基于超重力净油装置的三相分离数值仿真研究

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(北京工业大学 机电学院, 北京　100124)

引言

液压传动技术与电气、机械及气压传动相比具有体积小、重量轻、结构紧凑、响应速度快、能无级调速、控制灵活等优点，被广泛应用于工业、农业、国防和科学技术领域。液压油作为液压系统的常见工作介质，其清洁度高低严重影响液压系统的工作可靠性及元件的寿命。美国流体协会的调查结果证实，液压系统的故障至少有75%是由于工作介质的污染而造成的[1]。而国内外经验表明，通过合理有效的过滤方式去除液压系统中的污染物，可使设备的平均故障间隔时间延长10～50倍，液压元件寿命延长10倍以上[2]。因此，通过合理有效的手段改善液压油的清洁度水平是液压系统正常工作的保障。

固体颗粒和水是液压油中污染物的重要组成成份，为了有效滤除这两相污染物，维持液压油的高清洁度，提出一种新型超重力净油装置[3](结构如图1所示)。超重力净油装置依据液压油净化机理的不同可被看做是超重力旋转填料床和旋流器两种净化装置的结合体。所谓超重力是指在比地球重力加速度大得多的环境下，物质所受到的力(包括引力或排斥力)。超重力技术是强化多相流传递及反应过程的新技术，具有能够增强固液分离效率，提高传质效率，大大简化设备尺寸和降低结构对转速要求的特点。当污染液压油流经超重力净油装置时，污染物颗粒群中的较大直径颗粒在旋流场作用下经过离心沉降和重力沉降，最先被捕获而落入尾端的底流口，完成固体颗粒污染物的分离；初步净化的油液随内旋流进入上部分超重力床空间，并随旋转填料高速旋转，液体被撕裂成微米级的液雾和液滴，在超重力场下，当含液雾的液滴通过高速旋转、弯曲狭窄且多变、充满着极薄的液雾和细小液滴的填料层中的空隙时，液滴和液雾的惯性沉降能力增强，与液体、填料都形成了急速的碰撞接触，使得属性相同的液滴和液雾有效凝聚，同时在离心力的作用下实现油水两相的分离，最终净化后的油液沿旋转床顶部中央的净化液压油出口排出。

1.出油口　2.矩形入口　3.溢流管　4.圆锥段　5.底流口　6.圆柱段　7.出水口　8.旋转填料床图1　超重力净油装置结构图

早在第二次世界大战后，旋流器已经在医药、采矿、石油和粉末加工等领域得到广泛应用[4]。随着CFD技术的发展，各国科学家对旋流器内流场进行了一系列数值模拟仿真工作。如Hirt 和Nichols[5]借助雷诺应力模型研究了旋流分离器内的湍流流场，并利用流体体积函数模型(VOF)研究了空气柱的位置。Hsien和Rajamani等[6]采用CFD软件模拟了二维轴对称旋流分离器内单相流的速度场。李玉星等人[7]采用RNGk-ε模型，以SIMPLE算法为基础，对静态液-液分离水力旋流器进行数值计算，模拟得到的速度矢量图和流线图较好地反映了旋流器内部流体流动的基本规律。

超重力发生装置——超重力旋转填料床(RPB)由Ramshaw 和 Mallinson首先提出[8]，该装置通过增加反应场的重力加速度来增加相间传质强度，近年来超重力技术在能源、环境、制药工程、生物化工等工业中已取得了巨大进展。北京化工大学于1990年建立了我国第一个超重力工程技术研究中心，2001年升级成立教育部超重力工程研究中心，开展了一系列的创新性研究工作[9,10]。中北大学化学工程技术研究中心焦纬洲等[11]首次提出了旋转填料床同时进行脱硫和除尘的思路，对南方化工集团和太原二电厂的灰尘进行处理，以Mg(OH)2和Ca(OH)2悬浮液为吸收剂，超重力场同时处理气体含尘高达50 g/m3和含SO2高达1200 ppm烟的脱硫除法的成套技术，液气比为0.21 L/m3，液体用量低于任何湿法，脱硫除尘率均达到99%、超重机的出口气体中SO2的体积分数为8 ppm。

