旋流器底流分率的试验研究及数学模型.pdf

2 0 1 3年第4 1 卷第6期 流体机械 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 6 0 0 0 1 0 5 旋流器底流分率的试验研究及数学模型 李坤 李雪斌 安徽理工大学 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要 确定旋流器操作参数与结构参数的关系以及建立操作参数的数学模型对改善其分离性能是至关重要的 底 流分率能够准确体现其分离效率与分离效果 通过准确的试验数据在较大尺寸范围内研究其操作性能 重点考察了各 种结构尺寸 流量 压力降对底流分率的影响 拟合确立了旋流器底流分率的最终数学模型 为旋流器的设计 数值模拟 提供了准确而可靠的试验依据 关键词 旋流器 底流分率 操作性能 数学模型 中图分类号 T H1 2 T H1 3 8 8 T B 2 1 X 7 文献标识码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 6 0 0 1 Ex p e r i me n t a l S t u d y a n d Ma t h e ma t ica l M o d e l f o r t h e Un d e r fl o w Ra t io o f Cy clo n e s LI Kun L I Xu e b in A n h u i U n i v e r s i t y o f S ci e n ce a n d T e ch n o lo g y Hu a in a n 2 3 2 0 0 1 C h in a Ab s t r a ct F o r i mp mv i n g t h e s e p a r a t i o n p e r f o r ma n ce o f t h e cy cl o n e s i t i s e s s e n t i a l t o d e t e rm in e t h e ir r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e o p e r a t i n g p ara me t e rs a n d t h e s t r u ct u r a l p a r am e t e rs a n d e s t a b l i t h e ma t h e ma t i ca l mo d e 1 T h e u n d e r fl o w r a t i o ca l l a ccu r a t e ly r e fl e e t t h e s e p ara t io n e ffi ci e n cy a n d e f f e ct I n wi d e r an g e s t u d y i t s o p e r a t in g p e r f o r mance t h r o u g h a ccura t e e x p e ri me n t a l d a t a e m p h a s is O il t h e e ff e ct s of t h e v a r io u s s iz e s o f t h e s t r u ct u r e s fl o w p r e s s u r e d r o p f o r u n d e r f lo w r a t io T h e n e s t a b lis h a fi n i d ma t h e m a t ica l m o d e l of t h e u n d e r flo w r a t i o t h wu gh fit t i n g P r o v i d e a ccu r a t e a n d r e li able e x p e r im e n t al b a s i s f o r t h e cy clo n e s d e s i g n a n d n u me r ica l s i mu l a t i o n Ke y wo r d s cy clo n e s u n d e r flo w r a t io o p e r a t i n g p e rf o rm a n ce ma t h e ma t ical mo d e l 符 号 R 底流分率 卜溢流分率 正 旋流器长 D 溢流口直径 D 旋流器直径 进料口直径 D 底流口直径 0 旋流器锥角 