基于离散相运移轨迹的新型旋流入口结构设计

蒋明虎 ，邢 雷 ，张 勇

（1.东北石油大学，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）

1 前言

液-液分离用水力旋流器其工作原理是利用互不相溶的2种液相介质之间的密度差实现离心分离［1，2］。水力旋流器是静态分离设备，其主要是依靠混合液在一定压力的作用下进入旋流入口，在入口压力的作用下，以一定的速度进入旋流腔内形成高速旋转的涡流，然后在旋流腔内实现分离［3，4］。因此，入口结构形式成为影响旋流分离效率的重要因素之一，入口结构设计是否合理将直接影响旋流器的内部流场分布及分离性能［5］。目前很多学者关于旋流入口结构的研究已经做了大量工作，如蒋明虎等对多种不同入口结构对旋流器内部流场的影响进行了研究，同时探索了入口倾角对旋流器分离性能的影响，并得出了最佳入口倾斜角度［6，7］。马艺等对比了新型轴流式入口及传统切向入口对旋流器内部流场的影响［8］。到目前为止，关于旋流入口的研究多数均为在既定结构的前提下分析其对旋流场的影响，探索其与旋流分离性能之间的关系［9］。本文采用DPM模型，基于旋流场内离散相油滴运移轨迹，从分离机理上对旋流入口进行分离区域划分，最终确定新型入口结构，完成了基于旋流器内部离散相运移轨迹等分离机理的旋流入口结构设计，并对其适用性进行室内试验验证。

2 物理模型及入口结构

本文以常规双锥型液-液分离用水力旋流器为流场分析载体［10］，同时选取双切向等截面入口结构为研究对象，开展基于离散相运移轨迹的新型旋流入口研究。主要目标入口结构形式及目标旋流器流体域模型如图1所示。

图1 载体旋流器三维流体域示意

3 流体域的网格划分

本文采用FLUENT前置软件Gambit对研究对象进行网格划分，由于结构性网格相对于非结构性网格来说，具有计算速度快、精度高、收敛性强等优点。所以本文选用六面体结构性网格对目标旋流器进行网格划分。图2为目标结构水力旋流器网格质量三维展示。Gambit统计出本结构网格总数为251886个，有效率达100%。

图2 双锥旋流器网格划分情况

4 基于离散相油滴运移轨迹的入口区域划分

本文在FLUENT数值模拟时运用DPM模型，向旋流场内入射离散相油滴。按图3所示入口位置作为油滴入射点。分别入射10个、100个和500个油滴粒子，观察不同入射位置处入射不同数量粒子的运移轨迹情况，同时分析相应的粒级效率。以此来研究离散相油滴由不同入射位置进入旋流场时对旋流器分离性能的影响。

图3 油滴入射位置点

如图3所示，选取a～g为油滴入射位置点，以此保证入口截面处大部分区域内都有被分析的特征点。同时，为了可以直接分辨出离散相油滴是从溢流口排出还是底流口排出，本文定义溢流口边界类型为捕捉（trap），底流口边界类型为逃逸（escape）。

本文以中心点g为例，展示离散相由该点入射时的运移轨迹情况。当不同数量的油滴由入口截面中心g点入射进入旋流器时，其运移轨迹情况如图4所示，其中轨迹颜色表示油滴在旋流器内经过不同位置时的不同停留时间。当入射油滴数为10时，其溢流捕捉到的油滴数为7；当入射油滴数为100时，溢流捕捉到的油滴数为73；当入射油滴数为500时，捕捉油滴数为322。

图4 不同数量的油滴由g点入射时的运移轨迹情况

按照同样的方式分别将不同数量的油滴粒子由图3中a～f点入射情况进行统计分析，并选取入射粒子数为500为例将其轨迹运移情况进行对比。得出如图5所示500油滴粒子由入口处不同入射位置点进入旋流器后的运移轨迹情况。

图5 离散相油滴由a～f点入射时的运移轨迹情况

图5中a，b，c 3个入射点的共同特点是均靠近入口右侧边壁，即远离旋流器轴心位置，具有相同的径向距离，但因轴向位置不同，导致其油滴进入旋流器后具有不同的运移轨迹。由入射点d，e，f位置处进入旋流器内部的油滴粒子，虽然这3个入射点具有不同的轴向距离，但其具有较为相近的粒级效率，说明粒子入射时的轴向位置并不是决定粒级效率的唯一决定性因素。

数值模拟过程中打开随机轨道模型，即任由离散相油滴在旋流场内随流场随机运移，观察分析油滴运移轨迹的规律性。针对以上7个入射点，得出在相应入射点下，对应油滴入射数量时目标结构旋流器的粒级效率概率值。因随机模型具有不确定性，为保证数值模拟结果的准确性，本文取入射油滴数为500时，将其逃逸及捕捉油滴数为主要依据，其他入射粒子数为参考，得出如表2所示离散相油滴由不同入射位置处进入旋流场时，目标旋流器粒级效率的概率值情况。

