柱锥式气液旋流器的数值模拟和试验验证.pdf
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1、流 体 机 械第 51 卷第 7 期2023 年 7 月 53 收稿日期:2022-05-26 修稿日期:2023-03-17基金项目:东北石油大学青年科学基金项目(2018QNL-50)doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2023.07.008柱锥式气液旋流器的数值模拟和试验验证杨 蕊1,2,肖迎松1,2,张 磊1,2,朱宝锦1,2,吕 超1,2,赵 盎1(1.东北石油大学 机械科学与工程学院,黑龙江大庆 163318;2.黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室,黑龙江大庆 163318)摘 要:为了研究柱锥式气液旋流分离器的适用性,采用计算流体动力学和高速摄
2、像试验方法探究柱锥式气液旋流器的流场特性,分析了影响气液旋流分离器分离性能的因素。研究表明,随着入口速度的升高,轴向位置上的压力差在 30%含气率时提升 700Pa,对溢流管及附近位置气相体积分数和气泡粒径尺寸影响较小,入口速度的升高减弱了GCU 现象。含气率升高减弱LCO 现象但GCU 现象更加明显,使气核的粒径大小降低,气核的聚集性变差,并显著增加了底锥附近的气泡粒径。在入口速度不变的条件下适当减小含气率可以减弱GCU 现象,提高柱锥式旋流分离器的分离性能。关键词:气液两相流;气泡;分离效率;旋流场;气核中图分类号:TH237;TE3 文献标志码:A Numerical simulatio
3、n and experimental verification of cylindrical-cone gas-liquid cycloneYANGRui1,2,XIAOYingsong1,2,ZHANGLei1,2,ZHUBaojin1,2,LYUChao1,2,ZHAOAng1(1.SchoolofMechanicalScienceandEngineeringofNortheastPetroleumUniversity,Daqing 163318,China;2.HeilongjiangKeyLaboratoryofPetroleumandPetrochemicalMultiphaseTr
4、eatmentandPollutionPrevention,Daqing 163318,China)Abstract:Inordertostutytheapplicabilityofthecolumn-conegas-liquidcycloneseparator,theflowfieldcharacteristicsofthecolumn-conegas-liquidcycloneseparatorwerestudiedbycomputationalfluiddynamicsandhigh-speedcameratest.Andthefactorsofaffectingtheseparatio
5、nperformanceofthegas-liquidcycloneseparatorwereanalyzed.Theresultsshowthatthepressuredifferenceintheaxialpositionincreasesby700Paat30%gascontentwiththeincreaseoftheinletvelocity.Andithaslittleeffectonthegasphasevolumefractionandbubblesizeoftheoverflowpipeanditsvicinity,andtheincreaseofinletvelocityw
6、eakenstheGCUphenomenon.Withtheincreaseofvoidfraction,theLCOphenomenonweakens,buttheGCUphenomenonismoreobvious,whichreducestheparticlesizeofthegascore,deterioratestheaggregationofthegascoreandsignificantlyincreasesthebubblesizenearthebottomcone.Undertheconditionofconstantinletvelocity,properlyreducin
