引言

旋風(fēng)分離器是一種重要的氣固、氣液分離設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離性能可靠及壓降小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于化工、能源及環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

利用數(shù)值模擬技術(shù)可以較好地預(yù)測(cè)旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài),目前大多采用Fluent對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬研究,而采用STAR-CCM+對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行數(shù)值模擬研究還比較少。目前對(duì)旋風(fēng)分離器的研究多針對(duì)較大尺寸的旋風(fēng)分離器,而針對(duì)小尺寸的旋風(fēng)分離器研究還不多。因此,筆者采用流體力學(xué)軟件STAR-CCM+對(duì)小尺寸的旋風(fēng)分離器的油氣分離性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,分析了升氣管直徑、分離空間長(zhǎng)度、進(jìn)口截面寬度對(duì)油氣分離性能的影響。

1幾何模型與網(wǎng)格生成

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其基本幾何模型參數(shù)如表1所示,表1中的管徑D為28mm。

三維模型的制作是在STAR-CCM+中直接繪制生成,并利用該軟件內(nèi)部的網(wǎng)格處理模塊生成多面體網(wǎng)格,如圖2所示。后續(xù)計(jì)算的各對(duì)比方案的網(wǎng)格可以通過(guò)在STAR-CCM+中單獨(dú)修改三維模型的某個(gè)特定尺寸,然后直接再次生成網(wǎng)格。

2計(jì)算方法與邊界條件

經(jīng)過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn),旋風(fēng)分離器模擬計(jì)算的湍流模型適合采用雷諾應(yīng)力模型(RSM）,模擬顆粒軌跡可以采用離散相模型(DPM）。

模擬計(jì)算的連續(xù)相為氣體,離散相為液體。氣體的進(jìn)口流速為8.823m/s,密度為50.12kg/m3,黏度為1.48E-5Pa·s。液體顆粒的射入速度與氣體流速相同,流量為1.04E-3kg/s,密度為900kg/m3,計(jì)算的顆粒直徑為2um。壁面設(shè)置為彈性壁面邊界條件,出口設(shè)置為逃逸。

利用離散相模型追蹤液滴軌跡時(shí),設(shè)置顆粒跟蹤的最大步數(shù)為40000,超出所設(shè)置步數(shù)則終止跟蹤,認(rèn)為此顆粒不能離開(kāi)旋風(fēng)分離器。因此,這里計(jì)算的旋風(fēng)分離器油氣分離效率等于單位時(shí)間內(nèi)旋風(fēng)分離器分離的油滴質(zhì)量與單位時(shí)間內(nèi)流入旋風(fēng)分離器油滴質(zhì)量的比值。

根據(jù)上述邊界條件和計(jì)算方法,基本幾何模型的模擬計(jì)算得出的顆粒軌跡跟蹤圖如圖3所示。

在后續(xù)模擬分析升氣管直徑、分離空間長(zhǎng)度、進(jìn)口截面寬度對(duì)旋風(fēng)分離器油氣分離性能的影響時(shí),僅改變所分析的參數(shù),其他參數(shù)和條件保持不變。

3模擬結(jié)果及分析

3.1升氣管直徑

為了分析旋風(fēng)分離器升氣管直徑對(duì)旋風(fēng)分離器分離效果的影響,分別模擬計(jì)算升氣管直徑為6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm時(shí)的油氣分離效率,模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,隨著旋風(fēng)分離器升氣管直徑的增加,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率逐漸減小。在本文所假定的條件下,當(dāng)直徑小于一定值之后,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率接近100%。但是升氣管直徑越小,整個(gè)旋風(fēng)分離器的壓降會(huì)增加。

3.2分離空間長(zhǎng)度

本文所分析的旋風(fēng)分離器分離空間長(zhǎng)度指的是從旋風(fēng)分離器頂板到旋風(fēng)分離器椎體底部的長(zhǎng)度,即表1中所述的旋風(fēng)分離器總高。在模擬計(jì)算不同的旋風(fēng)分離器分離空間長(zhǎng)度時(shí),保持旋風(fēng)分離器直筒段和椎體段的高度尺寸比例不變。這里分別模擬計(jì)算分離空間長(zhǎng)度為80mm、96mm、112mm、128mm、144mm時(shí)的油氣分離效率,模擬結(jié)果如圖5所示。

從圖6可以看出,隨著旋風(fēng)分離器分離空間長(zhǎng)度的增加,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率逐漸增加。在本文所假定的條件下,當(dāng)分離空間長(zhǎng)度達(dá)到一定值之后,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率接近100%,但旋風(fēng)分離器的分離空間長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),過(guò)長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)旋渦底部不穩(wěn)定的情況,分離效率反而會(huì)降低。

3.3進(jìn)口寬度

本文僅改變旋風(fēng)分離器進(jìn)口的寬度,不改變進(jìn)口的高度,分別模擬計(jì)算旋風(fēng)分離器進(jìn)口寬度為44mm、48mm、52mm、56mm、60mm、64mm時(shí)的油氣分離效率,模擬結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著旋風(fēng)分離器進(jìn)口寬度的減小,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率逐漸增加。但是隨著進(jìn)口寬度減小,整個(gè)旋風(fēng)分離器的壓降也增加。

4結(jié)論

(1）隨著升氣管直徑減小、進(jìn)口寬度減小,旋風(fēng)分離器的油氣分離效率增加,但是旋風(fēng)分離器的壓力損失也會(huì)增加。

(2）在一定范圍內(nèi),增加旋風(fēng)分離器分離空間長(zhǎng)度有利于提高旋風(fēng)分離器的油氣分離效率。