L 溢流管插入深度 D 圆柱直径 进料 口与底流口压力差 A P 进料口与溢流口压力差 尸 D 压降比 肛 物料粘度 p 物料密度 Q 进 口流量 Q 溢流口流量 Q 底流口流量 1 前言 旋流器应用于化工环保 石油 选矿 食品制 药等行业 利用其中的旋流场产生超重力场 从 收稿 日期 2 0 1 2一l1 1 6修稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 7 基金项目 安徽省高等学校优秀青年人才基金重点资助项目 2 0 1 2 S Q R L 0 4 4 Z D 安徽理工大学校级重点学科流体机械资助项目 2 FI J UI D MACHI NERY Vo 1 41 No 6 2 01 3 而进行分离 传热或传质 不同结构形式的旋流 器有不同的操作性能 不同功能的旋流器的几何 结构有很大的差别 归纳起来 有 3种典型结构 的旋流器 L 卫 J 传统 的固液分离旋流器 油品脱水 型旋 流器 和 C o lm a n T h e w旋 流 器 油 污水 去油 型 不同的应用 场合 旋流器直径变化范 围一 般在 1 0 2 5 0 0 ra m之间 对应的处理能力为0 1 7 2 0 0 m h 压力降大概在 0 0 3 4 0 6 M P a 范围 内 而底流分率在 0 1 整个范围内都有 2 性能参数与试验装置及仪器简介 2 1 性 能参 数 旋流器的性能参数包括操作和功能两个方 面 操作性能主要有压力降 压力损失系数 和 流量分率 对 于一定结构 的旋流器 压力降主要 与流量 流速及流体 的密度 粘度有关 流量和密 度的增大都将造成压降的增加 j 流量分率是 旋流器的重要操作参数也是重要的性能参数 流量分率受旋流器的结构参数 操作参数和 物性参数 3方面 的影响 目前 比较不 同结 构旋流器的压降与流量的关系的研究还很少 而 溢流分率主要取决于溢流 口内经 不同的结构 壁 厚和插入深度 以及满足一定条件的处理量对旋流 器 的溢流分率影 响很小 J 影 响其大小 的因数 主要是压降比和排 口比 在一定的压 降比下 固 液型和脱水型旋流器的溢流分率较大 去油型旋 流器相反 底流分率较大 当排 口比一定时 溢流 分率随压降比的增大而增大 底流分率随压降比 的减小而减小 旋流器的能量损失主要包括物料由进料管进 入旋流器筒体因截面突然扩大引起的射流阻力 物料在旋流器内的离心力 引起 的压力损失 物料 粘性引起的内摩擦损失 物料与旋流器器壁之 间 的摩擦损失等 这些在宏观上主要表现为进 出料之间的压力降 压力降是旋流器的一个重要 操作性能 因此 压力降是设计 使用旋流器时必 须考虑的一个问题 压力降一般可表示为p m A P R s z P 1一R r A P 1 旋流器的流量分率可用底流分率 溢流分率 或分流比来表示 传统的固液分离旋流器通常用 底流分率来反映流量分率 定义为底流体积流量 与进料体积流量之 比 即 Q u 2 影响旋流器底流分率的因素可以分为结构参 数与操作参数 结 构参 数包括 D D D D L D D D 及 0 但 0对底流分率的影响可归 结为其他4 个结构因素对底流分率的影响 操作 参数有进口雷诺准数 廊 或进口流量 Q 与压降 比 P D R 2 2 试验装置及仪器 研究操作参数与结构参数之间的关系 并不 考虑其分离性能 可采用清水作为试验物料 旋流 器试验模型材料为黄铜 分离腔为锥形 入口形式 为切向人 口 人 口截面形状为矩形 如图 1 所示 图 1 旋流器结构示意 为了达到多个不同结构参数的多种不同组合 的目的 将旋流器做成组装式 主要有筒体 溢流 件 入 口件 3部分组成 如图 2所示 图 2 分离式旋流器试 验组件 液体通过外壳的物料进口进入分离器组件的 进料口 经旋流器后 从底流口和溢流口分别经排 放管排入料筒 入 口及各出口的流量和压力均可 通过节流阀调节 在试验中用到的主要仪器包括 进料流量测 定用 L Z B一2 5玻璃转子流量计 溢流 底流流量 测定使用 L Z S型转子流量计 其量程为 6 O 2 0 1 3 年第4 1 卷第 6 期 流体机械 3 6 0 0 L h 压力测定都使用 Y B 一 1 8 0精密压力表 其 量程 为 0 1 0 1 0 P a 旋流器组件结构参数如表 l 所示 表 1 组件结构参数 参数 I D 1 0 1 0 2 0 0 9 6 1 2 8 D 2 2 2 8 3 6 4 8 1 7 6 3 3 5 D 1 1 5 2 4 1 1 4 1 9 2 6 3 5 4 4 8 6 D 2 1 1 5 2 3 3 3 4 6 