轴流式水力旋流器的设计与数值模拟计算

程家胜 舒 珺 袁友为 邵 霖 舒朝晖

（1.华中科技大学能源与动力工程学院； 2.武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院）

水力旋流器是一种结构紧凑、性能高效的分离设备，最早应用在固液相分离的行业中。 Thew M T 将气-固旋流器应用于油-水两相分离，先后将5 种液-液水力旋流器用于油水分离［1］。 目前，双锥型水力旋流器在石油工业中应用比较广泛，但此种旋流器有两个切向入口，会导致设备发生结构不够紧凑、 分散相液滴容易破碎等问题，从而会有湍流较为严重、分离效率降低及压降较大等更严重问题的发生［2］。

螺旋流动是轴向速度和切向速度同时存在的一种流动形式，在工程实践中广泛存在［3］。周帼彦通过数值模拟导流式旋流器中的螺旋个数和螺距结构，发现当螺旋个数固定时，旋流器的压降与螺距成反比［4］。 王振波等发明了一种新型轴流式水力旋流器，具有增加处理量、稳定内部流场及提升分离效率等优点［5］。Hsiao T 等设计了一种多级旋流器系统，该系统由5 个轴流式旋流器和1 个冲击入口组成［6］。

笔者将介绍一种轴向入口带倒锥结构的旋流器，采用Fluent 软件进行数值模拟计算，根据计算结果再分析该型水力旋流器的油水分离性能。

1 结构模型

1.1 模型建立

笔者设计的旋流器，入口是轴入式带螺旋流道结构，旋流腔部分用双锥体结构，溢流口和底流口设置于旋流器底部， 并在底部设计1 个内锥，底流口采用切向出口，如图1、2 所示。入口段螺旋流道升角为30°， 槽深15mm，流 道数4，整个圆柱段长320mm，其余尺寸见表1。

图1 旋流器结构模型

图2 旋流器结构示意图

表1 旋流器结构尺寸 mm

当油水混合液进入带有螺旋流道的进口后，会被加速且沿着弯曲流道产生旋转，继续向下运动，进入旋流腔后，由于油水两相受到离心力不同而完成分离，轻质相（油）慢慢向轴心处聚集，并沿着下端的溢流管流出，重质相（水）由于受到的离心力大， 被甩向外侧而从底流口流出。

1.2 模型验证

笔者将入口流量参数为5m3/h 的轴流式旋流器模拟计算结果与文献 ［7］ 的实验结果进行比较，模拟分离效率51.8%，实验分离效率50.0%，误差1.8%，证明所建模型是准确的，可以对该模型进行结构参数的优化。

2 网格划分及参数设置

2.1 网格划分

笔者研究的轴流式旋流器结构比较复杂，采用非结构化网格的划分方法。 对网格进行无关性验证，横坐标水平1～4 对应的网格单元数分别为118 966、260 319、458 618、569 367， 纵坐标取溢流口静压压降，如图3 所示，水平3～4 对应的压降损失比较平稳，对计算结果影响不大。 因此，采用458 618 网格数进行计算。

2.2 物性参数与边界条件

模拟流体介质为含油体积分数8%的油水混合物，油的密度730kg/m3，粘度系数2.4mPa·s，平均油滴粒径100μm；水的密度998.2kg/m3，粘度系数1.003mPa·s；入口边界条件设置为Velocity-Inlet，入口速度为0.906 9m/s；溢流口和底流口均设为Outflow，设定分流比为20%。

图3 网格无关性验证

采用Pressure-Based 和Steady 求解器， 多相流MIXTURE 模型， 采用RSM 模型，SIMPLE 算法，格式采用QUICK。

3 计算结果分析

以旋流器中心轴线为z 轴，溢流口方向为正方向，入口所在面为x-y 平面，坐标原点位于此面的圆心处，选取大锥段截面（z=340mm）、大锥段与小锥段相接截面 （z=370mm）、 小锥段截面 （z=570mm）来分析该旋流器内部的压降、流场等情况。

3.1 压力场分析

压降是衡量水力旋流器分离性能的重要指标之一。 图4 为旋流器在轴向纵截面y=0 平面的静压分布云图，图5 为旋流器在各锥段横截面的静压分布云图。 由图4 可以看出，静压沿着轴线向下是逐渐变小的，也就是说，流体沿螺旋流道向下流动过程中，产生了压降和能量损失。 在旋流腔内， 大锥段的压降梯度明显大于小锥段的，说明大锥段区域是旋流器内压力损失的主要区域， 油水两相分离也是在该区域产生的。 从图5中可以看出，静压沿径向呈对称分布，且沿着壁面至轴心处逐渐减小，符合旋转流场中涡流场的压力分布规律。

