旋流器結構參數(shù)對其性能的影響分析

蘭雅梅 張婷婷 王世明 宋秋紅

（上海海洋大學工程學院）

旋流器具有結構簡單、操作方便、分離效率高及處理范圍廣等優(yōu)點［1］，廣泛應用于石油化工、煤礦及污水處理等行業(yè)。 何兆勛通過實驗分析了結構參數(shù)和操作參數(shù)對柱狀旋流器最佳脫水率和壓降性能的影響［2］。 王勝等運用數(shù)值試驗的方法對影響軸流式旋流油水分離器性能的因素進行了研究，結果表明，油相粒徑對分離器性能的影響最大［3］。 羅小明等通過實驗對軸流式氣液旋流器進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)，在低氣速下減小導流葉片出口角、增大中心體直徑、減小排氣管直徑均能夠提高分離效率［4］。 石小敏等通過實驗發(fā)現(xiàn)，底流口直徑、溢流管插入深度、溢流口直徑和給料壓力都對水力旋流器的分離精度有顯著影響［5］。 楊子渝和張力采用正交試驗法對泥沙分離器的結構參數(shù)進行了優(yōu)化，并運用Fluent 軟件進行了模擬分析，得到了最優(yōu)的結構參數(shù)組合［6］。在此， 筆者主要側重于小顆粒分離的固-液 （砂和水）水力旋流，分析旋流器結構參數(shù)對其性能（分離效率和壓降）的影響。

1 旋流器結構及其參數(shù)

旋流器的主體結構如圖1 所示［7］，其中進料入口為矩形入口。

圖1 旋流器結構示意圖

旋流器的主要結構參數(shù)有：

旋流器直徑D 60.0 mm

入口寬度a 16 mm

入口高度b 10 mm

溢流管直徑D018.0 mm

溢流管插入深度h 24 mm

旋流器高度H 60 mm

錐角θ 10°

底流口直徑Du10.8 mm

2 旋流器數(shù)值模擬分析

2.1 內流場

CFD 是研究旋流器內部流場的重要方法，通過CFD 技術可以對旋轉器的實際工況進行模擬，觀察內部流場情況、研究速度分布規(guī)律繼而優(yōu)化其結構設計［8，9］。

首先利用SolidWorks 軟件以z 軸為旋流器的中心軸建立其三維模型， 如圖2 所示。 在Gambit中設置網(wǎng)格，將旋流器劃分為圓柱體部分、圓錐體部分、入口管道部分和溢流管部分，對不同部分采用合適的四面體網(wǎng)格進行劃分。 進料入口處為速度入口邊界條件，速度為5 m/s；溢流口、底流口均設置為outflow 邊界條件；壁面為無滑移邊界條件。

圖2 旋流器三維模型

在Fluent 中進行求解時，采用SIMPLE 算法、RNG k-ε 湍流模型和二階迎風差分格式進行離散。模擬參數(shù)具體設置為：水相密度998 kg/m3，黏度1.003 mPa·s， 泥沙密度2 610 kg/m3。 通過求解，獲得其后處理結果。

旋流器中的切向速度能夠產(chǎn)生離心力，因此，獲得切向速度的分布規(guī)律是研究旋流器內流場最重要的環(huán)節(jié)之一［10］。 圖3 為x=0 橫截面處切向速度和軸向速度的分布云圖。 由圖3a 可知，切向速度整體分布具有一定的對稱性，且入口處的切向速度最大。 從圓柱段和大錐段的速度分布可以看出，旋流器壁面附近的切向速度較小，向中心軸線方向靠近的過程中， 其值先增大后減小，符合旋流器切向速度分布的典型特征。 由于能量損失，在旋流器壁面處切向速度為0。與切向速度不同，軸向速度能夠決定流體介質在溢流和底流中的分配情況［11］。 由圖3b 可知，旋流器中存在著向上的內旋流， 在溢流口處軸向速度達到最大值。 旋流器器壁周圍的流體向底流口流動，形成外旋流，且越接近底流口速度越大。

圖3 x=0 橫截面處切向速度和軸向速度的分布云圖

相比切向速度和軸向速度， 徑向速度較小，實際測量困難。 圖4 是L 為60、120、240、320 mm處的徑向速度分布（L 為距離旋流器圓柱段上端面的位置）。

圖4 徑向速度分布

由圖4 可知， 徑向速度相對原點對稱分布，在旋流器中心區(qū)域速度梯度較大，在旋流器器壁處徑向速度為0， 徑向速度最大值在旋流器中心軸線附近。

2.2 離散相顆粒軌跡

在Fluent 中總排量設置為0.05 L/s， 設置3組噴射源顆粒，直徑分別為5、30、60 μm。 顆粒運動軌跡如圖5 所示。

圖5 顆粒運動軌跡

在旋流器（錐角為10°）中總共追蹤到320 個5 μm 噴射源顆粒， 其中有40 個隨溢流口流體一起逃出（未被分離），其余280 個被成功除去。 對于30、60 μm 的顆粒， 進入旋流器的顆粒數(shù)為320個，逃出顆粒數(shù)為0 個，所有顆粒都被成功除去。可見對于較大顆粒的雜質， 旋流器的除雜效果是很好的， 效率也高， 但是對于顆粒較小的塵土砂粒，旋流器并不能完全除去。 旋流器的分離效率計算式為：

