引言

旋風分離器是一種重要的氣固、氣液分離設備,具有結構簡單、分離性能可靠及壓降小等特點,廣泛應用于化工、能源及環(huán)境保護等領域。

利用數值模擬技術可以較好地預測旋風分離器的內部流動狀態(tài),目前大多采用Fluent對旋風分離器進行數值模擬研究,而采用STAR-CCM+對旋風分離器進行數值模擬研究還比較少。目前對旋風分離器的研究多針對較大尺寸的旋風分離器,而針對小尺寸的旋風分離器研究還不多。因此,筆者采用流體力學軟件STAR-CCM+對小尺寸的旋風分離器的油氣分離性能進行了數值模擬研究,分析了升氣管直徑、分離空間長度、進口截面寬度對油氣分離性能的影響。

1幾何模型與網格生成

旋風分離器結構如圖1所示,其基本幾何模型參數如表1所示,表1中的管徑D為28mm。

三維模型的制作是在STAR-CCM+中直接繪制生成,并利用該軟件內部的網格處理模塊生成多面體網格,如圖2所示。后續(xù)計算的各對比方案的網格可以通過在STAR-CCM+中單獨修改三維模型的某個特定尺寸,然后直接再次生成網格。

2計算方法與邊界條件

經過大量研究發(fā)現(xiàn),旋風分離器模擬計算的湍流模型適合采用雷諾應力模型(RSM）,模擬顆粒軌跡可以采用離散相模型(DPM）。

模擬計算的連續(xù)相為氣體,離散相為液體。氣體的進口流速為8.823m/s,密度為50.12kg/m3,黏度為1.48E-5Pa·s。液體顆粒的射入速度與氣體流速相同,流量為1.04E-3kg/s,密度為900kg/m3,計算的顆粒直徑為2um。壁面設置為彈性壁面邊界條件,出口設置為逃逸。

利用離散相模型追蹤液滴軌跡時,設置顆粒跟蹤的最大步數為40000,超出所設置步數則終止跟蹤,認為此顆粒不能離開旋風分離器。因此,這里計算的旋風分離器油氣分離效率等于單位時間內旋風分離器分離的油滴質量與單位時間內流入旋風分離器油滴質量的比值。

根據上述邊界條件和計算方法,基本幾何模型的模擬計算得出的顆粒軌跡跟蹤圖如圖3所示。

在后續(xù)模擬分析升氣管直徑、分離空間長度、進口截面寬度對旋風分離器油氣分離性能的影響時,僅改變所分析的參數,其他參數和條件保持不變。

3模擬結果及分析

3.1升氣管直徑

為了分析旋風分離器升氣管直徑對旋風分離器分離效果的影響,分別模擬計算升氣管直徑為6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm時的油氣分離效率,模擬結果如圖4所示。

從圖4可以看出,隨著旋風分離器升氣管直徑的增加,旋風分離器的油氣分離效率逐漸減小。在本文所假定的條件下,當直徑小于一定值之后,旋風分離器的油氣分離效率接近100%。但是升氣管直徑越小,整個旋風分離器的壓降會增加。

3.2分離空間長度

本文所分析的旋風分離器分離空間長度指的是從旋風分離器頂板到旋風分離器椎體底部的長度,即表1中所述的旋風分離器總高。在模擬計算不同的旋風分離器分離空間長度時,保持旋風分離器直筒段和椎體段的高度尺寸比例不變。這里分別模擬計算分離空間長度為80mm、96mm、112mm、128mm、144mm時的油氣分離效率,模擬結果如圖5所示。

從圖6可以看出,隨著旋風分離器分離空間長度的增加,旋風分離器的油氣分離效率逐漸增加。在本文所假定的條件下,當分離空間長度達到一定值之后,旋風分離器的油氣分離效率接近100%,但旋風分離器的分離空間長度不宜過長,過長會出現(xiàn)旋渦底部不穩(wěn)定的情況,分離效率反而會降低。

3.3進口寬度

本文僅改變旋風分離器進口的寬度,不改變進口的高度,分別模擬計算旋風分離器進口寬度為44mm、48mm、52mm、56mm、60mm、64mm時的油氣分離效率,模擬結果如圖6所示。

從圖6可以看出,隨著旋風分離器進口寬度的減小,旋風分離器的油氣分離效率逐漸增加。但是隨著進口寬度減小,整個旋風分離器的壓降也增加。

4結論

(1）隨著升氣管直徑減小、進口寬度減小,旋風分離器的油氣分離效率增加,但是旋風分離器的壓力損失也會增加。

(2）在一定范圍內,增加旋風分離器分離空間長度有利于提高旋風分離器的油氣分離效率。