李振國(guó)，張曉冬，趙宗昌
（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧 大連116012）

　　摘　要：采用各向異性k－ε模型，用有限差分法，以SIMPLE算法為基礎(chǔ)對(duì)旋流器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了在流量一定的情況下，隨溢流比的增加，進(jìn)料口與溢流口之間的壓力降A(chǔ)Piu增大，進(jìn)料口與底流出口之間的壓力降△Pid幾乎不變?！鱌iu與△Pid隨進(jìn)料流量的增大而增大，△Piu隨溢流管孔徑的減小而變大，△Pid幾乎不變。通過(guò)算例與實(shí)驗(yàn)核驗(yàn)，得出各向異性k－ε模型能夠模擬放流器內(nèi)湍流流場(chǎng)。
　　關(guān)鍵詞：旋流器；水處理；分離；流場(chǎng)；數(shù)值模擬
　　中圖分類號(hào)：TU991.34
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009－2455（2002）02－0043－03

Study on the Pressure Drop of An on Removal Type Hydroclone
LI Zhen-guo, ZHANG Xiao-dong, ZHAO Zong-chang
(Department Of chemical Engineering, Dalian University of technology, Dalian 1160l2, China)

　　Abstract: The flow field in a hydrocyclone was studied by numerical method with an anisotropic k -ε model on the basis of SIMPLE algorithm. Anisotropic k --ε model can predict the swirling turbulent now in a hydrocyclone.
　　Key words: hydrocyclone; water Process; separation; flow field; numerical simulation

前言

　　傳統(tǒng)的含油污水處理方法有過(guò)濾、氣浮、重力分離、離心分離、蒸發(fā)、活性炭吸附等物理方法；混凝沉降、化學(xué)氧化、離子交換和化學(xué)預(yù)處理等化學(xué)方法以及活性污泥處理、生物膜法處理、氧化塘等生物法。這些方法不僅投資費(fèi)用與操作費(fèi)用高，而且占地面積大，在場(chǎng)地受到限制的場(chǎng)合（如海上采油、油輪的清洗等方面）這種方法就顯得很不適應(yīng)。因此，研究與開發(fā)占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修與運(yùn)行費(fèi)用較低的水力旋流器已成為油水分離設(shè)備的一個(gè)新的方向。

1 壓降的實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示[1]，儲(chǔ)罐1中的含油污水由泵輸送經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后，分兩股從旋流器頂端雙切向入口進(jìn)人旋流器，底流流人儲(chǔ)罐12，溢流從旋流器頂端溢流口流出，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后流人到儲(chǔ)罐12。測(cè)壓點(diǎn)為旋流器人口、底流出口、溢流口。模擬計(jì)算所得壓力值用柏努利方程校正到測(cè)壓點(diǎn)，結(jié)果如圖3，圖4，圖5，圖6所示。

2 數(shù)學(xué)物理模型及求解方法

　　液液旋流器一般由圓柱段、大錐段、小錐段和尾段組成。
　　本文使用的除油型水力族流分離器結(jié)構(gòu)尺寸為：
　　主體直徑為：35mm，大錐角：20°，小錐角：1.5°，底流出口直徑為：17.5mm，溢流口直徑為：3－5mm。
　　圖2為流動(dòng)區(qū)域的縱剖面圖[2]。計(jì)算區(qū)域由A1、A2、A3、A4、A5、A6所構(gòu)成。
　　來(lái)流沿切向進(jìn)入旋流器后，形成旋流流場(chǎng)，其流動(dòng)規(guī)律由流體力學(xué)基本方程控制。而湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性取決于所采用的湍流模型和計(jì)算的數(shù)學(xué)方法。

　　由于旋流器內(nèi)流體的流動(dòng)是強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，湍流粘性具有各向異性。本文采用各向異性的k－ε模型[3-5]對(duì)35mm旋流器進(jìn)行模擬。在旋流管內(nèi)，可以將旋流管內(nèi)流體流動(dòng)簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱流動(dòng)。求解區(qū)域采用交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)[6]，方程的離散采用控制容積法，在以上網(wǎng)格系統(tǒng)的控制體內(nèi)進(jìn)行積分，其中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用混合差分格式[7]，對(duì)源項(xiàng)做線性化處理，壁面上的速度擴(kuò)散通量采用壁面函數(shù)法，計(jì)算中采用欠松弛技術(shù)，差分方程采用SIMPLE算法進(jìn)行迭代求解。計(jì)算區(qū)域劃分185×36個(gè)網(wǎng)格（見圖2），流量為3－6m3／h，溢流比為2％－10％，當(dāng)每迭代104次各變化量小于10-3，認(rèn)為已經(jīng)收斂。

