油气分离器内油滴运动轨迹的数值模拟_图文

1、第40卷第7期2006年7月西安交通大学学报J OU RNAL O F XIAN J IAO TON G U N IV ERSIT YVol.407J ul.2006油气分离器内油滴运动轨迹的数值模拟冯健美1,畅云峰1,屈宗长1,姚建国2(11西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;21西安四星动力工程有限公司,710043,西安摘要:在不考虑相间相互作用的条件下,气相采用RN G k(重整化群湍流模型,油滴相采用随机轨道模型,对油气分离器一次油分内的油气两相流动进行了数值模拟,揭示了油气分离器内的流动分布和油滴的运动轨迹及分离机理.计算结果表明:一次油分内的速度场分布不均匀,而且

2、靠近挡板底面附近的气流速度很小,这样易使进入二次油分滤芯前较小的油滴分离;另外,不同粒径的油滴其运动轨迹差别很大,很明显,粒径大的油滴较容易分离;油滴入射的初始位置不同,其分离速度的差别较大,运动轨迹也明显不同.关键词:随机轨道模型;油气分离器;数值模拟中图分类号:TB652文献标识码:A文章编号:0253987X(200607077105 Numerical Simulation of Oil Droplets T races in Oil2G as SeparatorFeng Jianmei1,Chang Yunfeng1,Qu Zongchang1,Yao Jianguo2(1.Scho

3、ol of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xian710049,China;2.Xian Sixing Power Engineering Corporation Ltd.,Xian710043,ChinaAbstract:The t races of oil droplet s and t he flow field in a separator during first separation process were analysed using t he numerical simulation met hod

4、.The RN G kt urbulence model and discrete random walk model were employed in t he simulation.The result s indicate t hat t he flow field in t he separator is non2uniform.And t he lower gas flow velocity near t he bottom of baffle is helpf ul for t he separation of small diameter oil droplet entering

5、 t he filter.Moreover,t he t races of different diameter oil droplet s are significantly different.Obviously,large diameter oil droplet s are easier to be t rapped.In addition,oil droplet residence time and trajectory of oil drop2 let are greatly influenced by t he initial injecting po sition.K eyw

6、ords:discrete random walk model;oil2gas separator;numerical simulation在喷油压缩机的诸多性能评价指标中,油气分离器的分离效率是非常关键的一个指标.在工程上油气分离通常采用两级分离,先通过一次油分进行粗分,然后再将剩余的低浓度油气混合物用多孔滤网过滤分离出来.一次油分的效率越高,进入二次油分的油量就越少,油分滤芯的负担就越轻,其分离效率也就越高.很显然,油气分离器一次分离效率的高低对分离器总的分离效率有着至关重要的影响.分离器结构形式多种多样,目前尚未形成统一的设计标准,设计或选型主要依靠经验数据,具有较强的主观性,往往达不到

7、最佳分离效果.要提高油气分离器的分离效率,改进结构和优化尺寸,必须深入研究油气分离器一次油分内的湍流流场及油滴运动规律.目前,针对喷油压缩机油气分离器内流动分布的研究和报道尚很少12.本文采用CFD数值模拟方法对油气两相流在一次油分内的流动分布进行详细研究,分析油滴在分离器内的运动轨迹及分离机理,为油气分离器的制造和设计提供依据.1气相控制方程油气分离器内的流动既有弯管流动,又有冲击射流,并且流场带有明显的旋转,因此对油气分离器收稿日期:20051019.作者简介:冯健美(1976,女,讲师.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50476053.内的湍流流动采用RN G k湍流模型3计算.油气

8、混合物中油滴相的体积是按照压缩机排气温度的要求,根据热平衡方程计算得出的.由计算可知油滴相的体积分数一般均小于10%,因此将油滴相当作稀相处理是合理的.油气两相流动的计算采用以下分相流模型:连续性方程5t+5x i(u i=0(i=1,2,3(1动量方程55t(u i+55x j(u i u j=-5p5x i+55x j5u i5x j+5u j5x i-23ij5u l5x l+55x j(-ui uj+g i+F i(i=1,2,3(2方程(1和方程(2为雷诺平均NavierStokes 方程,它与瞬态雷诺方程有相同的形式,式中雷诺应力-ui uj=t 5u i5x j+5u j5x i