式中 c1——進入旋流器的顆?？倲?shù)；

c2——逃出旋流器的顆粒數(shù)；

η——分離效率。

3 結構參數(shù)對旋流器性能的影響

3.1 錐角

對于錐角為15°的旋流器， 內部離散相同樣設置直徑為5、30、60 μm 的顆粒。對于5 μm 的顆粒，有79 個粒子逃出，被分離的顆粒為161 個，而30、60 μm 的兩組顆粒均被全部除去。

以錐角10°為基礎，分別增大、減小2°，研究旋流器的分離效率。 對于5 μm 的顆粒， 進入8、12°的旋流器內流場的顆?？倲?shù)均為240 個，逃出的顆粒數(shù)分別為52、82 個，由此可以計算得出兩者的分離效率分別為78.33%、65.83%。

不同錐角旋流器的分離效率見表1。 由表1可知，相比錐角為10°的旋流器，錐角為8°的旋流器分離效率減小了約10%， 錐角為12°的旋流器分離效率減小了20%。 可見，對于3 種直徑的離散相顆粒，錐角為10°的旋流器分離效果最佳。

表1 不同錐角旋流器的分離效率

3.2 溢流管插入深度

根據(jù)溢流管插入深度經(jīng)驗公式［12］，其值應在19.8～30.0 mm 之間。 若溢流管插入深度過短，會導致從入口流入的流體直接從出口流出； 過長，則會導致從入口流入的流體在旋流器的頂部形成大小不同的、不規(guī)則流動的渦旋，無法分離流體中的固相雜質。 故筆者選取溢流管插入深度h分別為20、24、28 mm 的旋流器建立模型，計算分離效率（表2）。由表2 可以看出，h=24 mm 時旋流器的分離效率最大，為87.50%。

表2 不同溢流管插入深度旋流器的分離效率

3.3 入口尺寸

旋流器入口尺寸會影響流量、 處理量等因素，從而間接影響旋流器的分離效率和內流場的壓力。 筆者選取4 組入口尺寸（高度×寬度分別為10 mm×16 mm、10 mm×21 mm、12 mm×16 mm、12 mm×19 mm）的旋流器進行模擬分析，計算得到分離效率（表3）。由表3 可知，對于大直徑顆粒，4組入口尺寸的旋流器的分離效率是一致的，都為100%分離無殘留；對于5 μm 的小顆粒，當入口尺寸為10 mm×21 mm、12 mm×19 mm 時， 分離效率都超過了90%。 可見，在合理范圍內時，較大入口尺寸的旋流器分離效率更優(yōu)。

表3 不同入口尺寸旋流器的分離效率

除分離效率外， 壓降是需要考慮的另一項重要指標，壓降能直觀反映旋流器的能量損耗，在分離效率相同的情況下， 一般壓降更小的旋流器其表現(xiàn)效果更好。 由表3 可知，入口尺寸為10 mm×21 mm 和12 mm×19 mm 的分離器分離效率較高，為此對比兩者的壓降情況（圖6）。 由圖6 可以看出，前者入口處的平均壓力為120.14 Pa，出口處的平均壓力為10.19 Pa，壓降為109.95 Pa；后者入口處的平均壓力為134.76 Pa，出口處的平均壓力為11.83 Pa，壓降為122.93 Pa；后者壓降大于前者。 因此，綜合對比分離效率和壓降后可知，入口尺寸為10 mm×21 mm 的旋流器性能較優(yōu)。

圖6 不同入口尺寸旋流器的壓力分布

將上述模擬得到的最佳參數(shù)與初始的設計參數(shù)進行對比，結果見表4。 由表4 可知，最佳參數(shù)旋流器的分離效率比設計參數(shù)的高10.71%，因此具有更好的分離效果。

表4 性能參數(shù)對比

4 結論

4.1 選用離散相模型對不同直徑的泥沙顆粒進行模擬發(fā)現(xiàn)， 直徑為30、60 μm 的顆粒都可以100%被旋流器分離，而直徑為5 μm 的顆粒不能完全被分離，分離效率在87.50%左右。

4.2 保持其他參數(shù)不變，改變旋流器錐角，對比分析了8、10、12、15°旋流器的分離效率， 結果表明，錐角為10°的旋流器分離效果最佳。

4.3 對比分析溢流管插入深度分別為20、24、28 mm 的旋流器分離效率，其值先增大后減小，插入深度為24 mm 的旋流器分離效果最佳。

4.4 在10 mm×16 mm、10 mm×21 mm、12 mm×16 mm、12 mm×19 mm 這4 組入口尺寸中， 入口尺寸為10 mm×21 mm 的旋流器分離效率高達98.21%，且壓降（能量損耗）較低，是分離效果最佳的旋流器。