100mm×100mm×100mm立方体，表2针对3种网格划分方案的网格密度、最大网格体积以及最小网格体积进行数据分析。对挡板内冲击射流轴线上的轴向速度和x/L=0.5位置处轴向速度与实验数据[2,4]之间进行比较，得出平均偏差值。可以看出，网格经过二次加密后，数值模拟与实验测量之间的平均偏差值低于10%。综合计算精度和时间因素，本文对所有研究结构的局域网格均进行二次加密，使局域网格密度达到每立方厘米约840个体网格。

表2 网格分析（AR=0.35，K=0）

1.4 湍流模型选取

对于不可压缩流体在不同湍流模型下的冲击射流速度场的研究[16]表明，k-ε湍流模型较其他模型的普适性更好，压力和速度耦合采用Simplec算法，动量和能量方程的离散采用二阶迎风格式。入口边界条件为质量流量入口，圆筒体上下边界条件为symmetry，所有壁面为光滑无滑移壁面，流动介质为单相不可压缩流体水。

运用Standardk–ε、RNGk–ε和Realizablek–ε3种湍流模型对表1的模拟参数进行数值计算，引用COOPER等[2]在L/D=6条件下的实验数据，图4(a)对射流轴线上量纲为1轴线速度进行比较。经过计算，3种模型轴线上轴向速度与COOPER等实验数据最大偏差为22.1%、25.6%、16.7%，平均偏差为8.7%、9.9%、7.2%。可以看出，近挡板冲击壁面处的数据偏差较大，而(L–x)/d＞0.4的轴向速度偏差相对较小。分析其原因在于，近挡板壁面处静压力偏高，水和空气受静压力影响存在一定差异。

对KNOWLES等[4]在L/D=10条件下的实验数据进行分析，图4(b)为距离射流入口x/L=0.5位置处的轴向速度比较。3种模型在x/L=0.5处轴向速度与KNOWLES等实验数据最大偏差为9.4%、7.2%、6.4%，平均偏差为5.3%、4.0%、3.1%。

图4 湍流模型比较

从上述分析可以看出，Realizablek–ε湍流模型所得模拟结果与实验结果最为接近。为此本文取两个实验雷诺数的中值Re=8×104，采用Realizablek–ε湍流模型对3个类型9种曲率的挡板进行模拟计算。

2 入口局域流体力学性能

2.1 挡板所受冲击力

对于本文所述挡板结构，与圆筒体焊接的线性长度一致，挡板沿入口管线方向受力是焊缝抗拉强度设计的依据。因此，对挡板冲击壁面进行压力分析是该类型结构设计的要求。

对挡板壁面静压进行积分，得出挡板所受冲击力（如图5所示）。随着挡板曲率的降低，冲击力呈现下降趋势，其中凸柱面挡板总体较低，在AR=0.35时，较平挡板降低了41.6%。挡板出口宽高比对挡板冲击力影响较大，在AR=0.25时，凹柱面挡板冲击力迅速提高，凹柱面挡板（K=0.25）受冲击力较平挡板高出234%；而在AR=0.35时，凹柱面挡板（K=0.1）受冲击力较平挡板仅高出6.4%。

2.2 入口局域阻力

在立式圆筒体非均相分离设备入口设置挡板的主要目的是消耗流体的部分能量，以降低对主流场的扰动程度，为非均相分离提供有利条件。以分离设备入口到挡板出口截面的流动阻力为评价指标，图6分析了挡板相对曲率K和出口宽高比AR对入口局域阻力性能的影响。

由图6可以看出，挡板局域阻力受相对曲率影响较大，尤其是凹柱面与凸柱面两个类型之间存在较大差异。在本文的研究范围内，局域阻力系数随着挡板曲率下降而提高，基本在0.96～1.09之间。

