孟 夢(mèng),包國(guó)治,趙宇宇,陳 寧(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 21200)
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壓載水旋流預(yù)處理單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬
孟夢(mèng),包國(guó)治,趙宇宇,陳寧
(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 21200)
摘要:壓載水管理公約 D2 對(duì)壓載水中顆粒物粒徑范圍及含量做出了明確規(guī)定。為滿足此規(guī)定,水力旋流器逐步開(kāi)始應(yīng)用于船舶壓載水處理系統(tǒng)中。為了提高水力旋流器的分離效率,通過(guò)改變水力旋流器的入口結(jié)構(gòu)對(duì)水力旋流器進(jìn)行優(yōu)化,即將入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為阿基米德螺線形入口來(lái)增加流體轉(zhuǎn)動(dòng)速度,降低能量消耗,從而提高分離效率。應(yīng)用 Fluent 軟件,結(jié)合雷諾應(yīng)力模型(RSM)和混合多相流(Mixture)分析方法,對(duì)優(yōu)化前、后的水力旋流器進(jìn)行固-液兩相流數(shù)值模擬。模擬內(nèi)容包括水力旋流器內(nèi)的速度分布、固相體積分?jǐn)?shù)分布以及分離效率等。通過(guò)對(duì)比2種模型的模擬結(jié)果,說(shuō)明優(yōu)化的水力旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)速度以及分離效率均有一定的提高,達(dá)到了優(yōu)化目的。
關(guān)鍵詞:壓載水;水力旋流器;優(yōu)化設(shè)計(jì);固-液兩相流;數(shù)值模擬
壓載水管理公約 D2 規(guī)定,每立方米排放的壓載水中所含的最小尺寸大于或等于 50 μm 的活性有機(jī)物少于 10 個(gè),對(duì)壓載水中顆粒物粒徑范圍及含量做出了明確規(guī)定[1]。水力旋流器作為一種高效可靠的機(jī)械過(guò)濾方式,能夠利用水流的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將壓載水中與水密度相差較大的顆粒物分離出來(lái)[2]。近年來(lái),水力旋流器在船舶壓載水處理系統(tǒng)中也逐步開(kāi)始應(yīng)用。但由于其在處理與壓載水密度較近的顆粒物時(shí),會(huì)受到一定限制。因此,本文將水力旋流器作為過(guò)濾預(yù)處理手段應(yīng)用在壓載水處理系統(tǒng)中,作用是除去密度比水大的顆粒物,如泥沙、原生動(dòng)物等,從而降低壓載水的渾濁度。
然而,為了提高水力旋流器的分離效率,更好地滿足 IMO 標(biāo)準(zhǔn),本文對(duì)水力旋流器的入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用 Fluent 軟件,結(jié)合雷諾應(yīng)力模型和多相流分析方法,對(duì)阿基米德螺線入口結(jié)構(gòu)的旋流器進(jìn)行固-液兩相分離數(shù)值模擬,并對(duì)比分析模擬結(jié)果。
水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括旋流器直徑 D,給礦口尺寸 Di,溢流口直徑 D0,底流口直徑 Du,錐角 θ,溢流管插入深度 H0和柱段長(zhǎng)度 Hc[3],其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1 所示。
圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig. 1 Structural parameters of hydrocyclone
旋流器的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單,但其任何結(jié)構(gòu)和尺寸的變化都會(huì)影響流動(dòng)特性和分離性能。其中水力旋流器分離所需的離心力通過(guò)入口結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。旋流器的常見(jiàn)入口形式為切向入口,但是其流線突然變化,沿程阻力損失較大,引起的局部能量耗損較大,從而易于產(chǎn)生紊流及湍流脈動(dòng)等影響分離過(guò)程[4]。旋流器入口結(jié)構(gòu)形式還有對(duì)數(shù)螺線形、漸開(kāi)線形、同心圓形、阿基米德螺旋線形等。龔偉安用理論計(jì)算方法對(duì)比了切線形、對(duì)數(shù)螺線形、阿基米德螺旋線形入口的阻力系數(shù),認(rèn)為阿基米德螺旋線形入口的阻力系數(shù)最小[5]。此外,阿基米德螺線形入口結(jié)構(gòu),具有逐漸收縮的特性,能夠增加流體轉(zhuǎn)動(dòng)速度,降低局部能量消耗,提高分離效率。因此,本文設(shè)計(jì)阿基米德螺線形入口的水力旋流器,為了對(duì)比2種入口形式旋流器的分離效率,2種模型均采用相同的結(jié)構(gòu)尺寸,如表 1 所示。
2.1湍流模型