3 試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果

3.1 壓力降的影響因素
　　油水混合物在水力旋流器的離心力場(chǎng)中高速旋轉(zhuǎn)，由于流體的粘性以及水力旋流器壁與旋轉(zhuǎn)流體之間的摩擦等都將消耗能量，表現(xiàn)為壓力損失或壓力降。壓力降是水力旋流器的重要技術(shù)指標(biāo)，要求水力族流器的壓力降較小以盡可能地減少能量消耗。同時(shí)，壓力降還是水力旋流器的重要操作指標(biāo)，一方面，根據(jù)壓力降的大小來(lái)選擇進(jìn)料所需的壓頭并由此決定是否需要通過(guò)增壓泵來(lái)提高進(jìn)料的壓頭即水力旋流器的人口壓力；另一方面，在多級(jí)操作中往往是根據(jù)壓力降的大小來(lái)選擇下一級(jí)的工況。
　　水力旋流器的定義式為：
　　　　　　△Piu=Pi-Pu
　　　　　　△Pid＝Pi-Pd
　　式中：Pi---旋流器人口壓力；
　　　　　Pu——旋流器溢流口壓力；
　　　　　△P_iu——進(jìn)料口與溢流口之間的壓力差；
　　　　　P_d——底流出口壓力；
　　　　　△P_id——進(jìn)料口與底流出口之間的壓力差。

3.1.1 溢流管直徑對(duì)△Piu的影響
　　圖3為溢流管直徑對(duì)△Piu的影響曲線。對(duì)同一溢流管，隨著溢流比的增加即溢流流量的增大，內(nèi)旋流的中心油核區(qū)的流體能及時(shí)從溢流管排出，這時(shí)其中的靜壓降低，因而溢流與進(jìn)料之間的△Piu增大，而且△Piu隨溢流比線性變化。隨著溢流管直徑的減小，△Piu增大。對(duì)于同樣溢流流量，顯然直徑小的溢流管中的流體速度較大，即其動(dòng)能較大，因而靜壓能較低。同時(shí)小直徑時(shí)阻力損失也較大，所以西比值較大。
3.1.2 流量與△Piu的關(guān)系
　　圖4為（溢流管直徑為3mm）△P_iu與流量關(guān)系曲線。進(jìn)料流量的大小直接決定了水力旋流器壓力降的大小。因此，一般把壓力降作為衡量水力旋流器生產(chǎn)能力的一個(gè)指標(biāo)。為了保證其生產(chǎn)能力，降低水力旋流器的壓力降從而降低能耗，總是盡可能選擇合理的旋流器進(jìn)料入口、底流出口及器壁的幾何結(jié)構(gòu)。由圖4可知，旋流器內(nèi)的壓降隨流量增大而增大。這是由于進(jìn)料流量的增加將導(dǎo)致流體切向人口速度增加，旋流器內(nèi)的離心力場(chǎng)增強(qiáng)所致。由于水力族流器主要是利用管路閥門控制背壓來(lái)調(diào)節(jié)溢流流量的大小，因此需增大溢流流量時(shí)就需要增加背壓。當(dāng)進(jìn)料流量一定時(shí)，則進(jìn)料口壓力需要提高，所以人口與溢流口壓差增大。由此可見，為了降低壓力降應(yīng)盡量在小溢流下操作。

3.1.3 溢流管直徑及進(jìn)料流量對(duì)西凡的影響
　　國(guó)5是進(jìn)料流量在5m³/h條件下不同溢流管直徑對(duì)△P_id的影響曲線。

　　圖6為溢流管直徑為3mm時(shí)進(jìn)料流量對(duì)△Pid的關(guān)系曲線。

　　由于溢流流量遠(yuǎn)小于底流流量（溢流流量最大只占進(jìn)料流量的10%）因此從圖5可以看出，改變溢流比幾乎不影響底流流量，因而△Pid與溢流比幾乎無(wú)關(guān)。
3.2 放流器中內(nèi)旋流與外放流壓力沿軸向變化
　　旋流器中存在著兩個(gè)沿軸向流動(dòng)方向相反的區(qū)域，分離器中的軸向速度從軸心向器壁方向，速度由負(fù)變正，軸心附近速度為零的各點(diǎn)形成了所謂的零軸速包絡(luò)體。該面內(nèi)部流體向上流動(dòng)，形成了內(nèi)旋流。包絡(luò)體外部的液體則向下流動(dòng)，形成了外旋流。從圖7（圖中數(shù)據(jù)為以旋流器入口壓力為基準(zhǔn)的壓力計(jì)算值）可以看出，內(nèi)旋流和外旋流沿流向壓力梯度均為負(fù)，這兩種流動(dòng)的反向壓力梯度是造成它們反向流動(dòng)的根本原因。

4 結(jié)論

　　采用各向異性k－ε模型，可以有效地模擬旋流器內(nèi)的壓力分布。
　　在流量一定的情況下，隨溢流比的增加，壓力降△Piu增大，△Pid幾乎不變。
　　壓力降△Piu和△Pid隨進(jìn)料流量的增大而增大，壓力降△Piu隨溢流管孔徑的減小而變大，但壓力降△Pid卻幾乎不變。

參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡(jiǎn)介：李振國(guó)（1972－），男（滿族），遼寧綏中人，大連理工大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程系99級(jí)碩士研究生，電話（0411）3631333－3239O