旋流分離器內(nèi)流動(dòng)特性的模擬分析研究

文海龍，李 巍，沈志恒，程新宇，徐 峰，方 堃

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

旋流分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、制造及維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，已成為目前工業(yè)分離、除塵設(shè)備較為常規(guī)的設(shè)備，其在工業(yè)上的應(yīng)用已有百余年的歷史[1]。在旋流分離器裝置中，要求能在低顆粒濃度下高效地分離出最小顆粒，因此為了設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的旋流分離器，詳細(xì)了解其內(nèi)部的流場(chǎng)分布是相當(dāng)必要的。

對(duì)于湍流流場(chǎng)的數(shù)值研究，湍流模型的選取是關(guān)鍵。現(xiàn)有的湍流數(shù)值模擬方法包括直接數(shù)值模擬、雷諾平均模擬和大渦數(shù)值模擬等三種方法。直接數(shù)值模擬方法需要較大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和耗時(shí)較長(zhǎng)的計(jì)算量，其適合于計(jì)算雷諾數(shù)較低的簡(jiǎn)單湍流運(yùn)動(dòng)；雷諾平均模擬方法只能提供湍流的平均信息，其沒(méi)有普適性；大渦模擬方法在較為復(fù)雜流動(dòng)模擬中可以獲得湍流流動(dòng)的細(xì)微結(jié)構(gòu)和流動(dòng)圖像，因此該方法被廣泛認(rèn)為是一種非常有前景的湍流數(shù)值模擬方法[2]。

對(duì)于旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的模擬，很多學(xué)者采用穩(wěn)態(tài)方法并認(rèn)為旋流分離器有明確的進(jìn)出口邊界條件，而且認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)下可以大大縮短計(jì)算時(shí)間。他們采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，RNGk-ε模型及RSM湍流模型對(duì)旋流分離器內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究[3-4]。有學(xué)者提出在非穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行模擬更能符合旋流。

分離器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)情況，這是因?yàn)樾鞣蛛x器內(nèi)部實(shí)際的氣流場(chǎng)是強(qiáng)旋湍流場(chǎng)，湍流的一個(gè)重要特征就是隨機(jī)性，即流體中的各種物理參數(shù)，如速度、壓力等都隨時(shí)間與空間發(fā)生隨機(jī)變化，即旋流分離器內(nèi)部的流場(chǎng)是非穩(wěn)態(tài)的，只是趨向于穩(wěn)態(tài)發(fā)展，因此采用非穩(wěn)態(tài)下模擬的氣相流場(chǎng)與實(shí)際的氣相流場(chǎng)更加吻合[2]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)處理性能的大幅度提升，在非穩(wěn)態(tài)下對(duì)旋流分離器內(nèi)部強(qiáng)旋流湍流場(chǎng)進(jìn)行模擬已經(jīng)成為可能。為此，針對(duì)旋流分離器內(nèi)三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)、且具有明顯各向異性的湍流的特點(diǎn)，文章在非穩(wěn)態(tài)下采用大渦數(shù)值模型(LES)對(duì)旋流分離器內(nèi)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 大渦模型(LES)

LES方法是介于直接模擬和雷諾平均模擬法之間的一種場(chǎng)模擬方法。大渦模擬的基本思想是把包括脈動(dòng)在內(nèi)的湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)通過(guò)某種濾波方法分成大尺度運(yùn)動(dòng)和小尺度運(yùn)動(dòng), 大尺度運(yùn)動(dòng)通過(guò)求解微分方程直接求出來(lái)，小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響通過(guò)次網(wǎng)格模型來(lái)模擬[2]。

在LES方法中，通過(guò)使用濾波函數(shù)，每個(gè)變量都被分成兩部分。濾波函數(shù)處理瞬時(shí)狀態(tài)下的N-S方程和連續(xù)方程，有：

(1)

(2)