旋流器內(nèi)的流場(chǎng)是一種高雷諾數(shù)、強(qiáng)旋流流動(dòng),由于強(qiáng)旋流場(chǎng)中的流線呈高速旋轉(zhuǎn)、彎曲,且變化迅速等特點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)的 k-ε 模型已不能準(zhǔn)確描述內(nèi)部流場(chǎng)特征[6]。由于雷諾應(yīng)力湍流模型增加了湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率并考慮到了湍流粘度的各項(xiàng)異性,使復(fù)雜強(qiáng)旋流場(chǎng)的模擬結(jié)果具有更高的預(yù)測(cè)精度[7]。本次模擬采用雷諾應(yīng)力模型 (RSM),雷諾應(yīng)力模型所對(duì)應(yīng)的方程包括:
表1 旋流器結(jié)構(gòu)尺寸Tab. 1 Structural sizes of hydrocyclone·
連續(xù)性方程:
運(yùn)動(dòng)方程:
式中:Ui為時(shí)均速度;gi為重力加速度分量;P 為介質(zhì)壓力;u'為脈動(dòng)速度; xi為笛卡爾坐標(biāo)分量;ρ 為介質(zhì)密度;μ 為介質(zhì)粘度。
雷諾應(yīng)力運(yùn)輸方程:
湍動(dòng)能方程:
湍動(dòng)能耗散方程:
其中,δit為 Kronecker 符號(hào),k 為湍動(dòng)能,ε 為湍動(dòng)能耗散率;μt為湍動(dòng)粘度;,Cu為湍流粘度各向異性系數(shù);。
2.2固-液兩相流模型
混合模型(Mixture) 是一種簡(jiǎn)化的多相流模型,適合液流中有混合、分離的情況。該模型求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程,各相的體積分?jǐn)?shù)方程以及相間滑移速度。此外混合模型把每相當(dāng)成單相流處理,忽略相互作用,采用滑移速度的概念,通過(guò)求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程,第2相的體積分?jǐn)?shù)方程模擬 n 相(流體或粒子),并通過(guò)相對(duì)速度代數(shù)表示[8]。典型的應(yīng)用包括:沉降、旋風(fēng)分離器等。因此,本文的固-液兩相流模型選擇混合模型。
2.3三維模型及網(wǎng)格劃分
根據(jù)旋流器的結(jié)構(gòu)尺寸,分別建立切向入口結(jié)構(gòu)和阿基米德螺線形入口結(jié)構(gòu)的旋流器,幾何模型如圖2所示;利用 Gambit 劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,如圖3 所示。
圖2 幾何模型Fig. 2 The geometric model
圖3 網(wǎng)格圖Fig. 3 Mesh diagram
2.4邊界條件及其他設(shè)置
1)液相邊界條件:入口邊界采用速度入口,取垂直于入口端面的平均速度 ul,為 6.57 m/s;底流和溢流出口邊界采用壓力出口;固壁邊界采用無(wú)滑移邊界條件。
2)固相邊界條件:入口邊界采用速度入口,入口速度 us= ul;底流和溢流出口邊界采用壓力出口;固壁邊界采用無(wú)滑移邊界條件。
3)其他:設(shè)定水的密度:998.2 kg/m3,粘度:0.001 003 Pa·s;設(shè)定砂粒密度為 3 000 kg/m3,將離散相砂粒粒徑分別設(shè)為 30 μm,40 μm,50 μm,60 μm,70 μm,80 μm,粘度 10 mPa·s,入口體積分?jǐn)?shù)為 5%,質(zhì)量流率為 8.327 kg/s。首先運(yùn)用 RSM 模型對(duì)流體相做定常流動(dòng)計(jì)算,待其結(jié)果收斂后,添加混合模型,完成對(duì)固-液兩相流的數(shù)值模擬計(jì)算。
為了更好地觀察各截面的速度分布以及固相體積分?jǐn)?shù)分布等特性,分別在柱段、錐段取 5 個(gè)截面進(jìn)行分析,即 Z1= 500 mm,Z2= 740 mm,Z3= 980 mm,Z4= 1 220 mm,Z5= 1 460 mm,截面分布圖如圖4 所示。
圖4 旋流器軸截面簡(jiǎn)圖Fig. 4 Sketch of axial cross-sections in hydrocyclone
3.1切向速度對(duì)比分析
切向速度為三向速度中最重要的速度,它為旋流器的兩相分離提供所需的離心力,其大小決定了旋流器的分離性能[9]。將阿基米德螺旋線入口結(jié)構(gòu)和切向入口結(jié)構(gòu)的2種旋流器在同一截面 Z1,Z2,Z3,Z4上的切向速度進(jìn)行對(duì)比,如圖5 所示。從圖中可以看出,旋流器各截面的切向速度基本呈軸對(duì)稱分布,切向速度的最小值基本都在軸心上。阿基米德螺線形入口的切向速度較切向入口均有比較大的增加,螺旋線入口在 Z1截面上的切向速度平均值比切向入口在 Z1截面上的切向速度平均值增加了 59.66%,Z2,Z3,Z4截面處的切向速度平均值分別增加了 58.45%,41.73% 和44.42%,切向速度的提高意味著離心力得到了提高,這對(duì)旋流器的分離效果有很好的促進(jìn)作用。因此,從切向速度的分布上來(lái)說(shuō),阿基米德螺線形入口結(jié)構(gòu)要優(yōu)于切向入口結(jié)構(gòu)。
3.2軸向速度和徑向速度的對(duì)比分析