K=–0.1的凸柱面挡板平均阻力系数相对平挡板降低了2.8%；K=0.1的凹柱面挡板平均阻力系数相对平挡板提高了2.0%。

综合挡板壁面压力和挡板局域阻力性能的分析可以看出，在圆筒体入口流动参数和结构参数一致的情况下，挡板结构参数即相对曲率对挡板内局域性能产生影响较大。

3 挡板的相对曲率对入口局域流场影响机理分析

图5 挡板所受冲击力比较

图6 入口局域阻力分析

为解释相对曲率对挡板内局域流场流体力学性能的影响机理，以出口宽高比AR=0.35为例对入口局域流场进行深入剖析，揭示挡板曲率对冲击射流受限流动的影响。如图7所示，冲击射流分为自由射流区（Ⅰ区）、冲击区（Ⅱ区）和壁面射流区（Ⅲ区）。在冲击区，射流存在显著的流线弯曲，在冲击区末尾几乎变成平行于壁面的流动状态，即壁面射流。一些研究给出了圆形射流冲击区的范围，但不难看出，这些研究针对的冲击间距较大[17]，而本文所述挡板结构的冲击间距在2d范围内，自由射流区线性长度相对较短，冲击区和壁面射流区受挡板曲率影响较大。

图7 对称横截面上流线图

3.1 入口局域压力特性分析

对于圆形正冲击射流，滞点的位置在入口管轴线与挡板的交点处。早期的文献研究表明，对于L/d＞8.3的冲击射流，滞点压力与(L/d)2成反比[17-18]；对于L/d≤5.5的冲击射流，受L/d的影响减小[19]。图8以冲击间距为横坐标，研究挡板相对曲率对挡板冲击壁面上滞点压力的影响。针对本文的挡板结构，滞点压力系数与冲击间距之间的拟合关系如式(2)。

由图8可以看出，滞点压力随着冲击间距增加呈现非线性下降趋势。比照图5，对于凹柱面挡板，出口加宽，冲击间距加长，滞点压力下降，冲击力也随之下降。在出口宽高比较小的情况下，挡板所受压力差距较大，与滞点压力密切相关。

然而，K= –0.1的凸柱面挡板平均滞点压力系数相对平挡板提高了3.6%；K=0.1的凹柱面挡板平均滞点压力系数相对平挡板降低2.8%。即随着挡板曲率的降低，冲击间距缩短，滞点压力提高，而冲击力却下降。为解释这一现象，图9选取凹柱面、平面和凸柱面3类典型挡板，描述挡板壁面和对称截面上静压力系数分布，并将凹柱面和凸柱面挡板的冲击壁面展开为平面。其中，静压力系数定义为式(3)。

由图9可以看出，3类挡板的静压沿圆筒体轴向分布类似；在挡板的中心区域静压较高，周围较低，在冲击挡板与上下平挡板的交接位置略高；凹柱面挡板静压力分布沿挡板周向下降梯度缓慢，导致凹柱面挡板所受冲击力较高；而凸柱面挡板的高静压区域集中，静压力沿挡板周向迅速下降，导致凸柱面挡板所受冲击力较平板低。

对比图7和图9，对称截面和挡板冲击壁面静压分布，在流线弯曲的射流冲击区，压力梯度较大，而出口处的压力梯度相对较小。说明挡板局域压力分布主要取决于冲击射流的速度分布；其次，对压力损失和速度损失分别进行计算，发现速度损失大于压力损失在3.60～19.93倍之间。为此，对挡板内局域速度场进行分析，以揭示相对曲率对受限空间内冲击射流的作用机理。

3.2 自由射流区——冲击区流动特性分析

对于挡板内局域空间的受限流动而言，射流轴向速度衰减性是判别冲击区轴向范围的依据，也是射流从入口到挡板之间，由动能转化为压力能的过程。图10对轴线上的轴向速度分布和轴线速度半值宽给出描述。