式(1)和式(2)構(gòu)成了在LES方法中使用的控制方程組，式中帶有上劃線的量為濾波后的場(chǎng)變量，式(1)中：

(3)

式中，τij定義為亞格子尺度應(yīng)力。

文章采用Smagorinsky最早提出的亞網(wǎng)格尺度(SGS)模型，對(duì)各流場(chǎng)瞬時(shí)變量在網(wǎng)格尺度上進(jìn)行區(qū)域平均，可得到平均形式的三維N-S方程組如下：

(4)

動(dòng)量守恒方程：

(5)

2 物理模型

模型是根據(jù)Giulio Solero[6]的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)立，如圖1。

圖1 蝸殼式旋流分離器幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric structure of spiral case cyclone separator

3 邊界條件和模擬參數(shù)

(1)入口邊界。取入口為常溫下的空氣，入口速度為6.5 m/s；

(2)出口邊界。設(shè)置出口邊界為Outflow。因排塵口幾乎沒(méi)有氣流流出，所以排塵口的流量權(quán)重為0, 排氣口的流量權(quán)重為1；

(3)固壁邊界。壁面為無(wú)滑移邊界條件，湍流采用壁面函數(shù)法。

模擬計(jì)算中的數(shù)值參數(shù)如表1。

表1 模擬參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

4 計(jì)算結(jié)果及分析

切向速度和軸向速度是旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的兩個(gè)重要參數(shù)。切向速度使顆粒具有離心力而分離，而軸向速度則吹著顆粒向灰斗流動(dòng)而將其捕獲。切向速度和軸向速度反映了旋流分離器內(nèi)部氣流的流動(dòng)特性，因此文章著重分析氣流的切向速度和軸向速度，并將模擬值與文獻(xiàn)[6]中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。圖2為非穩(wěn)態(tài)下對(duì)氣相流場(chǎng)采用采用LES模型得到的速度矢量分布。

圖2 非穩(wěn)態(tài)下的速度矢量分布Fig.2 Velocity vector distribution in unsteady state

從圖2中可以看到旋流分離器流場(chǎng)內(nèi)部的準(zhǔn)強(qiáng)制渦和外部的自由渦，且內(nèi)渦與外渦的交界面很清晰。另外，氣相流場(chǎng)在圓筒段的對(duì)稱性比較好，而在圓錐段的對(duì)稱性則較差，并出現(xiàn)擺尾現(xiàn)象，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果相吻合，這表明在非穩(wěn)態(tài)下采用LES模型可以很好地預(yù)測(cè)旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)特性。下面就在不同徑向角度及不同橫截面處的切向和軸向速度分布特點(diǎn)加以模擬分析。

(1)環(huán)形區(qū)域。

圖3為沿徑向10°、100°兩個(gè)方向，在z=70 mm高度處的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的切向速度對(duì)比圖?？梢钥闯?切向速度由外向內(nèi)逐漸增大，除了壁面附近，可以認(rèn)為符合準(zhǔn)自由渦分布。切向速度在兩側(cè)壁面附近下降較大，說(shuō)明壁面附近速度梯度很大，形成一個(gè)速度剪切層，從而極易形成壁面二次渦，且速度“剪切層”對(duì)具有粘附性的顆粒在排氣管外壁的沉積有重要的影響。圖3(a),切向速度值在排氣管外壁處達(dá)到最大值，同時(shí)在另一點(diǎn)處也存在一個(gè)極大值，而非沿半徑方向一直減小，這主要是因?yàn)樵谖仛^(qū)域內(nèi)的兩股氣流相互作用的結(jié)果，一股是排氣管壁面附近上升的主氣流，另一股則是入口氣流。兩股氣流的相互作用，擾亂了主氣流的穩(wěn)定性，從而切向速度產(chǎn)生震蕩波動(dòng)，使得速度場(chǎng)規(guī)律性變差。