9、-2 3k+t5u i5x ii,j(i,j=1,2,3(3湍流动能k方程55t(k+55x j(k u j=55x j+tk5k5x j+ G k+G b-Y M+S k(4湍动能耗散方程55t(+55x j(u j=55x j+t55x j+C1S-C22k+(1/2+C1kC3G b+S k(5气相动量方程(式(2中的源项F i是气相与油滴发生的动量交换,其值如下所示F i=18C D Re p24D2p(u p,i-u im p(6式中的求和是对控制容积中所有油滴流进行的;m p 是油滴相的质量流率.2随机轨道模型为了追踪油滴在一次分离器内的轴向、径向和切向运动,本文采用随机轨道模型4

10、,即将油滴所受阻力分为时均流场阻力和脉动流场阻力两部分,也就是在油滴动量方程中分别以流场的时均速度分量和脉动速度分量代替瞬时速度分量.考虑到油气分离器内油滴相的体积分数通常小于10%,可以忽略油滴之间的相互作用.由于油相的表面张力较大,油滴的形状可以等效为球形.此外,对虚拟质量力、Basset力和Magnus力5也暂不考虑.这样,本文对油气分离器内油滴轨迹的计算考虑了重力、惯性力、黏性阻力、湍流扩散力和Saff man升力6.油滴的轨迹是通过积分拉氏坐标系下的油滴作用力微分方程求解得出的.油滴的作用力平衡方程(油滴惯性力为作用在油滴上的各种力在笛卡尔坐标系下的形式为d u p id t=F D

11、(u i-u p i+g i(p-p+F s i(i=1,2,3(7 F D(u-u p为油滴的单位质量曳力,其中F D=18p d2pC D Re24式中:u为流体相速度;u p为油滴速度;为流体动力黏度;为流体密度;p为油滴密度;d p为油滴直径;Re为相对雷诺数(油滴雷诺数,其定义为Red p|u p-u|Saff man升力的表达式为F s i=2Kv1/2d ijp d p(d lk d l1/4(u i-u p i式中:K=21594;d ij是流体变形速率张量.湍流扩散力对油滴轨迹的影响采用湍流随机轨道模型来加以模拟.在随机轨道模型中,沿着油滴轨道积分计算,油滴轨迹方程中的流体速

12、度为瞬时速度 u+u(t,这样就可以考虑油滴的湍流扩散.对油滴动量方程进行积分,即可得到以下油滴的运动轨迹方程x p=u p d t;y p=v p d t;z p=w p d t(8 3气相与油滴相边界条件气相边界条件为:进口给定速度边界;出口为压力边界;壁面采用无滑移边界条件,壁面附近湍流模型采用壁面函数法,壁面的压力梯度为0.油滴相边界条件如下所述.(1油气分离器入口为油滴入射面,假定油滴在这个面上进入油气分离器,同时将这个面设置为逃逸边界条件,即油滴如果因回流到达这个面,则认为油滴将脱离这个边界面,不再返回计算域.(2油气分离器出口设为逃逸边界条件.(3油气分离器内壁设为捕捉边界,即油

13、滴到达277西安交通大学学报第40卷壁面后将被壁面捕捉.4数值计算分析本文针对一种喷油螺杆空气压缩机用立式油分离器进行计算分析.油气混和物从分离器上部切向进入,经过一次粗分和二次过滤,洁净的气体从顶部排出.气相控制方程组的求解采用有限差分的SIM 2PL E 算法,油滴轨迹的计算采用拉格朗日法进行积分求解,对油气分离器内的气相流场分布及不同粒径油滴的运动轨迹进行了计算,以进一步设计一次油分的结构,使尽可能多的或尽可能大范围粒径的 油滴能通过一次油分分离出来.计算采用的物理模型及网格如图1所示.需要指出的是,计算物理模型中的油分离器底面为实际油分离器中的油面位置.文中给出的油滴轨迹图中所示的油滴

