基于Flow Simulation的油气分离器流场分析及优化设计

吴金勇

（上海汉钟精机股份有限公司，上海 201501）

1 引言

喷油螺杆压缩机中为降低机组压缩空气中的有害油雾和维系油路循环系统使用的润滑油，须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来。目前广泛采用的油气分离器结构大体为碰撞式、旋风分离式及碰撞旋风分离组合式3种形式。周华，夏南等人采用数值模拟方法对前者碰撞式油气分离器内部结构进行分析并优化设计，得到了分离效果更好的结构模型；丁晟，钟崴等采用类似方法对后2种旋风分离及碰撞旋风分离式油气分离器进行内部流场分析，得到了以旋风分离式为代表的油气分离器分离效率的影响因素。目前进气入口管节截面形状及油细分离后出气口相对位置对旋风分离式油气分离的影响研究较少。本文旨在通过Flow Simulation对旋分离式油气分离器内的气液两相流流场进行数值模拟，研究进气口管节截面形状及出气口相对位置对油气分离的分离效果影响，为立式旋分式油气分离器的优化设计提供理论依据。

气液两相流的数值模拟包括气相场和气液间的相互干扰计算。相间干扰即气液两相间的动量、能量、质量的交换过程。常见算法可以分为欧拉欧拉型算法和欧拉拉格朗日算法两种类型[1]。DPM（Discrete Phase Model，离散相模型）模型采用欧拉拉格朗日算法进行计算，即采用描述流体物理量的欧拉算法对气相流场进行计算，采用描述流体质点的物理量拉格朗日算法对液滴的运动进行跟踪计算。

2 数学模型

2.1 立式旋分式油气分离器的几何模型设定及工作原理

油气分离器具体设计技术指标如表1所示。

立式旋分式油气分离器工作原理：在螺杆压缩机启动后，油气混合物在作用力下以一定的速度切向进入油气分离器内，油滴在离心力的作用下，被甩到了桶身内壁，而后被壁面捕捉，在自身重力的作用下落到油气分离器的底部继续维系系统油路循环动作；处于气相的压缩空气和未被分离的少量微米级的悬浮油滴则在内筒外环间继续作旋转流动，当绕过内筒底部后，随后流向油细分离器（以下简称油分），进入滤芯的油微粒在惯性碰撞和过滤层拦截的作用下，在超细玻璃纤维材料上聚结成为大直径油滴，最后凝结的油滴在压差作用下通过二次回油管流向机体，洁净的压缩空气则从法兰盖出气口排出。

2.2 控制方程

为简化计算，对油气分离器内部主要流场分析，处于气相的压缩空气，采用理想气体状态方程；处于液相油滴，所受外力主要为流体曳力（粘性阻力）、采用控制方程连续方程、动量守恒方程。

2.3 连续方程

式中 ρ——气相流体密度

Sm——液滴蒸发进入气相的质量

不考虑油滴的蒸发，因此Sm这一项为0。

2.4 动量方程

F——离散相粒子对气流的作用力

1.天下才人俱以一傲字败，天下庸人俱以一惰字败；2.不能不趁三十以前立志猛进也；3.集思广益本非易事，要当内持定见，外广延纳；4.莫问收获，但问耕耘；5.天下事当于大处着眼，小处下手；6.先静之再思之，五六分把握即做之；7.凡全付精神专注一事，终身必有所成；8.智慧愈苦而愈明。

DPM模型中气相与离散相（油滴）之间的动量交换项F为

式中 nap——油滴的质量流量

FD——为气流阻力

FQ——为其他作用力

其中FD的表达式如下

表1 设计参数数表

式中 μ——气体分子粘性系数

CD——曳力粘性系数

Re——油滴的相对雷诺数

u——气相流体的瞬时速度

up——油滴的瞬时速度

ρp——油滴的密度

dp——油滴的直径

其中Re的表达式如下

瞬态油滴动量方程如下

在一定的离散时间步长内对动量方程逐步积分，就可以得到每个点处油滴沿轨迹的速度值。对轨迹本身的计算可通过如下积分方程得到

积分时，流体相速度u取油滴所在位置的速度。

2.5 能量方程

式中 Sh——油滴对流热传递和热辐射传递向气流的热量

3 数值计算

3.1 油气分离器模型网格划分

采用全局网格与局部网格相结合的方式对油气分离器内部流场进行离散化处理。其中，在进气入口及油分出口区域，由于几何形状对流体速度流场影响较大，采取局部细化网格中进行划分，其余区域则采用Flow Simulation自动全局网格拾取，共计生成262062个网格，接触固体的流体网格数量为106351个，经细化的网格可基本满足油气分离器内部各流场基本运算，如图1所示。

