稳流型气液旋流分离器的CFD模拟

2 内流场模拟结果
图 4 为经典的 C GL C 压力 、速度和气相浓度 分布云图 。由图 4 ( a ) 、图 4 ( b) 可以看出 , 经典 C GL C 的压力和速度分布非常紊乱 , 内部形成了较 多涡流 , 由图 4 ( c ) 的气相浓度分布云图可以看 出 , 气体的分离情况很不稳定 , 说明经典分离器的 结构有待改进 。
D ij =
i U′ j 5 μt 5 U′ 5 x k σk 5 xk
图 5 是带稳流盘的 C GL C 轴向截面压力 、速 度 、气相体积分布图 。稳流盘尺寸为 16 mm , 位 于底流口 50 mm 处 , 气液进口速度 15 m/ s , 水为 连续相 , 气体为分散相 , 含气量 10 % , 气体分子 大部分直径在 01 05 m 左右 。同时 , 气液进口截面 为长方形 , 气体出口管为圆柱形 。
[ 1 ] 寇杰 1 柱状气液旋流分离器的研究现状及应用前景 [J ]1 石油机
燃料 。80 年代初 , 水煤浆直接燃烧技术被日益重 视并迅速发展起来 , 到 80 年代中期 , 美国 、日本 、 加拿大 、瑞典 、意大利和前苏联等国家都普遍进入 了商业性水煤浆试用阶段 。但是水煤浆的热当量偏 低 、不易点燃 , 燃油锅炉使用水煤浆时还需对喷嘴 和锅炉进行较大的改造 , 因而它的推广与工业化应
11 3 基本假设与计算模型 11 31 1 基本假设
图1 经典 C GL C 结构示意图
为了建模需要 , 做出如下假设 : 边界认为是物 理意义上的光滑无粘壁 ; 流态为定常流 ; 分离器内 部流体流动中瞬时角动量守恒 ; 气体为球状 ; 分散 相均匀分布于连续相中 ; 分离过程中不存在传质 现象 。 11 31 2 计算模型 在柱坐标系下 , 将速度矢量分解为切向速度 vt 、 径向速度 v r 和轴向速度 v z , 当 Reynolds 应力与应 变率的本构方程满足 Bo ussinesq 假设时 , 其控制 方程为 : ( 1) 连续性方程 。 5 (ρ r vz) 5 (ρ r v r) ( 1) + 5z 5r ( 2) 动量方程 。 v z 方向动量方程
90 % , 大于入口处气相体积分数 10 % 。
在室内对带稳流盘的 C GL C 进行了实验测量 , 结果表明 , 在测量的横截面上切向速度沿着径向先 急剧增大后缓慢变小 ; 轴向速度沿着径向先减小后 增大 ; 预测的分离效率变化趋势与实测结果总体上 是一致的 。在相同的计算条件下 , 带稳流盘结构的 分离器在工作中压力损失及能量损失均有所降低 。
气液两相流采用混合模型 , 当颗粒相间拽力规
从图 5 可以看出 , 改进后的分离器的压力分布 有了明显的改善 , 从壁面到轴心处压力逐渐降低 , 并且压力分布也比较有规律 ; 在轴心处有明显的气 核存在 。该处液体体积分数很小 , 说明气体的携液 量很少 。 到分 离器 顶部 , 气相 的体积 分数 可达 到
S vt =
+ S vt (4)
1
r 5 r r -
5
r (μ θ θ) r +μ z
5 vt 5r
-
(μ + μ θ r ) vr 2 r
ρ v rv t
vt 5 (μ + μ θ r ) r 5 r
图4 经典 C GL C 轴向截面压力 、速度 、气相浓度分布云图
11 31 3 雷诺应力输运方程模型
+
律不明显 、颗粒相分布宽广均匀时 , 该模型能取得 很好的效果 。由于在分离器内流场中 , 因切向速度 分量远远大于径向和轴向速度分量 , 因此研究过程 中采用了 RN G 紊流模型 。 基于有限体积的方法 , 将控制方程转换为可以 用数值方法求解的代数方程 ; 方程离散过程中对流 项采用二阶迎风差分格式 , 扩散项采用中心差分格 式 ; 压力 - 速度耦合采用 SIM PL E 算法 , 压力插 值格式为 PR ES TO 格式 。
70 %的煤粉加入少量的添加剂混合而成的一种液态
用受到限制 。近年来 , 国内外悄然兴起了一种油煤 水三相混合燃料 , 它是一种由油 、细煤粉 、水和少 量添加剂 ( 分散剂和乳化剂) 混合后而形成的均匀 稳定的液态燃料 。初步研究表明 , 油煤水三相混合 燃料易点燃 、热当量高 、粘度低 。这种混合燃料可 克服水煤浆不易点燃和热当量低的缺点 , 能节省大 量的石油资源 , 因而具有广泛的应用前景 。
油气田地面工程第 28 卷第 5 期 ( 20091 5) 15
doi :101 3969/ j1 issn1 1006268961 20091 051 008
油煤水三相混合燃料的制备及性能分析
黄智博 张鹤 张帆
( 中国矿业大学 ( 北京) 化学与环境工程学院)