3.2 速度场分析

3.2.1 切向速度分布

图4 轴向截面静压分布云图

图5 各锥段横截面静压分布云图

由于旋流器中离心力和离心加速度是由切向速度产生的，也就是说，切向速度是油水相分离的先决条件，是在旋流器的三维流动中占主导地位的，同时切向速度还影响着轴向速度和径向速度［8］。

图6 为旋流器在各锥段横截面处切向速度沿径向的分布，图中曲线均符合旋流器内切向速度的典型特征， 即在旋流器分离区的同一平面上，出现了典型的“双峰特征”，同时切向速度呈轴对称分布，沿半径向旋流器壁方向先增大后减小，在某一位置达到速度最大值，此位置被称为回转半径。 混合液的切向速度越大，在旋流器内部所受的离心力越大，也就更加容易使油水两相分离。

图6 切向速度沿径向的分布

3.2.2 轴向速度分布

图7 为旋流器在各锥段横截面处轴向速度沿径向的分布，图中曲线沿径向几乎呈轴对称分布，但是又呈现出了不同的曲线走向。 在靠近旋流器器壁的一个区域内，流体的轴向速度均指向底流口方向，该区域是外旋流所在区域。 在锥段截面z=340mm 和z=370mm 处， 液体沿着旋流器壁面向中心方向，速度由正值变为负值，旋流器半径中部的这些速度为零的点形成了包络面LZVV［9］。液体通过零点后，轴向速度为负值，说明液体此时受到内旋流影响而向上运动了。 在小锥段截面z=570mm 处，轴向速度都为正值，说明旋流器中心附近的液体全都向下往溢流口方向移动。

图7 轴向速度沿径向的分布

3.2.3 径向速度分布

图8 为旋流器在各锥段横截面处径向速度沿径向的分布，与切向速度和轴向速度不同，径向速度不是轴对称分布，而是沿原点对称。 流体沿着大锥段向小锥段运动， 径向速度的对称性分布越来越明显， 旋流器中心区域径向速度梯度大于外旋流区域径向速度梯度， 说明旋流器的内旋流场区域是分离油水两相的有效区域。在外旋流区域，也就是靠近旋流器器壁区域，径向运动不明显，而在中心区域附近时，径向运动更加明显，也促进了油水两相的分离，这应该是旋流器底部的内锥起作用， 当液体与内锥接触后，向旋流器入口段方向聚集，增加了油滴聚集的几率。

图8 径向速度沿径向的分布

3.3 湍流场分析

图9 为旋流器在各锥段横截面处湍动能沿径向的分布，从图中可以看出：湍动能在临近旋流器壁面处大，沿旋流器壁向临近中心方向逐渐减小， 在中心区域这一位置时， 又开始趋向于平稳。 整体的分布趋势称为“浴盆结构”，上述规律使得流场更加稳定， 更有利于油水两相分离。

图9 湍流动能沿径向的分布

3.4 油相体积浓度分布分析

图10 为旋流器的油相体积浓度分布云图，从图中看出： 随着z 值的增加， 油相体积分数减小，油水两相分离主要作用于锥段内；在锥段中心区域， 油相聚集于溢流口上方轴线处形成油核。 内锥的作用是使混合液中离散的油滴聚集于整个锥段内部，聚集的油滴向下运动，通过底部设置的溢流口排出。 通过分离效率计算式可得，该型轴流式旋流器的分离效率为91.49%。

图10 油相体积浓度分布云图

4 结论

4.1 笔者设计出的轴流式加内锥型结构水力旋流器，由于是轴向进口，减小了径向尺寸，实现了旋流器小型化的目标。

4.2 通过数值模拟对该结构进行了压力场、速度场和湍流场分析，证实了该结构形式在液液两相分离方面具有良好的可行性，并可为生产水处理用的除油型水力旋流器的设计和优化参数提供参考。

4.3 很好地解决了两相分离，避免了因溢流口和入口同向引起的短路流影响，初步研究表明其分离效果良好，具有很好的发展前景，后期可继续对该型结构进行参数上的优化。