固-液微型水力旋流器的实验研究与数值模拟

采用正交试验和计算流体力学(CFD)的方法,对固-液微型水力旋流器进行了初步研究。实验采用的微米级固体颗粒分别为1250目和2500目的滑石粉颗粒。首先通过正交试验研究了微型旋流器处理量和进料浓度对两种粒径的滑石粉溶液的分离效率的影响,得到较优的分离操作条件。然后利用CFD的方法对微型水力旋流器的内部流场进行数值模拟,湍流相采用雷诺应力(RSM)模型,再加入离散颗粒进一步模拟微型水力旋流器内颗粒运动,其中离散相采用离散相(DPM)模型。最终得到水力旋流器的流场的压力和速度分布云图及固体颗粒运动轨迹,为进一步优化微型水力旋流器的结构参数提供了参考。     

旋流器磨损研究进展

介绍了旋流器磨损方面的研究进展,包括利用数值模拟、现场及实验室试验对水力旋流器壁面磨损位置、影响磨损的关键部位的结构参数和操作参数,以及为提高旋流器使用寿命对内衬材料和自身结构进行的改进,并对减缓旋流器壁面磨损的发展趋势作了简要分析。研究表明：旋流器不同位置的磨损率不同,可根据该情况设置耐磨层,在旋流器易磨损部位采用耐冲击磨损较佳的内衬材料,通过材料的差异化提高旋流器耐磨性能或者在旋流器靠近壁面位置引入其它结构而改变该区域流体流动情况,减缓旋流器壁面磨损。随着人们对旋流器壁面磨损的不断开发,其在石油、化工等行业得到了越来越广泛的应用,减缓旋流器壁面磨损,提高其耐磨性能,对工程应用具有实用意义。     

水力旋流器内油水两相流的数值模拟

油水分离旋流器是一种利用油水两相液体之间的密度差,通过离心力的作用将分散相从连续相中分离出来的设备。影响旋流器分离效率的结构参数和操作参数很多,如果完全通过实验来优化这些参数,其工作量是非常大的。利用计算流体动力学CFD程序对旋流器油水两相流场进行数值模拟分析,得到了旋流器内部流场的速度分布特性,为其结构筛选和尺寸优化提供了依据,同时可减少实验工作量。     

水力旋流器研究现状及其在煤化工废水处理中的应用前景

水力旋流器是利用离心力场进行两相流体分离的设备,具有体积小、效率高、结构简单和安装便捷等特点,广泛应用于化工、石油及地下开采等工业领域。本工作主要介绍了旋流器的工作原理、理论研究和应用现状,从数值模拟、旋流器的结构参数、操作参数和物性参数及应用技术拓展等方面综述了水力旋流器的研究现状,并针对煤化工废水水质高乳化、高分散和高粘度等特点,综合分析了水力旋流器在煤化工废水预处理中的应用前景。旋流器模拟与实验相结合为目前研究的主要方向,深度分析了旋流器内两相流的运动状态,为旋流器结构改良提供理论依据,推动旋流器快速发展。旋流器结构改良设计和操作参数的优化均有一定局限性,油水物性是影响油水分离的决定性因素。因此,前期对含油废水进行预处理极为重要,可采用破乳剂或絮凝剂、超声或微波等方法改善含油废水的物性,对含油废水物性的研究和改善并结合数值模拟的应用将是未来提高水力旋流器分离效率的发展方向,旋流器在煤化工废水除油脱焦粉工艺中有很好的经济效益和广阔的应用前景。     

水力旋流器湍流场数值模拟

<正> 引言 水力旋流器作为一种简便、易行和高效率的分离、分级和离心沉降设备,已被广泛应用于化工、冶金、石油等众多工业领域中.以往的水力旋流器设计主要是根据大量物理模型试验得出的经验准数方程来求出旋流器的几何结构参数和操作参数.然而,随着水力旋流器应用范围的迅速扩大和人们对其分离(级)性能指标的要求日益提高,传统的按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,以及物模试验的耗时费钱,已促使人们开始采用数值模拟的方法,通过对旋流器内部流体运动的深入研究,弄清旋流器的分离机理,以便为提高水力旋流器的分离效率和分级准确度予以理论指导.本文采用了适于水力旋流器液相(水)流场的K-ε湍流数学模型,对水力旋流器内的湍流运动规律进行了数值模拟并根据激光实测结果对部分模型常数进行了修正.     