摘要 : 开发油煤水三相混合燃料技术不仅可以节省宝贵的石油资源 , 还可以解决石油和煤炭 运输及环境污染等问题 , 从而使这方面的研究具有更长远的意义 。介绍了油煤水三相混合燃料的 制备方法 , 分析了几种不同性质的分散剂和分散剂的不同用量以及不同煤含量对油煤水三相混合 燃料的性能影响 , 论述了油煤水三相混合燃料的粘度随煤含量和温度的变化关系 。 关键词 : 油煤水三相混合燃料 ; 分散剂 ; 成浆性 ; 粘度 油煤水三相混合燃料是一种高新技术产品 , 它 具有石油液态的流动性 , 可以部分甚至完全地代替 石油 , 在供电站 、工业锅炉与工业窑炉中作为燃料 使用 ; 精细油煤水三相混合燃料还有望代替柴油作 为内燃机的燃料 。在混合燃料发展的近百年中 , 最 先开发出的是油煤混合燃料 , 即重油和煤粉混合而 成的液体 , 它的热当量和灰分介于油和煤之间 。一 种油品与细煤粉加添加剂混合而成的油煤混合燃料 和另一种油品与超细煤粉 ( 典型的是平均粒度为 15 μm) 不加添加剂的油煤混合燃料 , 都已经进行 了工业化的试制和生产 。 20 世纪 70 年代末 , 国内外的科技人员在 “油 煤混合”原理的启发下 , 开始研究 “水煤混合技 术” , 很快就研制出了一种高浓度燃料 — — — 水煤浆 ( CWS 或 CWM ) , 水 煤 浆 是 用 约 30 % 的 水 和 约
压力应变项 ε 2 δ φ ρ U′ k ij ij = C1 i U′ j k 3 粘性耗散项
- C2 p ij -
2ρ δij 3
图5 带稳流盘的分离器轴向截面压力、 速度和气相浓度分布云图
2ρ ε ε δij ij = 3 其中 k 为湍动能 ;ε为湍能耗散率 ; δ ij 为 Krone2 cker 符号 , 这样就形成了封闭的雷诺应力方程组。
1 柱状气液旋流分离器的 CFD 模型
11 1 柱状气液旋流分离器结构介绍
图2 带稳流盘的 C GL C 计算模型网格
柱状气液旋流分离器 [ 1 ] ( 以下简称 C GL C) 的 结构 改 变 对 分 离 性 能 有 很 大 影 响 。比 较 经 典 的
C GL C 结构见图 1 。
图3 经典 C GL C 计算模型网格
械 ,2006 ,34 (4) :71 - 731
油气田地面工程第 28 卷第 5 期 ( 20091 5) 13
doi :101 3969/ j1 issn1 1006268961 20091 051 007
稳流型气液旋流分离器的 CFD 模拟
李枫1 曹仁子1 黄涛2
摘要 : 利用 CFD 方法 , 采用流体力学 FL U EN 分析软件对目前的柱状气液旋流分 离器 ( C GL C) 内部流场研究和分析 , 从而 进行计算仿真和结构优化设计 。通过模拟分 析 , 进行了结构改进 , 得到新型带稳流盘的 柱状旋流分离器合理的结构模型 。通过对气 体体积分数分布的对比分析 , 可以方便快捷 地预测 CFD 模型的分离性能 。 关键词 : 气液旋流分离器 ; CFD 仿真 ; 稳流盘 ; 分离性能
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油气田地面工程第 28 卷第 5 期 ( 20091 5)
ρ 5 ( ru z v z ) +ρ 5 ( ru r v z ) = 5z 5r 5 vz 5 μ +μ r( rz ) 5z 5z
S vz
5 vz 5 ( r μ +μ + S vz rz ) 5r 5r 5 p 5 ( μ μ μ ) 5 vz = + 2 zz + - rz + 5z 5z 5z
( 1. 大庆石油学院 ; 2. 大庆炼化公司) 11 2 C GL C 的网格划分 C GL C 的分离体为圆柱形 , 应用六面体单元对
主体流域进行非结构化网格划分 , 网格划分见图 2 、图 3 , 其中图 2 为带稳流盘的 C GL C 的计算模 型网格图 , 图 3 为经典 C GL C 的计算模型网格图 。
μ ) vr θ θ +μ 5 vr 5 p 2( 5 ( μ + rz +μ rz ) 2 5r 5x 5z r 2 ρ 5 vr vt 1 5 μ- μ r ( 3μ + rr + 2 rz ) r 5 r 5r r v t 方向动量方程
+
ρ 5 ( ru z v t ) +ρ 5 ( ru r v t ) = 5z 5r 5 vt 5 vt 5 5 ( μ+μ r( θ + r μ +μ θ r ) r ) 5z 5z 5r 5r
经量纲分析 , 整理后的雷诺应力方程的张量形 式为 5 ρ 5 ρ U′ + U k U′ = i U′ j i U′ j 5t 5 xk D ij + p ij + φ ij +ε ij
( 5)
方程中左端两项分别为应力随时间的变化率和 对流项 , 右端 p ij 为剪力产生项 , 可以忽略 , 其余 三项分别为 : 分子粘性扩散项
1
r 5 r
5
r (μ + μ rz )