王保升,楊慶宇,陸玄鳴,潘雨澤

(1. 南京工程學(xué)院智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院, 江蘇 南京 211167;2. 江蘇省智能制造裝備工程實驗室, 江蘇 南京 211167)

碟式離心機(jī)通常在高速條件下運行,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流體比較復(fù)雜,沒有成熟理論能定量分析如此復(fù)雜流體的運動規(guī)律.如何保證離心機(jī)處于理想的分離狀態(tài)并使各物相實現(xiàn)有效分離是設(shè)計者思考的首要問題,故研究轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場及分離模型極其重要.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究離心機(jī)的分離效率是優(yōu)化離心機(jī)結(jié)構(gòu)、滿足用戶需求,并將其推向更廣闊應(yīng)用市場的必要途徑.

碟式離心機(jī)作為一種高效的分離機(jī)械廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者對其流場進(jìn)行了大量研究.文獻(xiàn)[1]利用斯托克斯公式和Σ理論推導(dǎo)出了離心機(jī)轉(zhuǎn)速、處理量和碟片數(shù)量等參數(shù)與分離效率之間的關(guān)系式,并采用試驗方法對其進(jìn)行了定性驗證;文獻(xiàn)[2]基于 VOF 模型、Mixture模型、N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對碟式離心機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬,對進(jìn)出口位置和碟片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化;文獻(xiàn)[3]等基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,借助流體分析軟件FLUENT對DRS 230-4-00-99型碟式離心機(jī)的內(nèi)部流場進(jìn)行模擬仿真,獲得了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部速度和壓力分布的規(guī)律.

當(dāng)前,碟式分離機(jī)的理論與設(shè)計方法還很不完善.本文基于FLUENT進(jìn)行流體仿真,對油水兩相流進(jìn)行流場分析,并用數(shù)值模擬試驗驗證其合理性,理論與試驗相結(jié)合得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果.可為碟式分離機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供一定的數(shù)據(jù)參考.

1 離心機(jī)模型的建立

1.1 物理模型

碟式離心機(jī)如圖1所示.由于離心機(jī)實物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不便于進(jìn)行有限元仿真計算,故將其主要功能結(jié)構(gòu)簡化成轉(zhuǎn)鼓和碟片兩部分[4-5].工作時,轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn),混合液限制在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)并跟隨轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn),混合液中各相由于密度不同受到不同的離心力作用而分層.簡化后主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為:轉(zhuǎn)鼓高度200.5 mm,碟片個數(shù)45,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部直徑53.6 mm.

(a) 三維模型

(b) 實物照片

1.2 劃分網(wǎng)格

將模型導(dǎo)入到ICEM.由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格計算快,對復(fù)雜結(jié)構(gòu)處理結(jié)果更為準(zhǔn)確,因此選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對碟式分離機(jī)內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.用于FLUENT計算的網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.2,在ICEM的Edit Mesh模塊調(diào)用Quality check,查看網(wǎng)格質(zhì)量在0.24以上,網(wǎng)格數(shù)約320×104,最小的網(wǎng)格體積為5.232 305×10-11m3,最大網(wǎng)格體積為8.956 464×10-8m3,無負(fù)體積,在計算精度允許范圍內(nèi).網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 碟式分離機(jī)網(wǎng)格模型

2 數(shù)值分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

流動控制方程常用物質(zhì)導(dǎo)數(shù)來表達(dá),即:

(1)

(2)

式中：i、j、k分別為x、y、z的單位向量;u、v、w分別為x、y、z方向的速度.

本文仿真忽略了耗散、黏性輸運、質(zhì)量擴(kuò)散以及熱傳導(dǎo)的流動,流體力學(xué)方程為無黏流動的方程.由此可得到無黏流動的控制方程[6-7].

1) 連續(xù)性方程:

(3)

式中:ρ為密度;t為時間.

2) 動量方程:

(4)

式中:p為作用于液體表面的壓力;ρfx、ρfy、ρfz分別為x、y、z方向上的體積力.

3) 能量方程：

(5)

2.2 多相流參數(shù)設(shè)置

油水兩相流中各相參數(shù)為:液相油密度為900 kg/m3,黏度為 0.048 kg/(m·s),占體積分?jǐn)?shù)5%;液相水密度為998.2 kg/m3,黏度為 0.001 003 kg/(m·s),占體積分?jǐn)?shù)95%.

2.3 邊界條件定義和求解模型的選擇

入口邊界為給定速度入口,出口液相收集到不密封的集油桶內(nèi),出口邊界為壓力出口.對于油水分離采用VOF兩相流模型能夠很好地觀察兩相分離界面,選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在計算時具有更好的快速性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)型.由于油水混合物具有不可壓縮性,旋轉(zhuǎn)時有較強湍流,所以選擇壓力求解器,壓力速度耦合選擇Coupled,壓力離散格式采用PRESTO!,可提高計算的收斂速度.

