介入式旋流器旋转头结构优化设计研究

介入式旋流器旋转头结构优化设计研究

何适

（武汉工程大学，430000）

摘要：旋流器早在100多年前就被用作固一液两相介质的分离装置，从水中分离固体介质，如进行煤的精选等，但仅限于在采矿工业中使用，未被其它行业所重视。在我国，尽管液一液旋流分离技术的研究起步较晚，但己得到人们的充分重视。对介入式旋流器进行建模，模拟工作情况，对介入式旋流器旋转头结构进行了优化。

关键词：介入式旋流器；旋转头；优化设计

1.介入式液一液旋流器分离机理及结构设计

1.1水力旋流器分离理论

液一液水力旋流器的基本分离原理为离心分离，即将液流的高速切向直线运动在水力旋流器几何结构的约束下转变成强旋转运动。在离心力的作用下，两种混合在一起且不互溶的液体中重相介质沿外旋流向下运移至底流口排出;轻相介质顺内旋流沿溢流口排出。尽管其分离原理并不复杂，但其内部的流场属于复杂的强旋涡流场。因此分散相粒子的受力与运动也极为复杂。因此水力旋流器的分离机理研究是旋流分离技术的一个难点，其中液滴的受力分析是研究水力旋流器分离机理的一个基础。

1.2结构设计的理论基础

介入式水力旋流器的结构虽然简单，但是各部分结构的细微变化会极大地影响介入式水力旋流器的分离性能(分离效率、最佳处理量等)及其分离特性(压力降大小等)，因此在对介入式水力旋流器进行设计时，必须综合考虑各种结构变化所产生的不同影响，根据各种不同的应用条件合理选择各部分的结构形式。

2.介入式液一液旋流器旋转头的优化设计

2.1创建几何模型

CFD作为一种工程研究和设计手段在国外开始于七十年代，由于受到计算机硬件和计算费用的制约，最初只是在核工业和航空工业中应用。随着计算机技术飞跃发展，计算机成本逐渐下降，性能不断改进，在八十年代初期，被引入汽车制造业和化工领域。CFD在国内的使用起步较晚，相关的软件开发也较国外落后，但是有了国外的经验，国内使用和相关软件的开发进入了高速发展阶段。近十年来，计算机的计算速度和存贮能力己有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降，很多工程技术人员都能够很容易使用计算机工作，由此这项技术才在一般工程设计中得到应用。本论文拟采用计算流体力学理论分析介入式水力旋流器，应用数学、计算机科学和最优化技术，建立计算机模型。根据模拟结果分析流场内部情况，提出结构改进方案。在最优结构下通过计算机改变运行参数，得到设备工作的最佳状态。通过实验和模拟的结合，以期用最少的成本获得最好的成果、最大的经济效益。

2.2模型的简化处理

在建立仿真模型时，经验非常有助于决定哪些部件应该考虑因而必须建立在模型中，哪些部件不应该考虑因而不需建立到模型中，这就是所谓的模型简化处理。在理想情况下，用户希望建立尽可能详细的仿真模型，并让仿真软件自己来决定哪些是主要的物理现象，但是受制于有限的计算机资源或算法，应该简化仿真模型，以利于计算。模型简化主要取决于操作参数及结构尺寸。在本文所模拟的旋流器的中轴和入口部分，由于其形状和所处位置，经过简化处理，对模拟造成的影响可以忽略不计，但进行简化后可以极大地节省计算机资源，所以对其进行相应的简化处理。

2.3多相流模型

模拟有关油水分离问题，所以在计算中必须引入多相流模型。Fluent软件中提供四种多相流模型:欧拉模型、混合模型、vof模型、离散相模型再了解流体实际的流动后，可以根据以下的原则来选用最佳的模型:

a、对于体积率小于10%的气泡、液滴和粒子负载流动，可采用离散相模型。

b、对于离散相混合物或者单独的离散相体积率超出10%的气泡、液滴和粒子负载流动，可采用混合物模型或者欧拉模型，特别对于分层的或自由表面流，采用vof模型。

c、对于更加一般的，同时包含若干种多相流模式的情况，应根据最感兴趣的流动特征，选择合适的流动模型。此时由于模型只是对部分流动特征做了较好模拟，其精度必然低于只包含单个模式的流动。

d、如果分散相有着宽广的分布，混合模型是最可取的。如果分散相只集中在区域的一部分，应当使用欧拉模型。

e、要求解一个需要计算付出较少的简单的问题，应该选择混合模型，因为它比欧拉模型要少解一部分方程。如果精度比计算付出更重要，应该选择欧拉模型，但是复杂的欧拉模型比混合模型的计算稳定性要差。

由于所要模拟的介入式旋流器内部液相为油一水混合物，油以小液滴形式均匀分布在水中，符合条件d中有着宽广的分布，所以选择混合模型求解。

2.4实验方案

2.4.1实验方案

由于所设计旋流器额定处理量为4m3/h，所以以4m3/h为标准，上下浮动lm3/h作为流量的范围。分流比范围由于设计及分离效率原因，所确定范围在5%-20%之间。所处理来液的含油浓度控制在1000mg/L-1500mg/L。以这些数据为基准，采用正交实验法，确定该样机最优操作参数、在最优操作参数下的分离效率及测定内部旋流流场。

2.4.2实验流程

水箱里的水经过离心泵增压，再通过静态混合器与注油泵所输送的油混合后进入介入式旋流器，由介入式旋流器的入口栅带动，做高速旋转运动，进入旋流腔内。由于分散相(油滴)与连续相(水)之间存在密度差，在离心力作用下，连续相(水)向外被甩向器壁，而分散相(油滴)将被迫向中心低压区移动，从而完成油水两相分离。

2.4.3结果

1.最佳分流比的确定

由设计，分流比确定在10%附近，所以选取5%,8%,10%,12%,15%五个不同分流比进行实验，当分流比为10%时，分离效率较为稳定，而且分离效率高。所以最终确定最佳分流比为10%。

3.最佳旋转头转速的确定

实验样机的旋转头通过变频器来控制转速，在旋转头分别为60r/min,90r/min,120r/min,150r/min四种不同转速下进行实验，分离效率在旋转头转速为90r/min的条件下，分离效果显著、效率稳定。所以选取旋转头转速为90r/min时，为旋转头最佳工作频率。

4.结论

介入式水力旋流器改变了普通静态旋流器靠入口盘使液体旋转的方法，采用了独立的电机所带动的叶栅，通过叶栅的旋转运动，推动液体进行旋转运动。与静态旋流器相比体现出了旋流强度可控制性、压力损失小的优点，与动态旋流器相比由于旋流分离段固定不动，降低了由于设备震动对内部流场的影响。为将介入式旋流器这一新型油一水两相处理设备推向油田应用打下了良好的基础。

参考文献

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