7、gthevoidfractioncanweakentheGCUphenomenonandimprovetheseparationperformanceofthecolumnconecycloneseparator.Key words:gas-liquidtwo-phaseflow;bubbles;separationefficiency;cyclonicfield;airnucleation0 引言气液旋流分离器因结构简单、处理量大和可持续运转等优点,被广泛应用于化工、石油天然气、航空航天、环境保护、热力系统等领域1-4。国内外学者对旋流器内气泡进行了研究。CASIDY等5-6认为旋流场中旋流
8、强度越大,水对气泡的剪切破裂作用越强,生成的气泡直径越小。ERDAL 等7-9运用气泡轨迹模型探究了气泡尺寸、长径比、液相黏度、雷诺数和入口速度等对气泡携带的影响。金向红等10-12采用RSM 和离散相模型(DPM)对 4 种排气管结构的轴流导叶式气液旋流分离器进行了数值模拟,并优选出了最佳排气管结构。赵文君等13-14运用Mixturemodel和RSM 模型分析了气泡直径对气液旋流分离器的影响。由于旋流器内部流场的复杂性,使气相介质的聚并破碎研究起来较为困难,而粒径大小的分布对分离性能有重要影响,因此,本文采用数54FLUID MACHINERYVol.51,No.7,2023值模拟与试验
9、研究相结合的方法,探究不同工况条件下旋流器内压力场、浓度场、气泡粒径分布的影响,为预测气液旋流器的分离性能提供一定的理论指导。1 试验对象及主要结构气液旋流分离器的计算域如图 1 所示。旋流器主体为柱锥式,入口为 15mm5mm 的矩形双切向入口,标准工况下处理量为 3.6m3/h,含气率为 30%,入口速度为 6.7m/s。制约气液旋流分离器分离性能的重要因素包括气相带液(LiquidCarry-over,简称LCO)和液相带气(GasCarry-under,简称GCU),其中LCO 的程度越高,液相被气流携带从气相出口逃逸的现象越严重,GCU的程度越高,气相随着液流从液相出口逃逸的现象就越
10、严重,这两种情况均对整个气液旋流分离器的分离效率产生不利影响。图 1 柱锥式气液旋流分离器的计算域Fig.1 Computationaldomainofthecyclone柱锥式气液旋流分离器的主要结构及尺寸如图 2 所示及见表 1。表 1 柱锥式气液旋流分离器的尺寸 Tab.1 Sizeofcycloneseparatormm参数数值大柱段长La180锥段长Lb200小柱段长Lc100大柱段入口上端L155大柱段入口下端L2125底锥长L3134溢流管长Lu60溢流口直径Du26入口长Li15主直径D60底流口直径Dd24图 2 柱锥式气液旋流分离器的主要结构Fig.2 Thestructu
11、reofthecycloneseparator2 网格划分及模型选取网格划分如图 3 所示,网格形式采用六面体网格,并对底锥位置进行网格加密处理。底流口的质量流率随着网格数量的增加而降低,下降趋势在网格数量达到 400362 个后稳定,网格质量均分布在 95%以上,满足仿真模拟计算的要求。图 3 柱锥式气液旋流分离器网格划分Fig.3 Cyclonemeshdivision利用雷诺应力模型(RSM)和PBM 模型对旋流场内气泡的粒径分布及流场特性进行模拟,聚并破碎模型采用LUO15-16,离散格式使用QUICK格式。3 介质物性参数及边界条件气液两相分别为空气和水,空气密度为1.225kg/m
12、3,黏度为 1.789410-5Pa s,水相密度为 998.2kg/m3,黏度为 0.001003Pa s。分离器的入口速度为 6.7m/s,湍流强度为 5%,水力直径为15mm,连续相为水,离散相为空气,气泡粒子群尺寸分布见表 2,溢流分流比设为 60%,含气率为主相的 30%。表 2 入射气泡粒径及含量Tab.2 Incidentbubblesizeandcontent粒子群气泡粒径/mm含量(%)Bin-010.005Bin-16.3515Bin-24.0030Bin-32.5230Bin-41.5915Bin-51.00555杨蕊,等:柱锥式气液旋流器的数值模拟和试验验证4 试验系统
