楊蕊，呂超，朱寶錦，張磊，肖迎松

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318)

0 前言

1 數(shù)值模擬分析

本文作者研究的氣液分離器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，尺寸見表1，上端為溢流管，氣相介質(zhì)從其溢出；下端為底流管，液相介質(zhì)從其流出。

圖1 氣液分離器結(jié)構(gòu)示意

表1 氣液分離器幾何尺寸 單位:mm

1.1 邊界條件

入口邊界為速度入口(Velocity)，由于模擬在流量脈動(dòng)條件下，故入口速度是非穩(wěn)態(tài)的，以50.25 Hz的脈動(dòng)頻率變化，脈動(dòng)的周期為1 s、脈動(dòng)峰值為7.7 m/s，因此通過(guò)導(dǎo)入U(xiǎn)DF方程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)入口速度的非穩(wěn)態(tài)，水力直徑為7.5 mm，溢流口和底流口均為自由出流(Outflow)。溢流分流比為60%，氣液比30%，Simplec算法用于速度壓力的耦合，氣液旋流器墻壁為無(wú)滑移邊界條件。

1.2 氣相云圖對(duì)比

從截面Ⅰ的氣相云圖(如圖2所示)可知：隨著柱段長(zhǎng)度從39 mm增大到88 mm，旋流器軸向中心的氣核維度逐漸變小，相同范圍內(nèi)的氣相濃度也隨之降低。且從氣相體積分?jǐn)?shù)為0.82的等值面圖也可以看出，遮罩內(nèi)的氣相體積逐漸降低，到柱段長(zhǎng)為88 mm時(shí)，氣核的體積降到了最低。

圖2 穩(wěn)渦罩柱段長(zhǎng)39、50、78、88 mm及無(wú)罩的分離器截面Ⅰ氣相云圖對(duì)比

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：在穩(wěn)渦罩內(nèi)部，旋流器軸向中心，4種柱段長(zhǎng)度旋流器的氣相體積分?jǐn)?shù)均在0.9左右；在以半徑為10 mm的圓周內(nèi)，39 mm的氣相體積分?jǐn)?shù)最高，且隨著長(zhǎng)度的增加，氣相體積分?jǐn)?shù)降低。穩(wěn)渦罩外表面的氣相體積分?jǐn)?shù)隨著柱段長(zhǎng)度的增加而增加，最高達(dá)到了0.78。因此，穩(wěn)渦罩的柱段越長(zhǎng)，罩外氣相沿罩下移，進(jìn)而從導(dǎo)流孔進(jìn)入其內(nèi)部的機(jī)會(huì)就越小，這樣會(huì)使這些氣相隔絕在罩外，從而影響分離性能。另外，無(wú)罩時(shí)，雖然在軸心處氣相體積分?jǐn)?shù)均高于帶穩(wěn)渦罩的情況，但無(wú)罩時(shí)氣核維度不大，匯聚的氣相少。故穩(wěn)渦罩旋流器的柱段長(zhǎng)為39 mm時(shí)，對(duì)氣相在中軸處的聚集效果最好。

圖3 截面Ⅰ氣相體積分?jǐn)?shù)

以入口為恒定流速條件下的分離效率公式(1)為基礎(chǔ)：

(1)

式中：為底流含氣濃度；為入口含氣濃度。

推導(dǎo)得到適用于脈動(dòng)條件下的分離效率：

(2)

式中：為溢流分流比；為底流口氣體質(zhì)量流率；為底流口混合相質(zhì)量流率；為入口氣體質(zhì)量流率；為入口混合相質(zhì)量流率。

瀝青質(zhì)量直接影響混合料質(zhì)量，應(yīng)選用具有良好溫度敏感性、抗老化性，含蠟量低的優(yōu)質(zhì)瀝青。本文采用70#道路石油瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

根據(jù)式(2)計(jì)算出各時(shí)刻的分離效率并繪制效率曲線，如圖4所示。內(nèi)部流場(chǎng)平穩(wěn)后，無(wú)罩時(shí)分離效率最低，且不穩(wěn)定，柱段長(zhǎng)度為39 mm的穩(wěn)渦罩旋流器的分離效率高達(dá)95%，隨著柱段長(zhǎng)度的增加，分離效率逐漸下降至94%。從圖中的局部放大部分可以發(fā)現(xiàn)：隨著柱段長(zhǎng)度的增加，效率曲線的波動(dòng)幅度逐漸增大，這表明柱段長(zhǎng)度增加，穩(wěn)渦罩對(duì)脈動(dòng)流的抑制作用減弱，導(dǎo)致其分離性能不穩(wěn)定。

圖4 穩(wěn)渦罩不同柱段長(zhǎng)度效率圖線

1.3 壓力云圖對(duì)比

如圖5所示：從不同時(shí)刻的穩(wěn)渦罩旋流器截面Ⅰ的壓力云圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著柱段長(zhǎng)度從39 mm增大到88 mm和時(shí)間從3.9 s變化到4.0 s，位于遮罩內(nèi)的低壓區(qū)變得不穩(wěn)定，不能保持在相對(duì)一致的低壓下；無(wú)罩時(shí)低壓范圍明顯減小，且低壓區(qū)壓力不穩(wěn)定；柱段長(zhǎng)度為39 mm的穩(wěn)渦罩內(nèi)低壓區(qū)范圍更大，且壓差更小，對(duì)軸心處氣相物質(zhì)的舉升力也更穩(wěn)定持續(xù)，分離效率最高。