0 6 5 7 0 L 5 5 4 9 5 7 7 2 7 5 8 0 0 2 0 3 O 4 0 3 试验结果及分析 3 1 无因次进料口尺寸 D D 对底流分率尺 f 的 影响 试验 条 件 为 L 4 9 mm D 2 0 mm D 4 mm D 4 m m P D R 1 1 最终 得到底流分率 与尺寸比 D i D 的函数表达式为 n 一 0 1 9 9 9 c 3 1 c 式 3 和图3表明 无因次进料口尺寸 D i D 对底流分率有一定影响 随着 D D 的增加 而减小 在进料流量不变的情况下 无因次进料 口 尺寸 D D 的减小增加 了旋流器 内部的流动 使 旋流器顶端流通能力增加 导致底流分率增大 从试 验数据可 以看 出 D D 对旋流器底流分率 的影响并非像传统认为的那样小 而是有一定的 影响 了解这点对控制旋流器操作会有所帮助 图3 进料口尺寸 D D 对底流分率 研影响 3 2 无因次溢流口尺寸 D D 对底流分率 R r 的 影响 试验条件为 L 7 2 ra m D 2 0 m m D f 3 6 l l l l n D 4 m m P D R 0 8 4 5 从试验结果可以看 出 溢流口直径 D 0 对旋流器底流分率具有重要影 响 当D 0 从 O 1 5增加到O 3 3时 底流分率大约减小 了1 3 如图4所示 D D 与 的函数关系式为 C 2 4 底流分率随着溢流口直径的减小而增大 这 一 现象是显而易见的 由于溢流流通截面随着溢 流口直径的减小而减小 使得本来应该进入溢流 的流体由于流通面积不够而被迫成为溢流管外壁 的循环流 最终从底流口流出 使底流分率增大 图4 溢流口尺寸 D D 对底流分率 影响 3 3 无因次底流 口尺寸 D D 对底流分率 R 的 影响 试验条件为 L 7 2 ra m D c 2 0 m m D 3 6 m l n D 4 ra m P D R 0 8 1 3 8 在 P D R l 的情况 下 得出D 与 的函数关系式 图5 为 娴 5 0 0 2 D z 图 5 溢流 口尺寸 D D 对底流分率 影 响 在没有背压 P D R l 情况下 参照图3 可得 无 因次底流口直径 D D 与溢流 口直径 D D 对 底流分率的影响能归并为 D D 对底流分率的 影 响 的 结 论 其 数 学 表 达 式 为 o c D D 龉 这一点与前人所得到的结论是相符 合的 底流口直径的增大使底流流通面积增大 流通能力增强 减缓了底流口附近的拥挤情况 从 而使流体从外旋流进入内旋流的数量减小 最终 使底流分率增大 4 FI J UI D MACHI NERY Vo 1 41 No 6 2 01 3 3 4 无 因次锥段 长度尺 寸 L D 对底流分率 R 的影响 试验条件为 D 1 0 ra m D 3 3 5 m m D 4 m m D 4 m m P D R 0 6 2 5 9 从试验数据生成 的图表 图6 可 以看出 无 因次旋流器锥段长度 在某段范围内对底流分率的影响并不是很大 但 随着长度的进一步增加 底流分率将加速增加 原 因是随着长度的增加 在底流 口直径不变的情况 下 旋流器锥角将变小 这样使沿着壁面方向的分 力增加 流体向底流 口流动速度加快 这种情况 虽然导致底流口附近的拥挤 但总体上底流 口流 通能力还是增加的 所以旋流器的底流分率增加 底流分率 R 与 L D 的函数关系式为 r 0 1 8 1 5 C 11 l l 6 O 6 7 9 L D 图6 锥段长度尺寸 L D 对底流分率 影响 3 5 进 口雷诺准数 e 或进 口流量 Q 对底流 分率 尼 的影响 试验 条 件 为 L 8 0 m m D 1 0 m m D 3 3 5 m m D 3 5 m m D 2 mm 从试验数据可 以看出 底 流分率随着进 口雷诺准数的增加而减 小 如图 7所示底流分率和进 口雷诺准数 的函数 关系式为 C 1 2 R e 7 Re 图7 进口雷诺准数 对底流分率 碍影响 进13雷诺数的增加意味着旋流器内部的湍流 加强 而底流分率的变化意味着旋流器内外旋流 中流量分配的变化 底流分率 的减小说 明了随着 旋流器内部湍流的加强 流体将有更多的机会进 入内旋流 最终从溢流口流出 3 6 压 降比 P D R对底流分率 R 的影响 试验条 件 为 L 8 0 m m D 1 0 m m D 3 3 5 mm D 3 3 m m D 2 mm 从 图 8可以看 出 在试验中 底流分率随着压降比P D R的增加 而减小 O 0 0 7 5 1 5 PDR 图 8 压降比P D R对底流分率 影响 