13、及方法试验流程如图 4 所示,完成旋流器同试验管路及各仪器的电路连接,调整高速摄像机的位置使其高度与观测区域平齐,镜头垂直于观测位置,并调整补光灯至CDU 面板上显示清晰图像。为了使室内试验接近实际工况,气液混合只能在泵后进行,气液两相的流量及状态会实时发生各种变化,所以并未在旋流器入口处设置气液混合器。试验开始时,开启螺杆式空气压缩机,气相逐渐填满压力容器,通过查看并调控气体流量计和控制阀门进入气液旋流分离器的气相流量,螺杆泵从水罐抽取液相水,进入气液旋流分离器后,气相绝大部分通过溢流管路进入废液池,液相绝大部分通过底流管路重新流回水罐。同时,通过PC 主控制器控制变频器,进而控制螺杆泵的输
14、出功率使气液旋流分离器入口速度改变,利用浮子流量计及控制阀门调控入口流量。图 4 高速摄像试验系统流程Fig.4 High-speedcameratestsystem调整至所需试验条件并且等待流场较为稳定后,配合补光灯调整帧速率为 200 帧/s,按动CDU 上的Record 键进行录制并保存。改变试验工况,按照相同步骤录制,得到不同工况下的锥段流场图。5 结果与讨论5.1 模拟结果与讨论5.1.1 入口速度和含气率对旋流器压力场的影响随着内、外旋流场的区分,逐渐形成近壁面压力大,轴心处压力小的整体径向压力分布和靠近入口压力大,远离出口压力小的整体轴向压力分布。由于入口附近混合相流体的强旋流,
15、气相在靠近溢流管的位置形成负压,在旋流器下端正压力的共同作用下形成轴向向上的举升力,将气相举升至溢流口。轴向位置上的压力降及同水平径向位置的压力差与分离性能有重要关系,如图 5 所示。随着入口速度的升高,旋流器中段轴心位置压力提升幅度较小,近壁面位置的压力提升明显,即入口速度每提升 1m/s,30%含气率径向压力差平均提升 700Pa,45%含气率平均提升 400Pa,60%含气率平均提升 250Pa。入口速度的升高使得底锥附近位置的压力提升幅度在28%45%之间,在 30%含气时轴向压力降提升幅度最大,分别为 277,216Pa。轴向压力差影响气相向溢流口位置的运移,轴向压力差的升高能改善L
16、CO 现象,改善分离性能。(a)30%含气率 (b)45%含气率 (c)60%含气率图 5 不同工况下的压力场Fig.5 Pressurefieldunderdifferentworkingconditions随着含气率的提升,溢流管下端的压力逐渐提高,且仅在 30%含气条件下压力为负。含气率每提升 15%,径向压差随着速度升高分别平均降低 427,690,924.5Pa。径向位置压力差的不足会56FLUID MACHINERYVol.51,No.7,2023影响气相向轴心处的运移,导致GCU 现象加重。5.1.2 入口速度和含气率对旋流器气相浓度场的影响不同工况下气相体积分数如图 6 所示。
17、入口速度的升高,增大了溢流管内的气相体积分数。近壁位置低含气体积分数区域面积增大明显,底流管位置处气相体积分数随着入口速度的增加而降低,减弱了GCU 现象,对分离性能的提高有利。含气率从 30%60%的升高过程中,气核尺寸与分布面积也随之上升,且溢流管下端聚集的体积分数从 57%提升至 80%以上,气相介质逐渐将溢流管充满,减弱了LCO 现象。同时,高含气率增大了底流管位置处的气相体积分数,从而使GCU 现象严重。(a)30%含气率 (b)45%含气率 (c)60%含气率图 6 在不同工况下的气相体积分数Fig.6 Gasphasevolumefractionunderdifferentcon
18、ditions5.1.3 入口速度和含气率对气泡粒径分布的影响在不同工况下的 10mm 气泡粒径分布如图 7所示,10mm 粒径气泡虽然占入口气泡粒径仅为5%,在轴心处聚集占旋流器整体高达 86%。入口速度的提升使 10mm 粒径气泡在旋流器轴心处气核位置更为聚拢,降低了溢流管内部整体气泡粒径分布。旋流器内壁气泡的体积分数下降,轴心到内壁的气泡粒径差上升。底锥顶端附近位置被10mm 气泡覆盖。(a)30%含气率 (b)45%含气率 (c)60%含气率图 7 在不同工况下的 10mm 气泡粒径分布Fig.7 Particlesizedistributionof10mmbubbles含气率的提升使
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