3.2 湍流模型

油气分离器内气相场采用Flow Simulation中k-ε方程模型为基础，通过设置合理湍流动能k和耗散ε参数得到近似工况下的湍流模型。相关文献资料表明，k-ε模型满足对于冲击射流[2]和旋转流[3]等流体流动类型算法要求，由于油气分离器内的流场含旋转流，自由流（射流和混合层），边界层流动等，因此，湍流模型选择k-ε模型来模拟。

图1 油气分离器网格划分

3.3 边界条件

（1）在油分的入口处采用给定质量流量及热动力近似压力及温度参数（或给定容积流量）边界条件，在出口处采用给定环境压力（静压）及温度出口边界条件，边界层选湍流为边界条件。

（2）对油分，采用自定义工程数据库中多孔介质模型，根据所使用的油分实际压降与流量关系，长度及面积数据，校准粘度等导入数据库中，得到油分多孔介质参数以满足计算要求。油分凝结原理及压降与流量关系分别如图2、3所示。

（3）在油滴求解计算时，假设如下：不考虑油滴的蒸发过程；射入的油滴粒子之间是相互独立的、均匀的球形；忽略油滴在流动过程中相互碰撞导致的油滴破碎和结合。并对1 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm不同大小粒子进行流场分析，约束条件为最大迹线长度4 m，壁面为油气桶内壁及内筒外壁捕捉。

4 油气分离规律的研究

4.1 入口截面形状对流场分布规律的影响

图2 油分凝结原理[4]

油气分离器的入口截面形状不同，直接影响着流体的流线、速度分布规律。为此，建立针对2种22种不同工艺处理的进气口管节模型进行流场研究：一种为初始设计方案的实体模型，即φ89.9 mm×5 mm圆形无缝钢管与桶身切向方向焊接而成，如图4；另一种为改进后的进气管模型，进气口前端同样采用φ89.9 mm×5 mm无缝钢管，但在进气口末端采用压扁处理工艺，呈腰形孔状（模型腰形孔外截面按105.5 mm×70 mm），压扁后入口面积与原圆管截面积大体相等，同样与桶身切向方向焊接而成，如图5。2种结构模型的进气口基准面速度流场及粗分离φ485不同高度速度流场对比如图6～7、图8～11所示。

图3 油分压降与流量关系[4]

图4 初始方案圆形管节进气口及计算域

由图6、7可知，2种进气管节模型，流体在切向方向进入油气分离器后，都有较强的旋流效果，可使油滴产生较大的离心力，容易附着在油气分离器外桶内壁上，从而分离效率相对较高。不同的是从速度等高线流场看，初始设计的圆形管节进入油气分离器的流体，产生的截面速度梯度流场效果不如改进后的腰形孔产生的截面速度梯度流场均匀，流体旋分一周后靠近入口处圆形管节的扰流面积也大于腰形管节；由图8、9可知，横坐标为不同高度的φ485粗分离中心计算域取值线的圆弧长度，纵坐标为对应点位置的速度流场值，由两模型进气口位置相对中心角度可知，42.3～74.5°为圆形管节进气管内壁与桶身内壁刚接触的角度，对应的横坐标圆弧长度0.179～0.315 m。48～76.3°为腰型管节进气管内壁与桶身内壁刚接触的角度，对应的横坐标圆弧长度0.203～0.322 m，两模型在系列1、系列2取值线的速度流场中，进气口处圆形管节速度曲线图存在交叉值，腰形管节则无，表明腰形管节纵向速度梯度流场更平滑；由图10、11可知，圆形管节Y方向系列1、系列3取值线上同时存在Y方向的正负值，腰形管节则无，Y方向分速度均为负值表明流体均为向下沉降的趋势，且腰形管节相同取值点Y方向向下分速度值小于圆形管节，表明沉降时间更长，表现为有利于粗分离一面。显然，利用Flow Simulation软件进行仿真，其内部速度流场更直观可见，为进一步验证入口截面形状对油气分离效率的影响提供一定理论依据。

