基于FLUENT的碟式离心机油水分离效率数值模拟

王保升,杨庆宇,陆玄鸣,潘雨泽

(1. 南京工程学院智能装备产业技术研究院, 江苏 南京 211167;2. 江苏省智能制造装备工程实验室, 江苏 南京 211167)

碟式离心机通常在高速条件下运行,转鼓内的流体比较复杂,没有成熟理论能定量分析如此复杂流体的运动规律.如何保证离心机处于理想的分离状态并使各物相实现有效分离是设计者思考的首要问题,故研究转鼓内流场及分离模型极其重要.在此基础上,进一步研究离心机的分离效率是优化离心机结构、满足用户需求,并将其推向更广阔应用市场的必要途径.

碟式离心机作为一种高效的分离机械广泛应用于各个领域,国内外学者对其流场进行了大量研究.文献[1]利用斯托克斯公式和Σ理论推导出了离心机转速、处理量和碟片数量等参数与分离效率之间的关系式,并采用试验方法对其进行了定性验证;文献[2]基于 VOF 模型、Mixture模型、N-S方程和标准k-ε模型对碟式离心机内部流场进行了模拟,对进出口位置和碟片结构进行了优化;文献[3]等基于标准k-ε模型,借助流体分析软件FLUENT对DRS 230-4-00-99型碟式离心机的内部流场进行模拟仿真,获得了转鼓内部速度和压力分布的规律.

当前,碟式分离机的理论与设计方法还很不完善.本文基于FLUENT进行流体仿真,对油水两相流进行流场分析,并用数值模拟试验验证其合理性,理论与试验相结合得到较为准确的分析结果.可为碟式分离机的性能、结构和工艺参数提供一定的数据参考.

1 离心机模型的建立

1.1 物理模型

碟式离心机如图1所示.由于离心机实物结构复杂,不便于进行有限元仿真计算,故将其主要功能结构简化成转鼓和碟片两部分[4-5].工作时,转鼓高速旋转,混合液限制在转鼓内并跟随转鼓高速旋转,混合液中各相由于密度不同受到不同的离心力作用而分层.简化后主要结构参数为:转鼓高度200.5 mm,碟片个数45,转鼓内部直径53.6 mm.

(a) 三维模型

(b) 实物照片

1.2 划分网格

将模型导入到ICEM.由于非结构化网格计算快,对复杂结构处理结果更为准确,因此选用非结构化网格对碟式分离机内部区域进行网格划分.用于FLUENT计算的网格质量不低于0.2,在ICEM的Edit Mesh模块调用Quality check,查看网格质量在0.24以上,网格数约320×104,最小的网格体积为5.232 305×10-11m3,最大网格体积为8.956 464×10-8m3,无负体积,在计算精度允许范围内.网格划分如图2所示.

图2 碟式分离机网格模型

2 数值分析

2.1 数学模型

流动控制方程常用物质导数来表达,即:

(1)

(2)

式中：i、j、k分别为x、y、z的单位向量;u、v、w分别为x、y、z方向的速度.

本文仿真忽略了耗散、黏性输运、质量扩散以及热传导的流动,流体力学方程为无黏流动的方程.由此可得到无黏流动的控制方程[6-7].

1) 连续性方程:

(3)

式中:ρ为密度;t为时间.

2) 动量方程:

(4)

式中:p为作用于液体表面的压力;ρfx、ρfy、ρfz分别为x、y、z方向上的体积力.

3) 能量方程：

(5)

2.2 多相流参数设置

油水两相流中各相参数为:液相油密度为900 kg/m3,黏度为 0.048 kg/(m·s),占体积分数5%;液相水密度为998.2 kg/m3,黏度为 0.001 003 kg/(m·s),占体积分数95%.

2.3 边界条件定义和求解模型的选择

入口边界为给定速度入口,出口液相收集到不密封的集油桶内,出口边界为压力出口.对于油水分离采用VOF两相流模型能够很好地观察两相分离界面,选择标准k-ε湍流模型在计算时具有更好的快速性、稳定性和经济型.由于油水混合物具有不可压缩性,旋转时有较强湍流,所以选择压力求解器,压力速度耦合选择Coupled,压力离散格式采用PRESTO!,可提高计算的收敛速度.