根据经验 底流分率 与压降 比 肋 的关 系呈指数关系 可以用函数式 R 口 6 胱 表示 式 中的 a与 b 对于某一特定的旋 流器来说 为常数 加 氏增大意味着在相同的P 与 P 的情况下 P 的增大就好似在底流13与溢流口之间附加了一个 驱动力 使更多的流体在锥顶进入内旋流 最终从 溢流口流出 各参数对底流分率的影响中最重要 的两个参数为无 因次溢流 口直径和底流 口直径 所以最有可能的是 8 对 0 6 胱 取对数 可得 n 专 一 胱 n 6 口 9 在试验条 件为 L 4 9 mm D 1 0 mm D 3 3 5 ram D 3 3 m m的情况下 对于不同的 D D 直线斜率 l n b 相同 说明 l n b 与 D D 无关 图9中底流分率与压降比的关系式为 R 2 4 6 1 4 e 扣 1 0 图 9 压降比P D R对底流分率 影响 2 0 1 3年第 4 l 卷第 6期 流体机械 5 在 试 验 条 件 为 L 8 0 mm D lO mm Di 3 3 5 m m D 2 ra m情况下 对于 D D 为 0 1 4 0 1 9 0 3 5的旋流器 直线斜率分别为0 2 9 0 9 0 7 9 9 4 3 0 4 8 2 图 1 0 回归后可得 b的表 达式 为 6 0 0 2 D 剖晚 1 1 得 到 口 o o 2 令式 1 0 与 1 2 中的 P D R都为 1 使式 1 0 中的底数 等于 自然 对数 e 则式 1 1 中的 0 0 0 2 拟合为 1 0 3 3 这样 底流分率 吩 和压降比 P D R的函数关系式可进一步表达为 吩 1 0 3 3 一 1 3 图 1 0 压降 比 P D R对底 流分 翠 影 响 3 7 底流分率 的最终数学模型 综合各因素对底流分率的影响 可得出旋流 器底流分率的数学模型为 c 洲 0 1582 3 3 一 1 4 试验 数 据 表 明 当 D D 0 3 3 D D 0 2 D D 0 3 3 5 L D 8 Re 2 5 6 98 7 PDR I 1时 0 1 3 4 6 代 入 式 1 4 得 C 3 0 0 31 旋流器底流分率的最终数学模型模型为 吩 3 删 哪 墙 0 1999 8 3 3 1 5 由表 1 可得部分参数的大致范围 L D 在 5 1 0之间 D D 在 2 3之间变化 4结语 确定 了旋流器操作参数与结构参数 的关系 最终得到了旋流器底流分率 的数学模型式 1 5 试验表明 D 对底流分率 R 有显著的影 响 D 对底流分率 R 也有很 大的影响 在有背压 的情况下压降比P D R对底流分率也有较显著的 影响 根据多个 关于旋流器的著作 1 3 1 0 1 3 本 论文采用了各参数之间用指数关系来拟合 由实 验结果可以看出 所研究的旋流器的类型不同 所 得到的结构参数对操作参数的影 响有很大的差异 具体 表现在 两者 的关 系式 中指 数差距很 大 为旋流器的设计 数值模拟提供了准确而可靠的 试验依据 参考文献 1 袁惠新 分离工程 M 北京 化学工业 出版社 2 0 0 2 1 4 3 1 4 8 2 赵庆国 张明贤 水力旋流器分离技术 M 北京 化学工业出版社 2 0 0 3 1 8 2 0 3 褚良银 陈文梅 旋转流分离理论 M 北京 冶金 工业 出版社 2 0 0 2 1 5 4 1 5 5 4 A k b a r S h a k i b a s E b r a h i m i R S h a m s M E x p e r i m e n t a l I n v e s t ig a t io n o f P r e s s u r e D r o p T h r o u g h C e r a mic F o am s An Emp iri ca l Mo d e l f o r Ho t a n d C o l d F l o w J J o u r n al o f F l u i d s E n g in e e r i n g 2 0 1 1 1 3 3 l lO 5 史仕荧 邓晓辉 吴应湘 等 操作参数对柱形旋流器 油水分离性能的影响 J 石油机械 2 0 1 1 7 4 7 6 邓雄 梁政 田家林 等 操作参数对液液旋流器内 部流场及分离性能的影响分析 J 长江大学学报 自然科学版 2 0 0 8 5 3 4 0 7 袁惠新 于晓辉 旋流器中最佳操作参数 的研究 J 矿山机械 2 0 1 0 3 8 3 9 5 9 7 8 杨振东 袁惠新 溢流口结构对旋流器溢流分率影 响的实验研究 J 矿山机械 2 0 0 9 1 3 8 6 