超重力技术虽然在近年来已取得了巨大进展，但这一全新技术的特点和应用前景，以及在这项技术中尚未充分揭示的现象和值得深入研究的理论，还有待人们进一步的探索和研究，尤其是国内外关于超重力场的流场仿真研究十分少见。鉴于此，在综合分析国内外学者对旋流场和超重力场研究的基础上，运用计算流体力学(CFD)软件FLUENT对超重力净油装置内的固-液分离旋流场和液-液分离超重力流场进行仿真研究，获取固体颗粒在装置内的运动轨迹和超重力净油装置不同出口处液压油的体积分数，进而对超重力净油装置的净油效果进行综合评估。

1　超重力净油装置模型的建立

设定系统流量为100 L/min，超重力净油装置入口处液压油流速为10 m/s，经设计计算后所获得的超重力净油装置的关键结构参数如表1所示。

由于旋流场与超重力场属性截然不同，为了能准确获取超重力净油装置内的流场分布特征，将超重力净油装置划分为两部分进行流场分析，即固-液分离旋流场(分离固体颗粒污染物) 及液-液分离超重力场(分离液压油中的水)。 离散相模型 (DPM) 和欧拉多相流模型分别作为两个流场的基本计算模型。在仿真过程中，超重力场选用目前较为通用的标准k-ε湍流模型，标准k-ε模型需要求解湍动能和耗散率方程，其中，湍动能方程是通过精确方程推导而获得的，而耗散率方程是通过物理推理、数学上模拟相似原形方程得到的。模型假设流动为完全湍流，忽略分子黏性的影响，标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程可表示为下式[12]：

表1　超重力净油装置的关键结构参数

Gk+Gb-ρε-YM

(1)

(2)

其中,Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；Gb是由于浮力影响引起的湍动能产生；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总耗散率的影响。

在对旋流场进行仿真过程中，考虑到旋流器内部存在强旋转流，为避免产生失真现象，仿真过程选用RNGk-ε湍流模型。与标准k-ε相比，RNGk-ε湍流模型对湍动黏性系数进行了修正且在k-ε方程中增加了反映主流的时均应变率，同时考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况[13,14]，因而更适用于研究中对旋流器流场的模拟。

旋流器及超重力床模型利用前处理软件Gambit建模并进行结构化网格划分，当网格数目分别达到361517和336332时，计算结果是网格无关的，进而可进一步进行相关模拟仿真工作。图2为本研究中旋流器及超重力床两部分的网格生成图。

图2　网格生成图

超重力净油装置模型建立过程中，液压油由旋流器溢流口排出至进入超重力床这一区间包含一连接两部分的流体延伸区域，该流体域上表面(图2a圈内区域)既是旋流器部分的流体出口，又与高速旋转填料接触，具有填料的性质，因此该表面被定义为多孔介质出口。其他边界条件设置如表2所示。

表2　超重力净油装置模型的边界条件设置

2　超重力净油装置流场仿真

将生成的网格文件导入计算流体动力学软件FLUENT进行流场特性分析，这一过程中尽管产生了一系列数值模拟仿真结果，但只选取与超重力净油装置分离效率相关的仿真结果进行分析，以揭示超重力净油装置对液压油的净化作用。

2.1　固-液分离流场

切向速度对旋流器内固-液三维液体分离运动起十分重要作用，一般来说，其数值也大于其他两个方向的速度。同时切向速度与离心力的形成密切相关，因而常被用来作为考查旋流器分离效率的重要指标。当污染液压油由切向入口进入旋流器后，在离心力作用下，较大粒径颗粒或是比重较大颗粒随液压油形成的旋流很快运动到旋流器靠近器壁处形成的外旋流，最后由底流口排出。图3为旋流器横截面的二维切向速度云图。由图可见切向速度值在旋流器内部靠近中心轴及溢流管流体延伸域处获取较大值，最大切向速度值可达18.9 m/s，大大有利于提高固体颗粒的分离效率。