圖5 穩(wěn)渦罩柱段長(zhǎng)39、50、78、88 mm及無(wú)罩的分離器截面Ⅰ不同時(shí)刻壓力云圖

穩(wěn)渦罩內(nèi)部壓力如表2所示，可知：在3.9、3.95、4.0 s三個(gè)時(shí)刻，穩(wěn)渦罩中心壓力均為負(fù)壓；但穩(wěn)渦罩邊緣壓力則正負(fù)均存在。通過(guò)計(jì)算其中心與邊緣的壓力差，可得到穩(wěn)渦罩內(nèi)部負(fù)壓區(qū)域的大小，即壓力差越小，穩(wěn)渦罩內(nèi)負(fù)壓區(qū)域越大。將不同柱段長(zhǎng)度3個(gè)時(shí)刻的壓力差計(jì)算平均值，可以對(duì)其進(jìn)行比較。計(jì)算發(fā)現(xiàn)：隨著柱段長(zhǎng)度從39 mm增長(zhǎng)到88 mm，平均壓力差從1 327.62 Pa增長(zhǎng)到了2 257.07 Pa，無(wú)罩時(shí)的平均壓力差更是高達(dá)9 378.07 Pa，故穩(wěn)渦罩柱段長(zhǎng)為39 mm時(shí)，其內(nèi)部負(fù)壓區(qū)范圍最大，則產(chǎn)生對(duì)氣相物質(zhì)的舉升力越強(qiáng)，從而提升了旋流器的分離性能。

表2 穩(wěn)渦罩內(nèi)部壓力

2 試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，加工旋流器的實(shí)體模型以及不同尺寸的穩(wěn)渦罩實(shí)體模型，如圖6所示，通過(guò)替換不同尺寸的穩(wěn)渦罩進(jìn)行試驗(yàn)。

圖6 “柱+錐”狀遮罩實(shí)體模型

使用變頻器與動(dòng)力柜相連來(lái)對(duì)脈動(dòng)流進(jìn)行模擬，通過(guò)觀察玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)子的變化，可以明確脈動(dòng)的頻率和周期。室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)

使用室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)分離器的分離效率進(jìn)行測(cè)量，在氣液比為30%、分流比為60%的同一操作參數(shù)下，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到不同柱段尺寸穩(wěn)渦罩旋流器的分離效率，如表3所示。由于現(xiàn)實(shí)工況下所存在的誤差，試驗(yàn)效率值低于模擬值，誤差在可接受范圍內(nèi)。模擬效率與試驗(yàn)效率對(duì)比如圖8所示。

表3 穩(wěn)渦罩不同柱段尺寸樣機(jī)試驗(yàn)分離效率

圖8 模擬效率與試驗(yàn)效率對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Origin軟件對(duì)其進(jìn)行分析，擬合出不同柱段長(zhǎng)度與旋流器分離效率的關(guān)系式(3)，相關(guān)系數(shù)為0.997 01，表明二次多項(xiàng)式的擬合相關(guān)度高，具有可信度。

=93193-0000 3-0003 2

(3)

其中:為旋流器分離效率(%)；為柱段的長(zhǎng)度(mm)。

此外，加工有機(jī)玻璃模型，試驗(yàn)過(guò)程中使用高速攝像機(jī)對(duì)有機(jī)玻璃段進(jìn)行拍攝，如圖9所示，觀察旋流場(chǎng)中氣核的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖10所示。

圖9 高速攝像圖示

圖10 不同“柱+錐”狀遮罩柱段尺寸氣核對(duì)比

從圖10可以發(fā)現(xiàn)：穩(wěn)渦罩柱段長(zhǎng)為39 mm時(shí)，旋流器流場(chǎng)中的氣核聚集在軸心處附近，且氣核底端沒(méi)有觸摸到底錐，故只有少量氣相物質(zhì)從底流口跑出，絕大多數(shù)氣相從溢流口溢出；隨著穩(wěn)渦罩柱段尺寸的增加，旋流器軸心氣核的底端距離底錐越來(lái)越近，當(dāng)柱段為88 mm時(shí)，氣核已將底錐尖端掩蓋。由此可知：柱段長(zhǎng)度增加，氣相物質(zhì)從底流跑出的量也在增加，分離效率降低。

除分離效率直觀評(píng)價(jià)外，旋流強(qiáng)度也是評(píng)價(jià)旋流器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，旋流器的旋流強(qiáng)度越大，其對(duì)混合相介質(zhì)的分離效果越好。

=

(4)

(5)

(6)

(7)

其中：為氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩；為軸向動(dòng)量矩；為軸向動(dòng)量；為出口截面積；為入口截面積；為氣流密度；為氣流流量；為切向速度；為氣液通過(guò)遮罩的平均旋轉(zhuǎn)半徑。

從式(7)可以得知:旋流強(qiáng)度與遮罩柱段的長(zhǎng)度成反比，其值隨著柱段長(zhǎng)度的增加而減小，即印證了旋流器的分離效率隨著遮罩柱段長(zhǎng)度的增加而降低。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，4種柱段長(zhǎng)度的穩(wěn)渦罩分離效率均很可觀，但其中39 mm柱段的效果最好，模擬分離效率高達(dá)95%，且其對(duì)脈動(dòng)的削弱作用最強(qiáng)，旋流器分離性能最穩(wěn)定。

(2)樣機(jī)試驗(yàn)與高速攝像試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果，得出了穩(wěn)渦罩4種不同柱段尺寸的最優(yōu)值——39 mm，并且擬合出柱段長(zhǎng)度與旋流器分離效率之間的關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.997，分離效率隨柱段長(zhǎng)度的增加而降低。穩(wěn)渦罩柱段長(zhǎng)39 mm時(shí)，氣液旋流分離器對(duì)氣液兩相的分離效果最好，試驗(yàn)效率高達(dá)92.6%。