图5 压扁处理腰形管节进气口及计算域

图6 圆形管节进气口基准面流场分布

图7 腰形管节进气口基准面流场分布

图8 圆形管节计算域速度流场曲线图

图9 腰形管节计算域速度流场曲线图

图10 圆形管节Y方向分速度流场曲线图

图11 腰形管节Y方向分速度流场曲线图

4.2 出口相对中心位置对流场分布规律的影响

对于外进内出的内置油分，为利于将凝结后沉降在油分底部的油导出至油分外，一般回流至吸气状态的机体中，常常将回油管置于油分中心或近似中心位置。在大功率段机组设计中，由于最小压力维持阀为法兰式结构，而为利于回油管的安装要求，常常将油气分离器的油分出口位置处于偏心位置。然而，出气口位置也直接影响着流体的流线、速度分布规律。同理，建立两种不同位置的出气口位置模型进行流场研究：一种为初始常用设计方案的实体模型，即法兰盖回油管安装孔居中布置，出气口处于偏心位置，如图12；另一种为改进后的实体模型，出气口位置居中，回油管位于偏心位置，并在法兰盖上回油管固定接头安装孔加工时，设定倾斜一定角度，如图13（为简化模型网格，2种模型法兰盖最小压力维持阀安装孔及气路控制孔未绘制）。2种结构模型的前视基准面速度流场及流动迹线对比如图14～15所示。

图12 初始方案出气口偏心布置

图13 改进后出气口居中布置

由图14、15可知，2种出气管位置模型，从进入油分前的速度等高、等值线流场及流动迹线看，初始方案模型经粗分离后进入油分前的流体，产生的速度流场效果不如改进后的出气口居中布置的速度梯度流场均匀，前者油分的局部负荷直接影响着油分的使用寿命；同时，表现出出气口位置对粗分离速度流场有着一定影响，正常流体进入进气口后，由于膨胀流体速度降低，大油滴由于重力作用而沉降，其他油滴在向心力的作用下与油气桶内壁碰撞而聚集后因重力而沉降，若速度过大将导致表面聚集的油漆再次进入流场中，初始出气口偏心布置的流体流速在靠近内壁表现为大于流速8 m/s，而改进后出气口居中布置的流体流速在靠近内壁为2.2～3.5 m/s，与经验的最佳碰撞速度3m/s 左右较吻合；显然，利用Flow Simulation软件进行仿真，其内部速度流场更及流体流动迹线更直观可见，为进一步验证出口相对中心位置对油气分离的效率提供一定理论依据。

4.3 入口截面形状及出口相对中心位置对油滴分布规律的影响

油气混合物中，液相油滴通常处在1～50 μm，少部分微滴可小至与气相分子具有相同的的数量级，仅为0.01 μm。当油气混合物进入分离器，由于突然膨胀，导致气流速度下降，较大油滴受重力作用落入筒体下部；较小油滴及油雾沿折流板切向旋转，离心力作用把较重油滴甩向器壁，油滴经聚结后重力作用沿壁下流[5]。对油气分离器不同直径的油滴粒子进行运动轨迹模拟。图16～20分别为1 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm在不同入口截面形状及出口相对中心位置模型中的油滴运动迹线。

图14 初始方案出气口偏心布置前视基准面速度流场及流动迹线

图15 改进后出气口居中布置前视基准面速度流场及流动迹线

图16 圆形管节居中出气、腰形管节居中出气、腰形管节偏心出气、1 μm直径油滴粒子运动迹线（Flow Simulation 粒子分析模块迹线长度统计表数据：1 μm 直径油滴粒子，粒子样本数量200 个，理想状态下圆形管节居中出气口壁面捕捉到76 个，腰形管节居中出气口壁面捕捉到79 个，腰形管节偏心出气口壁面捕捉到78 个）