8 9 9 王超 袁守谦 张兵 新型节流装置的实验研究 J 仪表技术与传感器 2 0 0 9 4 8 3 8 5 1 0 徐继润 罗茜 水力旋流器流场理沦 M 北京 科 学出版社 1 9 9 8 6 2 6 3 1 1 刘雪梅 钱才富 移动式容器中液体的晃动及其影 响的研究 J 压力容器 2 0 1 1 2 8 8 2 2 2 8 1 2 赵立新 韩丽梅 郑国兴 等 同向出流倒锥式旋流器 的结构模拟分析 J 流体机械 2 0 1 3 4 1 2 1 9 2 4 下转第 3 2页 32 FL UI D MACHI NERY Vo 1 41 No 6 2 01 3 3 性能 比较 表3 为上述 3 种叶轮计算得到的外特性参数 表 由表 3可以看出 模 型 2叶轮 的压 比和多变 效率最高 模型 3叶轮的压比和多变效率最低 由此可以看出 对于给定不同分布情况的 r G 值 所得到叶轮型线及性能参数的也将不同 表3 3种不同型线叶轮性能比较 叶轮编号 模型 1 模型2 模型3 涡分布 双调和 幂指数 幂指数 给定方法 函数给定 函数给定 函数给定 进 口流量 k g s 1 5 3 4 8 1 5 3 4 8 1 5 3 4 8 设计压 比 2 5 9 2 5 9 2 5 9 进 口总压 k P a 3 6 1 9 5 3 6 1 9 5 3 6 1 9 5 出口温度 K 2 7 9 1 5 2 7 9 1 5 2 7 9 1 5 多变效率 9 0 8 5 9 1 0 7 8 9 7 1 计算压比 2 3 2 1 2 3 3 8 2 2 4 5 4结论 1 利用流线曲率法的气动设计方法是一种 有效的工程设计方法 通过给定不 同可控 涡 r C 的分布 从而得到压缩机的叶片型线 2 可控涡 r c 分布给定的不同 所得到的叶 轮叶片型线也将不同 其叶轮流动情况也不相同 采用流线曲率法反命题设计离心压缩机的关键就 在于如何选择合理的 r C 分布 合理的 r C 分布 可以得到高效的叶轮 3 双调和函数法和幂指数 函数法给定子午 面可控涡分布均具有可行性 4 在 叶片设计过程 中 可 以根据不 同的设 计要求 灵活给定不同的 r c 分布函数 从而得到 不同的叶片型线 选择最优值 参考文献 1 C h u n g H u a W u A g e n e r a l t h e o r y o f t h r e e d i m e n s i o n a l fl o w in s u b s o n ic a n d s u p e r s o n ic t u r b o ma ch in e s o f a x i a l r a d i al a n d m ix e d flo w t y p e s J N A C A 1 9 5 2 2 6 0 4 1 1 9 3 2 苗永淼 王尚锦 径 混流式三元叶轮 全可控涡 设 计理论和方法 J 工程热物理学报 1 9 8 1 2 1 5 7 1 5 9 3 李超 张瑞成 可控涡 法设计离心叶轮的应用研 究 J 动力工程 2 0 0 3 2 3 6 2 8 4 5 2 8 4 9 4 张莉 一种 全可控涡 三元叶轮设计叶片涡的给定 方法 J 流体机械 2 0 0 0 2 8 3 1 4 1 7 5 朱李祯 郭涛 离心压缩机 M 西安 西安交通大 学 出版社 1 9 8 9 6 贺利生 刘宝军 雷明洋 叶顶间隙形态对离心压缩 机整级气动性能 的影响 J 流体机械 2 0 1 1 3 9 5 2 7 3 2 7 胡胜波 苏莫明 不同湍流模型在离心压缩机叶轮 内流场数值模拟 中的 比较研究 J 流体机械 2 0 1 0 3 8 8 2 9 3 3 8 刘天一 王锐 谭佳健 等 改变进气通道结构提高 离心压缩机进 口导 叶调节性能 J 流体机械 2 0 1 1 3 9 8 2 8 3 2 9 Z a n g e n e h M T a k e m u r a T S u p p r e s s i o n o f s e co n d a r y fl o w i n a mix e d fl o w p u mp i mp e l l e r b y a p p l ica t i o n o f t h r e e d ime n t io n al in v e r s e d e s ig n me t h o d P a r t 1 d e s ig n a n d n u m e rica l v al i d a t i o n J A S ME J o u r n al o f T u r b o m a ch