圖3 z=70 mm截面處沿不同徑向方向的切向速度分布Fig.3 Tangential velocity distribution along different radial directions at z=70 mm

另外，比較圖3(a)、圖3(b)發(fā)現(xiàn)，切向速度分布在環(huán)形空間是非軸對(duì)稱的，在10°方位縱剖面的值明顯高于在100°方位縱剖面的值。主要是因?yàn)閺?°方位縱剖面到90°方位縱剖面，蝸殼式旋流分離器的環(huán)形空間的徑向?qū)挾戎饾u縮小，促使切向速度加大；而從90°到270°，環(huán)形空間的徑向?qū)挾炔蛔儯沟脷饬飨蛳逻M(jìn)入分離空間造成切向速度減小。文章還采用RSM湍流模型也進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與LES模型模擬計(jì)算結(jié)果及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

(2)圓筒區(qū)域。

圖4為θ=180°-0°縱剖面上，切向速度和軸向速度在Z=330 mm高度處的LES模擬值和RSM模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比圖。從圖4中不難看出，正如所預(yù)料的那樣，在旋流分離器的速度場(chǎng)中, 切向速度起著主導(dǎo)作用，某點(diǎn)處的切向速度值大于其軸向速度值，固體顆粒在切向氣流作用下作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在離心效應(yīng)下被甩向分離器壁面而被分離出來(lái)。預(yù)報(bào)結(jié)果顯示切向速度為Rankine渦結(jié)構(gòu)，軸對(duì)稱性較好，呈現(xiàn)典型的強(qiáng)旋流動(dòng)特征。軸向速度預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值符合，在軸線上呈單峰形，流場(chǎng)分為外側(cè)下行流與內(nèi)側(cè)上行流兩個(gè)區(qū)域，軸對(duì)稱性較好。

圖4 z=330 mm截面處的速度分布Fig.4 Velocity distribution at z=330 mm section

(3)圓錐區(qū)域。

圖5為θ=180°-0°縱剖面上，切向速度和軸向速度在z=700 mm高度處的LES模擬值以及RSM模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比圖。從圖中可以看出，在錐形區(qū)域內(nèi)，LES模型模擬所得結(jié)果更加接近于實(shí)驗(yàn)值。這是因?yàn)樵谛鞣蛛x器錐形區(qū)域內(nèi)，氣流流動(dòng)速度的變化較慢，需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)錐形區(qū)域內(nèi)氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間越長(zhǎng)，LES的模擬結(jié)果越好，故此，LES模型更能很好地模擬出此區(qū)域內(nèi)強(qiáng)制渦中心渦流的流動(dòng)特性。

圖5 z=700 mm截面處的速度分布Fig.5 Velocity distribution at z=700 mm section

另外,圖5(a)預(yù)報(bào)值和實(shí)測(cè)值都顯示,在圓錐形區(qū)域內(nèi)的下端部分，正切向速度值明顯比其他區(qū)域的要大，也就是雷諾正應(yīng)力值比其他區(qū)域的要大。這是因?yàn)閳A錐形區(qū)域內(nèi)的下端部分即排塵口附近,外層的下行氣流在分離器底部向上折返時(shí)，流線急劇變化，一部分氣體會(huì)進(jìn)入分離器底部的排塵口中，受壁面摩擦的影響，這部分氣體的流速將減小，而后又會(huì)返回分離器的錐體下端，與該處高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)漩流混合，產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)量交換和湍流能量耗散，形成偏心環(huán)流。另外，由于內(nèi)漩流的中心線和分離器的中心線并不完全重合，傾斜的內(nèi)漩流下端就會(huì)呈現(xiàn)“擺尾”現(xiàn)象，周期性地掃到壁面上，形成若干個(gè)縱向的偏心環(huán)流，它會(huì)把已經(jīng)聚集在壁面附近的顆粒重新夾帶到分離器內(nèi)部的上行氣流中去，從而降低了分離器的分離效率，可以通過(guò)改變分離器底部結(jié)構(gòu)來(lái)減小這一部分損失。