水力旋流器流场特征和分级分离性能研究综述

水力旋流器利用颗粒-颗粒或颗粒-流体在旋流流场中运动行为差异实现分级分离过程,被广泛地应用于化工、冶金、矿物加工和环保等行业。在实际运行中,由于操作条件不合理或设备结构条件限制,使颗粒分级或固液分离性能无法满足应用需求,本文分析了水力旋流器的流场特征,并总结了影响旋流器分离性能的关键因素。水力旋流器内部呈现复杂的多相流场,颗粒性质、料液性质、进料条件等操作参数和旋流器的几何结构会影响水力旋流器的分离性能,实际应用中可以通过优化运行条件和旋流器的几何结构,提高旋流器的分级分离性能。     

水力旋流器分离过程的 Monte Carlo 模拟

根据颗粒在水力旋流器中的运动特点，提出了颗粒运动状态的交换构成三角马尔可夫链的观点，建立了水力旋流器分离过程的随机数学模型，并利用ＭｏｎｔｅＣａｒ┐ｌｏ方法进行了数值模拟，模拟程序中采用变参数设计，在输入一定的结构和工艺参数下，由计算机自动生成水力旋流器分离过程的级效率曲线，并给出总效率值；并计算了在不同容量下的模拟精度，结果表明样本容量越大，模拟精度越高     

基于雷诺应力模型的脱油旋流器流场特性研究

采用雷诺应力模型(RSM)对油水分离用水力旋流器进行了数值模拟,模拟出了循环流和短路流现象,得到了内部流场的轴向速度、径向速度和切向速度的分布规律;模拟结果与实验结果吻合较好,说明该湍流模型和计算方法的选取是正确的;另外,针对油相体积分数为2%,油滴粒径为40μm的混合介质进行分析,得出了油水二相的体积分数分布。在旋流器的轴心处油相体积分数最大,最大处混合介质中含油体积分数高达98.9%;在壁面附近体积分数很小,说明该水力旋流器的分离效果较好。通过数值模拟为进一步研究水力旋流器内部流场的分布和结构优化设计奠定了基础。     

水力旋流器对海底天然气水合物混合浆体分离提纯

针对我国水合物海底分离部分的技术空缺,对国内外现有的海底分离技术进行分析总结,并结合海底深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术,设计了一种适合于天然气水合物海底预分离的工艺,并利用水力旋流器对水合物浆体进行分离。建立水力旋流器的力学模型,基于雷诺应力模型研究了一种适合固-固-液三相流的流场模拟分析方法,并通过数值模拟得到了旋流器内部流场的相应参数,证实水力旋流器对海底水合物分离的可行性与可靠性。通过改变混合浆体中颗粒粒径、进给速度、进给混合浆体中泥砂体积分数以及水力旋流器的锥角,分析水力旋流器分离效率的影响规律,得到了在颗粒粒径为10~90μm的工况下,最优的分离效率的粒径为50~70μm;进给速度为7 m/s左右,泥砂体积分数为25%左右。     

导向叶片对导叶式旋流器内流场的影响

借助Fluent软件,采用雷诺应力模型对导叶式水力旋流器进行了数值模拟,得到了内部流场的轴向速度、切相速度和径向速度的分布规律,对比不同结构参数的导向叶片对旋流器内速度场的影响。通过分析,导叶式旋流器的叶片有最适宜的角度,它可减小湍流脉动,增加旋流器分离的稳定性。     