图3　旋流器内部切向速度云图

大量研究和试验表明，直径5 μm左右的颗粒是引起液压系统淤积堵塞的主要原因，而直径大于15 μm 左右的颗粒则对元件磨损起主要责任。基本流场建立后将三种不同粒径颗粒(5 μm、15 μm和50 μm)注入旋流器模型进行研究，仿真获取的不同粒径固体颗粒污染物在旋流器内的运动轨迹如图4所示。

由图可见，随着旋流运动的进行，由于固体颗粒较液压油受到较大离心力，因而一进入旋流器就被甩至靠近器壁处。聚集的固体颗粒随着外旋流首先运动到圆锥部分，大部分固体颗粒由尾端的底流口排出旋流器，完成固体颗粒的分离，同时小部分小比重颗粒随回流向上运动，由溢流口处跟随初步净化的液压油进入超重力床部分。比较图4a～图4c可见随固体颗粒粒径增加由溢流口处排出的固体颗粒越来越少，尤其是图4b和图4c两图，颗粒全部通过旋流器尾端的底流口排出。这说明旋流器能够分离大部分直径在5 μm左右的固体颗粒污染物，同时可以分离全部的直径在15 μm左右和直径在50 μm左右的固体颗粒污染物。

2.2　液-液分离流场

设定液压油的初始含水量为5%，上述旋流器模型模拟获得的出口压力即为超重力床多孔介质的入口压力，此时施加适当的入口压力相当于给初步净化的油液某一初始速度，推进水分和液压油在填料内的运动和分层，增进同种属性液流的凝结聚合，促进油水分离过程的进行。

图4　旋流器内不同粒径固体颗粒的运动轨迹

图5为超重力床内液压油的体积分数分布图，其中颜色越深则代表液压油的体积分数越高。由图可见，液压油由于密度较小集中在超重力床的上部和靠近轴心处，并最终由位于顶部中心的净化液压油出口排出，而混有水分的液压油则聚集在出水口附近并最终由此排出。净化液压油出口排出的液流含液压油体积分数为100%，此时纯净液压油占据了净化油出口的全部，而出水口处液流含液压油体积分数的平均值大致为94%。

为了更加直观观察超重力净油装置各出口所排出液体的不同组分含量，图6a和图6b示出了超重力床各出口处液压油的体积分数曲线图和各出口处水分的体积分数曲线图。由图6a可以看出由出油口处排出的液压油体积分数为100%，而出水口处液压油体积分数平均值约为94%。类似地，图6b为出水口和出油口的水分含量。由图可见无混水液压油由出油口排出，即出油口水分含量为0%，因而可以获得完全纯净的液压油。

图5　超重力床内液压油体积分数的等值线图

图6　超重力床内部不同相的体积分数曲线图

3　结论

由仿真结果可知超重力净油装置能够有效分离液压油中含有的固体颗粒污染物及水分。通过对不同粒径固体颗粒污染物的运动轨迹进行模拟可以发现，超重力净油装置可以有效去除粒径为5 μm的固体颗粒污染物，同时能够完全去除粒径为15 μm和50 μm的固体颗粒污染物；通过对超重力液-液分离流场进行仿真，结果表明超重力净油装置的净化液压油出口处所排出的流体所含液压油的体积分数为100%，即在液压油出口处可以获取完全纯净的液压油。

超重力净油装置将超重力技术与旋流分离技术相结合，应用于流体传动及控制领域来解决液压系统的污染控制问题，填补了我国超重力净油技术方面的空白，具有十分重要的理论研究意义和实际应用价值。

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