油泥清洗器内液固两相流的数值模拟研究

李介普， 赵 斐

（北京航天试验技术研究所， 北京100047）

0 引言

在石油行业中，石油在开采、炼制等过程中会有大量的油泥产生，油泥[1]的组成充分很难明确定义，是一种多相的混合物，主要的成分为原油、污水、油砂等。油泥既是生产中的废物，又是可以循环利用的二次能源，需要一套完整的油泥清洗装置，其中油泥清洗器的作用是将油水固三相充分混合，通过搅拌器的搅拌，使流体得到动势能，在搅拌槽形成合适预期效果的流场[2-4]。本文采用CFD 方法，研究了得到油泥清洗器搅拌槽内的局部流动状态和混合状况，对于油泥清洗器中搅拌器的设计提供了一定的参考。

1 数学模型

1.1 理论模型

本论文采用基于欧拉-欧拉模型下的欧拉两相流模型，根据实际工艺参数，罐内实际为油水固三相，由于含油量较少，将水和泥沙作为液-固两相。 两相初始状态简化为固体泥沙沉于清洗罐底，泥沙沉底高度为1200mm。两相动量交换系数选用Gidaspow 模型，湍流模型采用标准k-ε模型[5]，模型的湍动能k 和湍动耗散率ε 方程如下式：

式中：Gk—由速度梯度变化而产生的湍流动能；Gb—受浮力的作用产生的湍流动能；YM—可压缩流体中的脉动膨胀对耗散率的作用；μl—湍流粘性系数。在Fluent 里，作为默认值，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；湍流普朗克数分别为σε=1.3，σk=1.0。

液固两相流的模拟求解方法采用基于非稳态的隐性非耦合算法求解，压力与速度之间的耦合采用Phase Coupled SIMPLE 算法，动量方程、湍动能方程等方程全部按一阶迎风的格式进行离散[6]。

1.2 计算模型

设备采用平底、平盖搅拌罐，为常压容器，体积75m3，容器直径4000mm，容器高度6000mm，搅拌器为三段桨叶式搅拌器，两瓣桨叶，桨叶长度3000mm，桨叶高度和桨叶宽度的尺寸分别为0.1 和0.01 倍桨叶长度的尺寸， 最下一层桨叶离罐底200mm，每一层相距1400mm，搅拌转速18r/min。

本文采用滑移网格模型进行网格划分。滑移网格模型在计算时，将计算流域分为两大部分：一个区域包含运动的桨叶和下半部分搅拌轴，即转子区；另一区域包静止的容器和上半部分搅拌轴，即定子区；两个区域之间有网格分界面。 模型采用非结构化网格进行划分，采用TGrid 类型的三面体网格，同时为了保证网格质量，在动区域的桨叶的网格先进行面网格划分，后采用结构化的四边形网格，搅拌罐的网格划分图如图1 所示。

图1 搅拌罐的网格划分图Fig.1 Geometric diagram of stirred tank

1.3 物料参数

工艺参数为含固10%进料，油水固三相进料，物料停留时间3 小时，含油量较少可忽略。 各物料的质量流量分别为：水19662kg/h，固体（泥沙）2280kg/h。 固体的相体积分数为90%。取泥沙颗粒粒径约为111μm，密度2500kg/m3，粘度0.001003Pa·s。

2 模拟结果分析

2.1 搅拌器垂直截面的速度云图和速度矢量图

图2 所示为三层桨叶式搅拌器垂直截面的速度云图和速度矢量图。由速度云图可知，搅拌器叶片周围的流体速度最大，桨叶端部的速度比桨叶中心靠近搅拌轴的地方大。两个桨叶间的区域速度较小，最上层的桨叶上部有集中的高亮区域，此处的吸入速度较大，叶片喷射的液流进入低速的流体中，卷吸周围的流体，随后沿着径向扩散。由速度矢量图可知，在桨叶的上方和下方均形成了一个涡旋流动，三层桨叶附近均出现双涡旋环流场结构，桨叶与桨叶间有相互作用， 流体在叶轮端部的出口处有很强烈的径向运动，径向速度较大。

图2 垂直截面速度云图和速度矢量图Fig.2 Velocity contours and velocity vectors of vertical section

在叶轮区域，叶轮旋转直接推动流体流动，形成主流，流动特征具有射流特征，射流出去的流体撞得搅拌槽壁，分成两个分支，分别向上、下流动，在远离叶轮的区域，射流流体卷带周围的流体形成次流。 在叶轮区域的三个速度分量中，主要是径向速度和轴向速度为主。桨叶下方靠近搅拌轴中心的区域，流体出现反向的流动，这个区域叫诱导锥形区，该区域附近的流体速度很小，容易出现搅拌混合不均匀现象。

2.2 搅拌器的轴向速度云图和径向速度云图

图3 所示为轴向速度云图和底层桨叶的径向速度云图。由轴向速度云图可知，桨叶端部上下两侧的轴向速度较大，上下两侧的轴向速度方向相反。由于顶层桨叶上方无桨叶区域的环流涡旋现象较明显，最顶层桨叶上端区域的轴向速度最大，液固两相混合较充分。由底层桨叶的径向速度云图可知，沿着搅拌器的旋转方向，叶轮的端部的径向速度最大，桨叶两侧的流体径向速度分布较为均匀，整体形成一个大环流， 搅拌器的周围比搅拌槽边壁处的径向速度大，有利于液固两相流混合。

图3 垂直截面的轴向速度云图和底层桨叶径向速度云图Fig.3 Axial velocity contours of vertical section and radial velocity of bottom blade

3 结论

油泥清洗器搅拌浆叶周围的流体速度最大， 叶片附近的流动具有射流特征，桨叶上下方出现双涡旋环流场结构，有利于两相流混合。 在桨叶下方靠近搅拌轴中心的诱导锥形区，流体速度很小，容易出现搅拌混合不均匀现象。

受环流涡旋的影响， 桨叶端部上下两侧的轴向速度较大，叶轮的端部的径向速度最大，桨叶两侧的流体径向速度分布较为均匀，有利于液固两相流混合。