3 有限元仿真結(jié)果分析

本文主要研究離心機(jī)液液混合相的分離效率,對碟式分離機(jī)在不同的轉(zhuǎn)鼓高度、碟片密度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和入口速度下轉(zhuǎn)鼓出入口的油的質(zhì)量流量進(jìn)行探究,分析不同參數(shù)下的分離效率,為碟式分離機(jī)結(jié)構(gòu)與運行參數(shù)的優(yōu)化提供參考.

正交試驗是研究多因素多水平的一種試驗方法,利用正交試驗只需通過較少的試驗次數(shù),就能同時分析多個因素,既能找出最優(yōu)方案,又能分析各因素對試驗結(jié)果的影響[8-9].本文通過SPSS軟件生成如表1所示的正交試驗表,分別選取入口速度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、碟片密度和轉(zhuǎn)鼓高度4個因素的4個水平,共進(jìn)行16組試驗.

表1 4因素4水平正交表

圖3、圖4為16種工況下離心機(jī)YZ平面的油水兩相體積分布云圖.由圖3可見,通過轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部的油水得到充分分離,頂部油路出口outlet2全部為油,底部水路出口outlet1全部為水,水相和油相的分布位置分別在轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)外兩側(cè),轉(zhuǎn)鼓中間存在摻混,是待分離的主要區(qū)域.物相體積分?jǐn)?shù)云圖只能對油水分離效果進(jìn)行定性分析,若要對油出口的油相進(jìn)行定量分析,則要對outlet2處油的質(zhì)量流量進(jìn)行分析,根據(jù)進(jìn)出口油相質(zhì)量流量的比值來計算分離效率(η=Qoutlet2油/Qinlet油).通過比較油相的質(zhì)量流量來探究離心機(jī)的分離效率.16組仿真結(jié)果中混合液入口與油路出口油相的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)如表2所示.

將表2中16組油路出口油相質(zhì)量流量和混合液入口油相質(zhì)量流量的比值代入正交表進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3.由方差分析可知,影響離心機(jī)分離效率的因素中轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和入口速度兩個因素最為顯著,碟片密度和轉(zhuǎn)鼓高度對分離效率的影響較小.4個影響因素的主次關(guān)系是:轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速>入口速度>碟片密度>轉(zhuǎn)鼓高度.

圖5為通過方差分析得到的單因素估算邊際平均值(剔除其他變量影響時算出的均值).從本文設(shè)定的4水平可知轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和分離效率成正比,入口速度和分離效率成反比,碟片密度和轉(zhuǎn)鼓高度對分離效率的影響復(fù)雜.通過正交試驗分析,得出最優(yōu)參數(shù)組合是轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速10 000 r/min、碟片密度45個、轉(zhuǎn)鼓高度200.5 mm、入口速度10 m/s.

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

(d) 工況4

(e) 工況5

(f) 工況6

(g) 工況7

(h) 工況8

(a) 工況9

(b) 工況10

(c) 工況11

(d) 工況12

(e) 工況13

(f) 工況14

(g) 工況15

(h) 工況16

表2 油的進(jìn)出口質(zhì)量流量

表3 分離效率η的方差分析

(a) 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速

(b) 碟片密度

(c) 轉(zhuǎn)鼓高度

(d) 入口速度

4 結(jié)論

本文主要研究碟式離心機(jī)油水兩相的分離,通過FLUENT模擬分離狀態(tài),設(shè)計不同工況的工作條件,利用正交試驗進(jìn)行多因素分析,通過方差分析單因素對分離效率的影響,得到結(jié)論:

1) FLUENT仿真技術(shù)可以很好地運用在兩相流分離的數(shù)值模擬中,能夠較好地模擬實際分離狀態(tài),在離心力的作用下,密度小的油相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁聚集,密度大的水相在轉(zhuǎn)鼓外壁聚集;

2) 由油水分離的油相體積分?jǐn)?shù)的云圖得知,碟式離心機(jī)碟片間隙油水體積分布不均,油相分布自下往上的增加,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場情況復(fù)雜,但是出油口的油相體積分?jǐn)?shù)依然可以達(dá)到0.8以上;

3) 通過正交試驗和方差分析直接得出最優(yōu)組合解為:入口速度10 m/s,轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速10 000 r/min,碟片密度45個,轉(zhuǎn)鼓高度200.5 mm.

4) 本研究方法和結(jié)果可為揭示碟式離心機(jī)離心分離機(jī)理、優(yōu)化分離工藝參數(shù)和轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)提供理論參考,為進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ).今后,在液-液-固三相流三維離心流場下結(jié)構(gòu)、物性、操作參數(shù)對流體動力學(xué)特性的影響等方面,有待做進(jìn)一步深入研究.