图10(a)所示8种挡板（K= –0.10～0.25），由于冲击间距＜2.0，自由射流区很短，轴向速度在入口处无明显衰减；x/L＞0.5时轴向速度迅速衰减到挡板壁面处的零值；随着挡板相对曲率逐渐降低，凹柱面挡板轴向速度下降，并逐渐向平挡板靠近；曲率最大（K=0.25）的挡板相对平挡板速度平均值高5.2%，K=0.1的挡板相对平挡板速度平均值高2.0%；凸柱面挡板的轴向速度在x/L=0.2～0.8区间明显低于其他挡板结构，K=–0.1的挡板相对平挡板速度平均值低7.5%。

在挡板出口截面尺寸一致的情况下，冲击间距L随着挡板曲率的降低而缩短，沿轴线方向速度衰减加快，流动阻力减小。在滞点处，流体动能完全转化为压力能，导致挡板的滞点压力随着曲率的下降而提高。

图8 挡板冲击壁面滞点压力系数比较

图9 挡板局域静压力系数分布

由图10(b)中明显看出，3类挡板结构轴向速度半值宽曲线存在较大差异。随着挡板曲率的降低，曲线的线性部分相对缩短，即自由射流区沿射流轴向范围缩短，冲击区范围加长。其中，凹柱面挡板（K=0.1）为x/L=0.6，平挡板为x/L=0.5，凸柱面挡板（K= –0.1）冲击区轴向长度为x/L=0.4。对于凹柱面挡板，在x/L＜0.73范围内，随着挡板曲率的降低，半宽值下降，射流径向扩展逐渐减弱；在x/L＞0.73范围内，随着凹柱面挡板曲率的降低，半宽值提高，射流径向扩展增强。

在冲击区，凹柱面挡板冲击射流径向扩展与现有平挡板的研究[17，19-20]存在很大差异。如图10(b)所示，在凹柱面挡板近壁面区域，射流轴向速度半值宽迅速下降；凸柱面挡板的射流径向扩展趋势与平挡板类似，凸柱面挡板的扩展速度更快。

为说明近壁面区域射流径向扩展受挡板曲率影响的原因，图11对挡板局域轴向速度云图进行描述。比照图7中的流线可以看出，凹柱面挡板的形状导致射流在挡板壁面附近流线弯曲角小于90°，使冲击区受到挤压，限制了射流轴向速度的径向扩展；而凸柱面挡板的形状导致射流在挡板壁面附近流线弯曲角大于90°，有利于射流轴向速度的径向扩展。

图10 轴向速度分析

图11 轴向速度分布

3.3 冲击区——壁面射流区流动特性分析

图12所示为壁面切向速度最大值沿射流径向分布，随着挡板曲率的下降，近壁面切向速度提高。其中，凹柱面挡板随着相对曲率增大，最大速度峰值下降，但位置基本不变（y/d=0.8）；平挡板最大速度峰值utm/uin=0.80（位置y/d=0.88）；凸柱面挡板速度峰值位置y/d= 0.88。

图12 挡板近壁面切向速度最大值

为了更直接地说明冲击射流在壁面射流区流动状态对挡板出口的影响，本文定义挡板法向为y1轴（如图11所示），以方便描述壁面射流区的切向速度特征。并取y/d=1.33处挡板法向线位置，分别对壁面射流区切向速度剖面进行分析。

切向速度剖面以切向最大速度及其半值宽为速度和长度比尺，对切向速度的衰减性进行分析，如图13所示。可以看出，在挡板近壁面（y1/b1/2＜1.5）挡板结构参数对壁面射流速度分布影响很小；量纲为1切向速度最大值所处位置基本保持在y1/b1/2=0.32～0.40之间；在2＜y1/b1/2＜6.5区间，随着曲率下降，切向速度提高；对于平挡板和凸柱面挡板，切向速度明显高出凹柱面挡板。

图13 壁面射流区切向速度剖面

对壁面切向速度的分析同样说明，随着相对曲率的降低，射流冲击区径向呈现加宽趋势。其次，随着相对曲率的降低，冲击区切向速度最大值提高；壁面射流区切向速度最大值和近出口处速度剖面提高，即随着曲率的降低，挡板出口截面速度提高，流动阻力下降。

