旋流分离器内流动特性的模拟分析研究

文海龙，李 巍，沈志恒，程新宇，徐 峰，方 堃

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

旋流分离器具有结构简易、制造及维护费用低等特点，已成为目前工业分离、除尘设备较为常规的设备，其在工业上的应用已有百余年的历史[1]。在旋流分离器装置中，要求能在低颗粒浓度下高效地分离出最小颗粒，因此为了设计出性能优良的旋流分离器，详细了解其内部的流场分布是相当必要的。

对于湍流流场的数值研究，湍流模型的选取是关键。现有的湍流数值模拟方法包括直接数值模拟、雷诺平均模拟和大涡数值模拟等三种方法。直接数值模拟方法需要较大的计算机内存和耗时较长的计算量，其适合于计算雷诺数较低的简单湍流运动；雷诺平均模拟方法只能提供湍流的平均信息，其没有普适性；大涡模拟方法在较为复杂流动模拟中可以获得湍流流动的细微结构和流动图像，因此该方法被广泛认为是一种非常有前景的湍流数值模拟方法[2]。

对于旋流分离器内部流场的模拟，很多学者采用稳态方法并认为旋流分离器有明确的进出口边界条件，而且认为在稳态下可以大大缩短计算时间。他们采用标准的k-ε模型，RNGk-ε模型及RSM湍流模型对旋流分离器内三维流场进行模拟研究[3-4]。有学者提出在非稳态下进行模拟更能符合旋流。

分离器内部流场的流动情况，这是因为旋流分离器内部实际的气流场是强旋湍流场，湍流的一个重要特征就是随机性，即流体中的各种物理参数，如速度、压力等都随时间与空间发生随机变化，即旋流分离器内部的流场是非稳态的，只是趋向于稳态发展，因此采用非稳态下模拟的气相流场与实际的气相流场更加吻合[2]。……