圖6(a)和圖6(b)分別為旋流器柱段和錐段內(nèi)Z1,Z3截面上的的軸向速度分布圖,軸向速度的分布構(gòu)成了旋流器的外旋下行、內(nèi)旋上行的雙層旋轉(zhuǎn)流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出,隨半徑的減小,軸向速度由最大的向下流動(dòng)速度逐漸減小至0,再轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系乃俣?,增大為?fù)值。阿基米德螺旋線入口的軸向速度比切向入口的軸向速度均有較大增加,這說(shuō)明向上的內(nèi)渦流速度增大,使得旋流器內(nèi)旋流的流動(dòng)更加順暢。此外,螺旋線入口的軸向速度在軸對(duì)稱分布上要優(yōu)于切向入口的軸向速度的分布,說(shuō)明螺旋線入口軸向速度受到渦流的影響相對(duì)切向入口較小。
圖5 旋流器不同截面切向速度分布圖Fig. 5 Tangential velocity distribution of different sections in hydrocyclone
在旋流器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)中,與其他兩向速度相比,徑向運(yùn)動(dòng)的速度較小。圖7(a)和圖7(b)分別為旋流器柱段和錐段內(nèi) Z1,Z3截面上的的徑向速度分布圖。其中,速度為正表示向遠(yuǎn)離軸線的方向運(yùn)動(dòng),為負(fù)則表示向靠近軸線方向運(yùn)動(dòng)。從圖中可以看出,柱段內(nèi)流體的徑向速度波動(dòng)較大,從器壁到溢流口附近,速度為正,說(shuō)明流體向器壁運(yùn)動(dòng),有利于固體顆粒進(jìn)入外旋流;從溢流口附近至中心處,徑向速度正負(fù)轉(zhuǎn)換,說(shuō)明此處形成循環(huán)流。流體進(jìn)入錐段后,徑向速度的波動(dòng)減小,說(shuō)明此處流體的運(yùn)動(dòng)已比較穩(wěn)定??偟膩?lái)說(shuō),阿基米德螺線入口結(jié)構(gòu)比切向入口結(jié)構(gòu)的徑向速度分布更加均勻,數(shù)值較大,有著更穩(wěn)定的流場(chǎng),更有利于固相顆粒的分離。
圖6 旋流器不同截面軸向速度分布圖Fig. 6 Axial velocity distribution of different sections in hydrocyclone
3.3固相體積分?jǐn)?shù)的對(duì)比分析
圖8 為水力旋流器內(nèi)砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖,圖9為錐段 Z4,Z5截面上的砂相體積分布。從圖8 可以看出,當(dāng)固液混合流體由入口進(jìn)入旋流器后,砂相在離心力作用下實(shí)現(xiàn)分離,分離后砂相主要集聚在外壁,靠近壁面區(qū)域固相體積分?jǐn)?shù)較高,靠近軸線區(qū)域顆粒的體積分?jǐn)?shù)較低,此分布說(shuō)明該水力旋流器能夠?qū)崿F(xiàn)固液的有效分離。此外,固相顆粒主要集中在錐段部分,可以認(rèn)為水力旋流器的兩相分離主要在錐段完成。從圖8和圖9 中可以看出,阿基米德螺線入口結(jié)構(gòu)的旋流器錐段的固相體積分?jǐn)?shù)要明顯高于切向入口結(jié)構(gòu)的旋流器,這說(shuō)明阿基米德螺線入口結(jié)構(gòu)有更好的分離效果。
圖7 旋流器不同截面徑向速度分布圖Fig. 7 Radial velocity distribution of different sections in hydrocyclone
圖8 砂相體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig. 8 Distribution contours of sand fraction
3.4分離效率的對(duì)比分析
對(duì)于旋流器來(lái)說(shuō),分離效率是評(píng)價(jià)其工作性能的一個(gè)重要指標(biāo),將分離效率定義為底流口砂相的去除百分率,因此,對(duì)于某直徑砂粒的分離效率可按下式計(jì)算[10]:
圖9 旋流器不同截面砂相體積分布圖Fig. 9 Sand fraction distribution of different sections in hydrocyclone
式中:Mu為該直徑砂粒在底流口的質(zhì)量流率,kg/s;Mi為該直徑砂粒在入口處的質(zhì)量流率,kg/s;E 為分離效率,%。經(jīng)模擬計(jì)算,得到砂粒粒徑分別為 30 μm,40 μm,50 μm,60 μm,70 μm,80 μm時(shí)的分離效率,模擬結(jié)果如圖10 所示。
圖10 不同直徑砂粒的分離效率Fig. 10 Separation efficiency of the sand in different diameters
從圖中可以看出,在相同模擬條件下,砂粒直徑徑越大,水力旋流器的分離效率越高。與切向入口結(jié)構(gòu)的旋流器相比,阿基米德螺旋線入口旋流器對(duì)不同直徑砂粒的分離效率均有所增加,分別增加了 9.5%,13.26%,12.67%,11.43%,8.93% 和 6.14%;。當(dāng)粒徑大于 50 μm 時(shí),阿基米德螺旋線入口旋流器的分離效率均達(dá)到了 95% 以上,其中對(duì)直徑為 50 μm,60 μm,70 μm,80 μm 砂粒的分離效率分別為 89.47%,95.42%,98.23% 和 99.08%。因此,從分離效率方面來(lái)說(shuō),阿基米德螺線形入口結(jié)構(gòu)要優(yōu)于切向入口結(jié)構(gòu)。