环缝内衬固液分离耐磨旋流器磨损的数值模拟

旋流器由于结构简单、安装方便、操作便捷等优点,被广泛应用于各个工业领域。从旋流器使用以来,磨损问题就一直受到人们的极大关注,虽然在耐磨材料方面进行了大量研究,但事实表明,旋流器磨损问题仍然存在。为了提高固液分离旋流器的耐磨性,延长旋流器的使用寿命,本文提出一种环缝内衬固液分离耐磨旋流器。基于计算流体力学(CFD)方法,应用ANSYS软件中雷诺应力模型和离散相模型,对其磨损进行了模拟研究,并与普通固液分离旋流器进行对比分析,最后对模拟准确性进行实验验证。结果表明:旋流器磨损最严重的位置位于壁面入口处、圆锥体与圆柱筒体交界处及底流口附近。对于环缝内衬旋流器,由于环缝的存在,大幅度降低了旋流器壁面的磨损。另外,因为较大固体颗粒穿过环缝进入到环缝内衬和器壁的空间中,使靠近内衬的浆体浓度降低,从而也降低了环缝内衬的磨损,这一结果体现出环缝内衬旋流器的重要工程实用意义。     

新型α旋流器流场模拟与实验研究

根据集成膜法海水软化技术对海水超滤前分离粒度及效率的要求,开发出了内置导流板和曲线长锥体的新型α旋流器,并对其流场特性进行了数值模拟和实验研究.以CFD模拟软件Fluent 6.2提供的雷诺应力模型(RSM)为基础,分析了速度矢量、切向速度、轴向速度等参数的分布规律,研究了内部导流板和曲线长锥体结构对其分离性能的影响.按照模拟优化结果,加工了相同的尺寸常规旋流器和新型α旋流器,以水-细砂为实验物系对两旋流器的分离性能做了对比实验.模拟和实验结果表明:与常规旋流器相比,新型α旋流器以内构件对流体进行导流和整流后,不仅流场稳定,而且能耗小、压降低.在相同操作条件下,对于小粒径颗粒的分级效率新型α旋流器优于常规旋流器,对于5μm粒径的颗粒其分离效率达到90%;当分流比为0.87时,其分割粒径d50为1.3μm.     

固相颗粒在旋流场形成过程中的运动分析

通过CFD-DEM耦合计算方法模拟不同粒径颗粒在FX-50水力旋流器内的运动行为,分析旋流器内旋流分离场的形成过程,连续相的运动采用求解平均化的Navier-Stokes方程得到,离散相的运动通过离散元法计算。采用欧拉-拉格朗日方法,通过Freestream曳力模型传递相间数据,分析了流体的速度场、压力场,颗粒群的速度、受力、颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触作用力。结果表明,当循环流与入口流汇合时,颗粒速度损失较大;当旋流场稳定后,60μm粒径颗粒群在旋流器锥段的堆积最严重,分离速度较70μm、80μm颗粒低;颗粒平均速度的变化为先减小再增大,直到以后的稳定变化。旋流场未稳定时颗粒在竖直方向的运移速度大于旋流场稳定后竖直方向的运移速度,80μm颗粒竖直方向平均速度始终大于60μm和70μm。颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触过程中,颗粒的受力以法向方向为主,当颗粒与壁面接触时,所受合力最大;由于流动前期颗粒在旋流器内运动轨迹不稳定,颗粒随机碰撞明显,导致颗粒平均接触力波动较大,当旋流场达到稳定状态以后,数值改变很小。     

不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

基于计算流体力学(CFD)软件Fluent中的颗粒随机轨道模型(DPM),对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行数值模拟的比较,结果表明:单入口式固液分离旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°~210°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和190°,底流口附近壁面最大磨损在周向方向180°的底流口上方1~2mm位置;双入口式旋流器的壁面磨损呈对称分布,最大磨损在底流口位置,顶板壁面最大磨损在两个入口区域,顶板外层最大磨损位于方位角80°~110°和260°~290°,环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和300°;相同条件下,双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损;而对于底流口附近的壁面磨损,双入口式固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损略大。     