3 有限元仿真结果分析

本文主要研究离心机液液混合相的分离效率,对碟式分离机在不同的转鼓高度、碟片密度、转鼓转速和入口速度下转鼓出入口的油的质量流量进行探究,分析不同参数下的分离效率,为碟式分离机结构与运行参数的优化提供参考.

正交试验是研究多因素多水平的一种试验方法,利用正交试验只需通过较少的试验次数,就能同时分析多个因素,既能找出最优方案,又能分析各因素对试验结果的影响[8-9].本文通过SPSS软件生成如表1所示的正交试验表,分别选取入口速度、转鼓转速、碟片密度和转鼓高度4个因素的4个水平,共进行16组试验.

表1 4因素4水平正交表

图3、图4为16种工况下离心机YZ平面的油水两相体积分布云图.由图3可见,通过转鼓的高速旋转,转鼓内部的油水得到充分分离,顶部油路出口outlet2全部为油,底部水路出口outlet1全部为水,水相和油相的分布位置分别在转鼓的内外两侧,转鼓中间存在掺混,是待分离的主要区域.物相体积分数云图只能对油水分离效果进行定性分析,若要对油出口的油相进行定量分析,则要对outlet2处油的质量流量进行分析,根据进出口油相质量流量的比值来计算分离效率(η=Qoutlet2油/Qinlet油).通过比较油相的质量流量来探究离心机的分离效率.16组仿真结果中混合液入口与油路出口油相的质量流量数据如表2所示.

将表2中16组油路出口油相质量流量和混合液入口油相质量流量的比值代入正交表进行方差分析,结果见表3.由方差分析可知,影响离心机分离效率的因素中转鼓转速和入口速度两个因素最为显著,碟片密度和转鼓高度对分离效率的影响较小.4个影响因素的主次关系是:转鼓转速>入口速度>碟片密度>转鼓高度.

图5为通过方差分析得到的单因素估算边际平均值(剔除其他变量影响时算出的均值).从本文设定的4水平可知转鼓转速和分离效率成正比,入口速度和分离效率成反比,碟片密度和转鼓高度对分离效率的影响复杂.通过正交试验分析,得出最优参数组合是转鼓转速10 000 r/min、碟片密度45个、转鼓高度200.5 mm、入口速度10 m/s.

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

(d) 工况4

(e) 工况5

(f) 工况6

(g) 工况7

(h) 工况8

(a) 工况9

(b) 工况10

(c) 工况11

(d) 工况12

(e) 工况13

(f) 工况14

(g) 工况15

(h) 工况16

表2 油的进出口质量流量

表3 分离效率η的方差分析

(a) 转鼓转速

(b) 碟片密度

(c) 转鼓高度

(d) 入口速度

4 结论

本文主要研究碟式离心机油水两相的分离,通过FLUENT模拟分离状态,设计不同工况的工作条件,利用正交试验进行多因素分析,通过方差分析单因素对分离效率的影响,得到结论:

1) FLUENT仿真技术可以很好地运用在两相流分离的数值模拟中,能够较好地模拟实际分离状态,在离心力的作用下,密度小的油相在转鼓内壁聚集,密度大的水相在转鼓外壁聚集;

2) 由油水分离的油相体积分数的云图得知,碟式离心机碟片间隙油水体积分布不均,油相分布自下往上的增加,转鼓内部流场情况复杂,但是出油口的油相体积分数依然可以达到0.8以上;

3) 通过正交试验和方差分析直接得出最优组合解为:入口速度10 m/s,转鼓转速10 000 r/min,碟片密度45个,转鼓高度200.5 mm.

4) 本研究方法和结果可为揭示碟式离心机离心分离机理、优化分离工艺参数和转鼓结构提供理论参考,为进一步研究打下基础.今后,在液-液-固三相流三维离心流场下结构、物性、操作参数对流体动力学特性的影响等方面,有待做进一步深入研究.