从图16～20可以看出，1 μm、5 μm、10 μm、15 μm、20 μm不同直径的油滴在油气分离器内被捕捉分离的迹线长度明显不同，直径越大的粒子更有易于捕捉分离；从图16～18可以看出，同一小直径油滴粒子在不同入口截面形状及出口相对中心位置的模型中，其迹线长度存在差异，据Flow Simulation粒子分析模块迹线长度统计表数据分析表明（表2）：管节为腰形入口截面形状的油气分离器粗分离效率高于管节为圆形入口截面；出气口居中布置的油气分离器粗分离效率高于出气口偏心布置。显然，利用Flow Simulation软件进行粒子分析仿真，可以更为直观的看出入口截面形状及出口相对中心位置对油滴分离效率的影响，为进一步验证进气口管节压扁工艺处理产生的腰形截面形状及优化后的法兰盖出口居中布置对提高油气分离效率提供有力理论依据。

图17 圆形管节居中出气、腰形管节居中出气、腰形管节偏心出气、5 μm直径油滴粒子运动迹线（Flow Simulation 粒子分析模块迹线长度统计表数据：5 μm 直径油滴粒子，粒子样本数量200 个，理想状态下圆形管节居中出气口壁面捕捉到103 个，腰形管节居中出气口壁面捕捉到110 个，腰形管节偏心出气口壁面捕捉到101 个）

图18 圆形管节居中出气、腰形管节居中出气、腰形管节偏心出气、10 μm直径油滴粒子运动迹线（Flow Simulation 粒子分析模块迹线长度统计表数据：10 μm 直径油滴粒子，粒子样本数量200 个，理想状态下圆形管节居中出气口壁面捕捉到184 个，腰形管节居中出气口壁面捕捉到188 个，腰形管节偏心出气口壁面捕捉到188 个）

图19 圆形管节居中出气、腰形管节居中出气、腰形管节偏心出气、15 μm直径油滴粒子运动迹线（Flow Simulation 粒子分析模块迹线长度统计表数据：15 μm 直径油滴粒子，粒子样本数量200 个，理想状态下圆形管节居中出气口壁面捕捉到200 个，腰形管节居中出气口壁面捕捉到200 个，腰形管节偏心出气口壁面捕捉到200 个）

图20 圆形管节居中出气、腰形管节居中出气、腰形管节偏心出气、20 μm直径油滴粒子运动迹线（Flow Simulation 粒子分析模块迹线长度统计表数据：20 μm 直径油滴粒子，粒子样本数量200 个，理想状态下圆形管节居中出气口壁面捕捉到200 个，腰形管节居中出气口壁面捕捉到200 个，腰形管节偏心出气口壁面捕捉到200 个）

表2 不同直径油滴粒子在不同油气分离器模型流场内的捕捉分离效率

5 结论

本文采用数值模拟的方法，对油气分离器进气口截面形状及出气口相对中心位置不同模型进行研究，通过内部流场模拟及粒子分析，得出以下结论：

（1）在相同工况参数条件下，入口截面形状影响着流体的流线、速度分布规律；进气口圆形管节在压扁工艺处理后产生的腰形截面形状后，其速度梯度流场更加均匀，流体在粗分离计算域内，分速度Y方向（即垂直方向）均为负值，且绝对值小于未经压扁的圆形管节，表明沉降时间更长，表现为有利于粗分离一面。

（2）在相同工况参数条件下，出口相对中心位置影响着流体的流线、速度分布规律；出口在中心位置的流体在进入桶身后，靠近桶身内壁的流速为2.2～3.5 m/s，与经验的最佳碰撞速度3 m/s左右较吻合，且运动迹线在油分前后流线表现出均匀分布，利于粗分离及二次细分离。

（3）通过油滴粒子分析计算结果，得到1～20 μm不同直径油滴粒子在不同油气分离器模型流场内的捕捉分离效率，发现直径越大的粒子更有易于捕捉分离，经压扁处理后的腰形管节及出气口居中布置的粗分离效率最高。

（4）得到了优化的油气分离器模型，即对圆形管节进气口进行适当的压扁处理得到腰形入口截面形状具体压扁工艺尺寸视油气分离器粗分离处理量及入口压力而定；同时法兰盖出气口居中布置，此时需对回油管接头安装孔倾斜一定角度加工，以倾斜插入油分底部的回油管接近油分底部中心位置为宜。