旋风分离器锥体局部磨损对内流场及性能的影响

为了探究局部磨损对旋风分离器性能的影响,采用Oka磨损方程以及计算流体动力学(CFD)对旋风分离器壁面磨损以及内流场特性进行数值模拟,考察旋风分离器内流场等参数随磨损厚度增大的变化规律。结果表明,旋风分离器壁在锥体底部排尘口附近壁面局部磨损严重,形成螺旋形冲蚀磨损带。磨损引起设备几何结构的改变会导致切向速度降低,颗粒所受离心力降低,锥体内局部涡强度及影响范围增大,涡核旋进(PVC)的影响加大,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。与未磨损时相比,当局部磨损厚度为20 mm时,粒径为4μm的颗粒分离效率由100%降低至93%,分割粒径由1.3增大至1.9μm,设备压降降低了约40%。研究工作对保障旋风分离器的长期安全稳定运行具有重要理论指导意义。     

倒锥注气强化井下油水分离水力旋流器性能研究

为了进一步提高井下油水分离水力旋流器的分离性能,提出一种倒锥注气式井下油水分离水力旋流器结构,开展倒锥注气对油水分离性能影响研究。利用数值模拟和实验研究相结合的方法,对不同注气量、含油浓度、分流比、入口流量等操作参数下的流场分布特性和油水分离效率进行分析。结果表明,随着注气量的增加,分离效率呈现先升高后降低的趋势,当注气量为2.034 m³/d时,分离效率达到最大值98.52%;当水力旋流器的入口含油浓度为0.75%、分流比为40%、入口流量为5.4 m³/h时,可获得水力旋流器的最佳分离效率为99.51%,较注气前提高了1.11%。针对注气后的井下油水分离水力旋流器开展室内分离性能实验研究,数值模拟和实验结果呈现相同的变化趋势,验证了倒锥注气强化分离性能的可行性及数值模拟结果的准确性。     

旋流分离器液固分离数值模拟研究

旋流分离器被发明至今已有一百多年,是一种古老而现代的多相流分离技术。被广泛用于各个行业。水力旋流器的内部进行着复杂的两相流运动,是液相以及固体颗粒相分离的一个过程,而固体颗粒的在旋流器内部的运动,很大程度上由液相的运动所决定。本文通过采用CFD软件FLUENT对旋流分离器进行模拟研究,液体的连续相采用RNG K-ε模型,固体离散相采用DPM模型,通过数值分析可以得到旋流器内部流场的情况,探究进口速度以及颗粒大小对分离效率的影响。     

大锥段注气对液-液水力旋流器分离性能的影响

针对油田含聚污水处理难度大的问题,利用CFD和多孔介质模型建立了旋流器内部流体的计算模型,数值模拟分析了大锥段注气旋流器内多相流体速度场和压力场的分布规律,结果表明:大锥段注气后,在旋流区和大锥段区的径向速度和流向溢流口的轴向速度明显提高,分离性能有所改善;产生的气浮选效应使混合液的分离难度降低,压力降减小,节约了能源。提出旋流器流场分界区的概念,研究表明在分界区注气能更好地改善分离效果,分界区的位置取决于旋流器的结构参数和操作参数。     

水力旋流器内固体颗粒径向运动规律的研究

本文采用二维激光多普勒测速仪,对水力旋流器内悬浮液中颗粒的径向进行了实测研究,得到实验条件下颗粒径向速度准数与操作参数间的一组准数方程。论证了径向速度与旋流器锥段、底部直流的关系和径向速度的方向。根据实验结果,可以评价颗粒分离行为的好坏,可以预测旋流器的分离效率,有助于旋流器结构参数的优化设计。     

溢流循环水力旋流器流场特性的数值分析

针对旋流器在运行过程中所产生的短路流、循环流以及分离效率低等现象,提出了一种溢流循环水力旋流器。依据计算流体力学,应用FLUENT软件对其进行了数值模拟,并与现有的双锥水力旋流器进行对比分析,研究了介质条件及操作参数对该旋流器的流场以及分离性能的影响。研究结果表明:溢流循环结构能够改善水力旋流器内部的短路流以及循环流现象,保持原有流场的稳定,还能有效地提高内侧溢流口轻质相体积分数,降低底流口轻质相体积分数,最终实现油水两相高效分离。