4 结论

在立式圆筒体非均相分离器入口处安装挡板构件，研究冲击挡板结构参数，即相对曲率对入口局域压力场和阻力性能的影响，分析了相对曲率对受限空间冲击射流流体力学性能的影响机理，为该类型分离器挡板设计提供基础数据。得到以下具体结论。

（1）冲击射流滞点压力与出口宽高比和相对曲率的混合参数，即冲击间距相关，随着冲击间距的缩短，滞点压力提高。然而，随挡板相对曲率的降低，静压力分布沿挡板周向下降的梯度提高，导致挡板所受冲击力下降。

（2）挡板内局域阻力以速度损失为主，速度损失大于压力损失在3.60～19.93倍。随挡板相对曲率的降低挡板入口局域阻力降低。

（3）在射流冲击Ⅱ区，凹柱面挡板相对平面挡板的流线弯曲＜90°，导致射流径向收缩，同时缩短了冲击区的轴向长度。而凸柱面挡板对射流冲击区的作用正好相反。

（4）在壁面射流Ⅲ区，切向速度最大值及近出口处的速度剖面均随着曲率的下降而提高，即凹柱面挡板有效降低了出口速度，而凸柱面挡板出口处切向速度提高。

符号说明

AR——挡板出口宽高比

b——挡板出口宽度，mm

b1/2——射流半值宽，mm

Cp——静压力系数

Cps——滞点压力系数

D——挡板直径，mm

d——入口管直径，mm

F——冲击力，N

H——圆筒体高度，mm

h——冲击挡板高度，mm

K——相对曲率

L——冲击间距，mm

P——静压力，Pa

u——速度，m/s

x——冲击射流轴向距离，mm

y——冲击射流径向距离，mm

y1——挡板法向距离，mm

ρ——密度，kg/m3

ζ—— 局域阻力系数

下角标

in —— 冲击射流入口

x—— 冲击射流轴向

t —— 挡板切向

tm —— 挡板切向参数最大值

0 —— 平挡板（K= 0.0）

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Effect of inlet baffle curvature ratio on the local flow fields in a separator

ZHANG Jing1，2，LIU Xiaoliang2，GONG Bin2，LI Yaxia2，WU Jianhua1，2
（1School of Chemical Engineering & Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2Center of New Chemical Technology Transfer and Promotion Liaoning Province，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，Liaoning，China）

The purpose of this paper is to investigate the flow characteristics of local flow field in the vertical cylinder separator with inlet baffle at different curvature ratios (K). Computational fluid dynamics（CFD） was used to numerically calculate the three-dimensional turbulent flow for separators. The effect ofKvalues was researched within the scope of -0.15—0.25 and baffles were classified into concave surfaceK>0，plateK=0 and convex surfaceK<0. The stagnation pressure and local resistance were calculated. Water was used as working fluid. The mechanism was analyzed at differentKvalues about impinging jet in limited narrow space of separator inlet.The results showed that the impact on the baffle wall and the local flow resistance declines with the decrease of the curvature ratioKin the separator inlet. The average local resistance coefficient ofK= -0.1 is 2.8% lower than that ofK=0，andK= 0.1 is 2.0% higher. The local flow structures and the static pressure distribution were altered by differentK. For the case of concave surface，jet expansion was limited in the impacted area due to the enlarging of jet exit-to-surface distanceL. On the contrary，the convex surface was beneficial to the impinging jet expansion. Distribution of tangential velocity in wall jet region and baffle outlet was deeply affected by impacted area.

baffle；curvature ratio；numerical simulation；local flow field

O358

A

1000–6613（2017）11–3963–09

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-1083

2017-06-06；修改稿日期2017-07-07。

国家自然科学基金（51506133）、辽宁省自然科学基金(201602595)及辽宁省博士科研启动基金(201601199) 项目。

张静（1971—），女，博士研究生，副教授。联系人吴剑华，教授，研究方向为化工过程强化。E-mail：syhgdx_wjh@163.com。