表1 不同入射位置旋流器粒级效率概率值统计表

分析从7个入射位置进入旋流器内的油滴运移轨迹情况，可以明显地看到，由b，c位置入射的油滴，多数都从底流口逃逸，而径向更接近旋流器轴心位置的入射点具有较高的粒级效率，但通过a点与d，e点对比可以发现，虽然d点与e点径向上距轴心较近，但其粒级效率并没有明显的高于a点入射的油滴粒子。通过对以上情况分析，本文认为影响油滴运移轨迹的入口位置，应呈区域分布，而并非是单独的某个位置点。为了进一步证实这一结论，本文通过对入口处不同坐标位置高密度选取入射点，并对其运移轨迹进行分析，得出如图6所示的临界区域分界线。

图6 入口临界区域分界线

如图6所示，从入口Y值最大X值最小处，依次沿X轴正方向及Y轴负方向每隔0.05mm选取一个入射点，观察油滴由该点进入旋流器内部的运移轨迹，得出上图短路流分界线。即在该曲线上方位置入射时，发生短路流的机率较高，在该曲线下方位置入射时，基本不会发生短路流。

按照上述同样的方法，得出图7所示分界线，模拟得出，在分界线右侧条形区域进入旋流器内的油滴，其运移轨迹多数都在外旋流的作用下，直接流向底流。

图7 入口临界区域分界线

整合上述2条分区边界线，得出如图8所示划分区域，其中由区域Ⅰ部分入射的油滴粒子，其发生短路流的可能性最大。模拟结果显示,短路流的发生，基本上都是由该区域进入旋流场内而产生的。而由区域Ⅱ入射进入旋流场的油滴粒子，更容易穿透零轴向速度包络面，由溢流口流出的机率较大。由区域Ⅲ处入射的油滴粒子，随外旋流由底流口流出的机率较大。

图8 旋流器入口分区示意

图8所示由区域Ⅰ入射进入旋流场的油滴颗粒，很容易由溢流流出实现分离，但由于该区域距离旋流器上端盖最近，因此极易被盖下流带走，未达到分离区便进入溢流管排出。由区域Ⅱ进入旋流器的油滴，因其距旋流器轴心位置较近，且距上端盖有一定距离，同时该区域与内旋流的径向距离最小，所以进入流场后很容易先随外旋流运移，到达分离区后进入内旋流最终由溢流口排出完成分离。区域Ⅲ入射的粒子，首先因其距内旋流径向距离较大，且其靠近入口最下侧，即在轴向上距底流方向最近，进入旋流器后被分离的机会与时间较少，所以极易随外旋流直接由底流排出。

通过上述针对入口处不同区域入射粒子的运移轨迹的分析可以得出，当油水混合液在进入旋流器入口时，如果能将油相尽可能多地聚集在区域Ⅱ处，减少由区域Ⅲ处入射时产生的底流逃逸，有利于油滴经旋流分离由溢流口排出。可通过将区域Ⅲ进行封堵，以此来减少离散相油滴由底流口流出的可能，从而提高目标旋流器的分离效率。基于上述结论，本文设计了一种新型旋流入口，其具体结构形式如图9所示。

图9 新型旋流入口结构示意

5 室内试验

为验证本文所述新型旋流入口结构的适用性及其对旋流器分离性能的影响。针对该新结构开展室内试验研究。

本次室内试验工艺流程如图10所示。油相通过柱塞计量泵进入到静态混合器与螺杆泵供应的水相混合，通过变频器调节螺杆泵的工作频率，调节所需的注水量，同时通过调节柱塞泵流量控制手柄调整注油量。通过含油分析仪，对所接样品含油浓度进行测量。

图10 室内试验工艺流程

5.1 操作参数

本次试验针对不同的入口结构采用相同的操作参数，保证入口结构为单一变量。试验中油相体积分数为2%，入口流量为4 m3/h，溢流分流比为20%。在该操作参数下待流场稳定后对入口、溢流及底流进行接样，并通过含油分析仪对含油量进行测量分析。

5.2 试验数据分析

对所接样品进行含油浓度测量，得出不同入口结构下旋流器样机入口、溢流及底流处含油浓度分布情况。同时根据下式对分离效率进行评价［1］：

式中 E——旋流器分离效率

F——溢流分流比

cd——底流口含油浓度，%ci——入口含油浓度，%整合含油分析测量结果，将2种不同入口结构所对应的3组样品分离效率进行对比，得出如表2所示分离效率对比表。

表2 不同入口结构下旋流器分离效率对比表

由表2可以看出，在其它条件相同的情况下，应用原始结构入口盘时旋流器平均分离效率为77.1%，应用新结构入口盘时旋流器平均分离效率为80.1%，明显高于原始入口盘结构下旋流器的分离效率。证明本文所设计的新入口结构，通过对旋流器入口区域的分区，改变了离散相油滴的入射位置，进一步改变油滴粒子群在旋流器内的运移轨迹，降低由底流口逃逸的油滴粒子数量，提高了旋流器分离效率。

6 结语

本文得出了油滴由常规双切向入口截面不同位置入射形成的不同运移轨迹。并探索出离散相入射位置与运移轨迹呈现出一定的规律性。当油滴由入口上方的区域Ⅰ进入旋流器时，形成短路流及盖下流的机率较高；当油滴由入口右下方的区域Ⅱ进入旋流器内部时，更容易穿过零轴向速度包络面，由溢流口排出；当油滴由入口右下方的区域Ⅲ进入旋流器内部时，更容易随外旋流由底流口排出。通过开展室内试验，对本文所设计的新结构入口盘进行性能评价，得出新入口结构可明显地提高目标旋流器的分离效率。

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