轴流式旋流分离器的数值模拟.doc

轴流式旋流别离器的数值模拟 轴流式旋流别离器的数值模拟 摘 要 水力旋流器是一种结构紧凑别离效率高的别离设备广泛应用于冶金石化 环保等行业中本文根据国外已有资料数据应用 FLUENT 软件对轴流式旋流分 离器油水别离情况进行模拟研究首先建立了轴流式旋流别离器的模型然后模拟 了轴流式旋流别离器内单相流体的流动情况究其速度及压力分布此根底上应用 MIXTURE 模型对油水混合物进行了别离模拟并与已有的试验数据进行定性比 较 关键词油水别离轴流式旋流别离器数值模拟 I 轴流式旋流别离器的数值模拟 Abstract The hydrocyclone is a kind of separator with a compact structure and high separating efficiency It is applied extensively to industrial fields such as metallurgy petro-chemistry and environment protection According to the data and information from foreign country Apply software FLUENT axial swirl separator oil-water separation conducted simulation study First established a swirl separator axial-flow model and then simulate the Axial swirl separator in the single-phase fluid flowOn its speed and pressure distributionOn the basis of single-phase two phases of wateroil were simulated by the MIXTURE model And the test data have been compared Keywords Oil-water separation Axial hydrocyclone Numerical simulation II 轴流式旋流别离器的数值模拟 目 录 第一章 前言1 11 选题背景1 12 研究意义1 13 文献综述2 com 概述2 com 轴流式旋流别离器的根本结构和工作原理4 com 旋流别离技术及特点6 com 轴流式旋流别离器的性能分析6 com 本文的主要研究内容6 第二章 三维流动模型的建立与流动模拟计算8 21 模拟的根本方法8 22 模型的选取8 com 湍流模型8 com 两相流模型9 23 模拟油滴运动的根本假设和运动方程10 com 模拟油滴运动的根本假设10 com 两相流动的方程10 24 建立三维流动模型10 com 使用 Gambit 建立三维流域模型10 com 网格划分11 com 定义边界12 25 数值模拟计算条件的设定13 26 模拟计算结果分析 27 com 轴向截面油相分布27 com 速度分布28 com 质量流量分流比和分流效率31 III 轴流式旋流别离器的数值模拟 com 别离效率的分析32 第三章 结论34 31 计算结果的总结与分析34 参考文献35 致谢37 声明38 IV 轴流式旋流别离器的数值模拟 第一章 前 言 11 选题背景 在现代工业领域环境保护是一项重要的研究课题控制大气和水污染的调节 措施正在日益增加一种方式是在生产过程中翻开水管冲洗污染物然后自由地 排放用这种方法控制和处理油水废弃物是很昂贵的有必要对使用者进行一定的 [1] 限制水力别离系统提供了廉价而简单的方法能从含油废水中别离出油脂品 旋流别离器 简称旋流器 的创造应用已有约一个半世纪了开始只用于选矿 过程中的固-液别离和固- 固别离等 2 分级后来开展到固-气别离液-气别离等 到 20 世纪 80 年代末这种旋流别离器被用于石油工业中的产出水除油取得了 满意的效果在液-液别离研究过程中先是轻分散相液体的别离 如油污水脱油 再是重分散相液体的别离 如油品脱水 [2] 水力旋流除油技术用于油污水处理的尝试始于 1984 年首次投入商业应用始 [3] 于 1985 年 该技术首先是针对海上钻井平台空间小的使用条件进行开发的污 水在水力旋流除油器中的滞留时间一般只有 2s 由于当时开发的水力旋流除油器体 积小质量轻除油效率高易于安装拆卸和搬运为它在海上或陆上油田炼 [4] 化或化工工业的污水处理领域占据技术市场创造了优势 随着水力旋流器应用范围的迅速扩大和人们对其别离性能指标要求的日益提 高按照传统的经验或半经验公式进行旋流器设计方法的局限性越来越明显通过 数值模拟技术研究旋流器内部流场的分布特性和流动状态对旋流器别离机理的认 识和结构优化设计方面的推动作用已经得到了一致的认同 12 研究意义 水力旋流器被广泛应用于石油化工冶金造纸淀粉加工以及废水处理等 众多行业人们对水力旋流器的研究较旋风别离器要晚但随着开展目前人们对 其研究也已经从暗箱操作转向理论实验研究从而得出一系列的数学模型用以指 导同类型的水力旋流器的设计与操作然而由于实验条件的限制单纯通过实验 来研究旋流器的性能不仅周期长而且费用高数值计算技术具有资金投入少设计 计算速度快信息完全仿真模拟能力强等优点因此以流场湍流数值模拟为主 1 轴流式旋流别离器的数值模拟 研究旋流器内流体流动规律进而优化旋流器结构具有重要的工程应用价值 13 文献综述 com 概述 离心别离法是使装有含油废水的容器高速旋转形成离心力场因固体颗粒油 珠与废水的密度不同受到的离心力也不同到达从废水中去除固体颗粒油珠的方 法常用的设备是水力旋流别离器旋流别离器在液固别离方面的应用始于 19 世 纪 40 年代现在较为成熟但在油-水别离领域的研究要晚得多虽然液- 固别离 与液-液别离的根本原理相同但二者设备的几何结构却差异较大脱油型旋流分 离器起源于英国从 20 世纪 60 年代末开始由英国南安普顿大学MartinThe W 教 授领导的多相流与机械别离研究室开始水中除油旋流别离器的研究创造了双锥双 入口型液-液旋流别离器在试验过程中取得满意效果随后Young GAB 等人设计 出的与双锥型旋流器具有相同别离性能但处理量要高出 1 倍的单锥型旋流别离器 经过几何优化设计Conoco公司提出了K型旋流别离器对于直径小于 10μm 的油 滴别离性能提高更加明显由于旋流别离器具有许多独特的优点旋流脱油技术在 兴旺国家含油废水处理特别是在海上石油开采平台上已成为不可替代的标准设备 [5] 1切向入口的旋流别离器 水力旋流器是一种紧凑高效的离心别离设备至今已有 100 多年的历史水力 旋流器最初主要应用于选矿等行业的液- 固的两相别离对液-液别离的研究是从 1967 年英国的Torrey Canyon油轮遇难事件后才开始的由于原油的大量泄漏造 成大面积海域污染英国政府呼吁就被污染海域的环境治理问题进行研究英国 Southamptocom 教授的课题组开始研究液-液旋流别离技术至 1983 年 先后开展了A B CD和F型 5 种用于油水别离用的液-液水力旋流器 LLHC 并 对它们的别离效率和内部流动情况进行了研究[6-10] 其中的F型水力旋流器已广泛 应用于石油工业油水混合物的处理中根本结构如图 1-1 所示根据其结构特点F 型水力旋流器又被称为双柱双锥型其工作原理为当待别离的液-液两相混合液 以一定的压力从水力旋流器上部周边切向入口进入旋流器后产生强烈的旋转运 动由于轻相和重相存在密度差而致使其所受的离心力向心浮力和流体曳力大小 不同大局部重相从旋流器底流口排出而大局部轻相那么由溢流口排除从而到达 2 。