為了更好地滿足 IMO 標(biāo)準(zhǔn),本文對(duì)壓載水預(yù)處理單元水力旋流器的入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。將旋流器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化為阿基米德螺線形入口,應(yīng)用 Fluent 軟件,結(jié)合雷諾應(yīng)力模型和多相流分析方法,分別對(duì)切向入口和阿基米德螺線入口結(jié)構(gòu)旋流器的固-液兩相分離進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)比分析了流場(chǎng)的速度分布和顆粒分布規(guī)律。模擬結(jié)果表明:
1)將旋流器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化為阿基米德螺線形后,其各截面的切向速度、軸向速度和徑向速度均有所增加,其中切向速度增加的幅度較大,對(duì)提高對(duì)旋流器的分離效果起到促進(jìn)作用。
2)與切向入口結(jié)構(gòu)的旋流器相比,阿基米德螺旋線入口旋流器對(duì)不同直徑砂粒的分離效率均有所增加。當(dāng)粒徑大于 5 0 μm 時(shí),阿基米德螺旋線入口旋流器的分離效率均達(dá)到了 95% 以上,其中對(duì)直徑為50μm,60 μm,70 μm,80 μm 砂粒的分離效率分別為89.47%,95.42%,98.23% 和 99.08%。
綜上所述,將旋流器入口結(jié)構(gòu)優(yōu)化為阿基米德螺線形后,其切向速度增大,離心力增加,分離效率提高,達(dá)到了優(yōu)化目的。在后續(xù)工作中,將著重于文中優(yōu)化裝置的實(shí)驗(yàn)研究,增加裝置的有效性和實(shí)用性。
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Optimal design and numerical simulation of cyclone pretreatment unit in ballast water system
MENG Meng, BAO Guo-zhi, ZHAO Yu-yu, CHEN Ning
(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)
Abstract:The ballast water management standard D2 established by IMO has made clear rules for the range of particles size and content in the ballast water. In order to meet the rules, the hydrocyclone has begun to be widely applied in treatment of ship’s ballast water. However, in order to improve the separation property of the hydrocyclone, optimize the hydrocyclone by changing its entry structure. The cyclone entry structure is designed as Archimedes spiral entrance to increase fluid rotational speed, reduce the energy consumption and finally improve the separation efficiency. Using Fluent software and combining with the Reynolds stress model and the mixture multiphase model to simulate the solid-liquid multiphase of the two structures of Archimedes entrance and tangential entrance hydrocyclone. The simulation includes the fluid field distribution and solid volume fraction distribution inside the hydrocyclone and the separation efficiency. The simulation results show that: compare to the tangential entrance, the tangential velocity and separation efficiency both increased, achieved the goal of optimization.
Key words:ballast water;hydrocyclone;optimal design;solid-liquid multiphase;numerical simulation
作者簡(jiǎn)介:孟夢(mèng)(1990–),女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇皦狠d水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化與仿真。
基金項(xiàng)目:2013江蘇省產(chǎn)業(yè)化資助項(xiàng)目(BA2013065)
收稿日期:2015-09-08;修回日期:2015-11-30
文章編號(hào):1672–7619(2016)03–0073–06
doi:10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.016
中圖分類號(hào):U664.9+2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A