14、入射位置分 别为A 点(-16818mm ,-25010mm ,45410mm 、B 点(-15215 mm ,-25010mm ,47010mm 和C 点(-13618mm ,-25010mm ,48513mm .从图2、图3可以看出,分离器一次油分内的速度分布是不均匀的,进口附近气流的旋转比较剧烈,靠近挡板底面附近的气流速度很小,这样易使进入二次油分滤芯前较小的油滴分离.(a 剖面(b 网格图1物理模型及其网格划分(a z =470mm (b z =350mm (c z =220mm图2油分离器内z 方向不同截面上的气相流场分布(a x =0(b y =0图3油分离器内x =0和y =0截

15、面上的气相流场分布377第7期冯健美,等:油气分离器内油滴运动轨迹的数值模拟从图4图7中可以看出:不同粒径的油滴运动轨迹差别很大,很明显,粒径大的油滴较容易分离;油滴入射的初始位置不同,其分离速度的差别较大,运动轨迹也明显不同 .(a 从C 点入射的油滴轨迹(b 从B 点入射的油滴轨迹(c 从A 点入射的油滴轨迹图4粒径为1m 的油滴轨迹分布(a 从C 点入射的油滴轨迹(b 从B 点入射的油滴轨迹(c 从A 点入射的油滴轨迹图5粒径为5m 的油滴轨迹分布(a 从C 点入射的油滴轨迹(b 从B 点入射的油滴轨迹(c 从A 点入射的油滴轨迹图6粒径为10m 的油滴轨迹分布(a 从C 点入射的油滴轨

16、迹(b 从B 点入射的油滴轨迹(c 从A 点入射的油滴轨迹图7粒径为50m 的油滴轨迹分布477西安交通大学学报第40卷5结束语本文对油气分离器内的气相采用RN G湍流模型,油相采用随机轨道模型,在不考虑相间相互作用的条件下,模拟了不同粒径的油滴从不同初始位置入射的运动轨迹分布.计算结果表明:一次油分的速度场分布不均匀,靠近挡板底面附近的气流速度很小,易使进入二次油分滤芯前较小的油滴分离;不同粒径的油滴运动轨迹差别很大,粒径大的油滴较易分离;油滴入射的初始位置不同,其分离速度差别比较大,运动轨迹也明显不同.有关计算结果虽然在定量方面尚存在不足,还需大量的实验研究进一步验证,但有助于揭示油滴在油

17、分离器内的分离机理.此外,本计算结果还表明,将数值计算这一现代科学研究方法应用于油气分离器的分离机理研究是可行的、有效的,对揭示油气分离机理,优化油气分离器的结构具有着重要的意义.参考文献:1Cheng G ang,Yan Liyung,Zhou Hua.The oil vesselstructure optimization by the use of CFD in the oil in2 jection twin2screw compressorCInternationalCompressor Engineering Conference at Purdue.Pur2 due,U.S.A.

18、:Purdue University,2004:17.2Eastwick C,Hibberd S,Simmons K.Using CFD toimprove aero2engine air/oil separator designJ.A2 merican Society of Mechanical Engineers:PressureVessels and Piping Division(PublicationPV P,2002,448(1:215220.3陶文铨.数值传热学M.2版.西安:安交通大学出版社,2001.4陆耀军,周力行,沈熊.油滴在液液旋流分离中的随机轨道数值模拟J.力学学报,

19、1999,31(5:513520.5岑可法.气固分离理论及技术M.杭州:浙江大学出版社,1999.6Saff man P G.The lift on a small sphere in a slowshear flowJ.J Fluid Mech,1965,22:385400.(编辑王焕雪(上接第747页NO x降低5%,中高负荷时HC排放增加.(2乙醇汽油发动机排气中的未燃甲醇和乙醇的排放均随转速和负荷增加而增加,但燃料中乙醇含量对醛排放的影响不大.(3乙醇汽油发动机的甲醛乙醛排放随发动机的负荷与乙醇含量增加而增加,其中高负荷时E20的乙醛排放比E10增加大约1倍.(4经三效催化器转化,乙醇汽油发动机常规排放可以达到与汽油机同等的水平,同时大部分工况下醇醛可以实现零排放.参考文献:1Liu Shenghua.Measurement of non2regulated pollu2tants f rom SI engine f uelled with gasoline2methanolblendsCYu Xiaoli.Proceedings of7th Sino2K oreaInternational.Conference on ICE Engineering.Hang2 zhou:Zhej