(4)排氣管區(qū)域。

圖6給出了不同計(jì)算方法得到的在排氣管區(qū)域內(nèi)z=-70 mm橫截面處的切向速度(a)和軸向速度(b)分布圖?？梢钥闯?，排氣管區(qū)域內(nèi)的速度分布形態(tài)仍然是中心高、邊壁附近低,而且切向速度大于軸向速度，起主導(dǎo)作用,說(shuō)明排氣管內(nèi)湍流仍然是各向異性的。RSM模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)的速度結(jié)果存在明顯的差異，而LES模型卻能得到較好的效果。軸向速度分布與排氣管以下空間內(nèi)的分布形態(tài)迥異,在旋轉(zhuǎn)流的幾何中心,軸向速度很小,但隨半徑的增大,其值急劇增大,靠近壁面處變化量減小。

圖6 z=-70 mm截面的速度分布Fig.6 Velocity distribution of z=-70 mm section

由圖6(b)可以看出,軸向速度的分布并不是沿著旋流分離器的幾何中心對(duì)稱，而是有一定的偏心距離,這表明在排氣管區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)明顯的偏離軸心的旋轉(zhuǎn)蝸核區(qū)域，同時(shí)在排氣管末端有氣流短路現(xiàn)象存在。由于角動(dòng)量守恒和和截面積半徑的減小，排氣管區(qū)域中心蝸核區(qū)的角速度值ω=Wmax/rmax≈650 rad/s，這明顯高于圓環(huán)區(qū)域中心蝸核區(qū)的角速度值(ω≈400 rad/s)。角速度的陡升，促使排氣管區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)湍流程度增強(qiáng)，存在強(qiáng)制渦中心渦流區(qū)，致使RSM模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的偏差。

5 結(jié)束語(yǔ)

旋流分離器內(nèi)部進(jìn)行的是兩相流運(yùn)動(dòng)，是氣相和固體顆粒相的分離過(guò)程，而顆粒相屬于稀疏相， 固體顆粒的運(yùn)動(dòng)在很大程度上還是要取決于分離器內(nèi)部的氣體流場(chǎng)，而速度場(chǎng)是旋流分離器內(nèi)部最主要的流場(chǎng)。文章采用LES模型對(duì)在非穩(wěn)態(tài)下旋流分離器內(nèi)的三維氣相流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。結(jié)果表明:

(1)采用LES模型對(duì)旋流分離器模擬計(jì)算，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，LES模型可以獲得比RSM模型更多的湍流信息，尤其是細(xì)微的強(qiáng)制渦中心渦流運(yùn)動(dòng)情況的信息。因此，LES模型更能較真實(shí)準(zhǔn)確的模擬循環(huán)旋流分離器內(nèi)部湍流流場(chǎng)的流動(dòng)特性。

(2)按照速度場(chǎng)的分布規(guī)律可將分離器內(nèi)部的流動(dòng)空間外側(cè)下行流與內(nèi)側(cè)上行流兩個(gè)區(qū)域, 其分界面大致為排氣管壁面向下的延長(zhǎng)線。在不同的流動(dòng)區(qū)域中, 速度場(chǎng)的分布有較大的不同， 內(nèi)部區(qū)域中切向速度沿徑向變化梯度比外部區(qū)域中大得多。

(3)旋流分離器內(nèi)速度分布呈現(xiàn)組合渦的特點(diǎn)，氣相流場(chǎng)是雙層旋轉(zhuǎn)流, 中心區(qū)域強(qiáng)制渦有利于將顆粒甩向外部, 外部準(zhǔn)自由渦區(qū)有利于顆粒在壁面附近被捕集, 內(nèi)部旋流壓力分布差異導(dǎo)致分離器錐底出現(xiàn)返流現(xiàn)象,這與實(shí)際情況相吻合。