基于计算流体力学模型的旋流分离器的优化设计-

1、文章编号:0253-4339(201003-0011-05DOI 编码:10.3969/j.issn. 0253-4339. 2010. 03. 011基于计算流体力学模型的旋流分离器的优化设计吕家明 叶奇昉 陈江平(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240摘 要 气液旋流分离器已应用于多个行业,但在制冷领域中的研究则相对较少。通过数值模拟及实验的方法,考察了气液旋流分离器在制冷系统中的分离效果并且提出减小分离器体积的优化方法。建立制冷剂两相流气液旋流分离器模型,利用CFD 软件FLUENT 对其进行数值模拟,其中离散相采用DPM 模型,湍流模型采用RNG k -模型,得到了分离器

2、内部速度场、液体相浓度分布以及不同颗粒直径下的进出口干度。采用计算焓值的方法对旋流分离器进行了实验研究,通过实验方法得出旋流分离器拥有良好的分离效果,在进口干度为0.3时,出口干度达0.97以上并且对比数值模拟及实验推导得到液相颗粒直径约为1×10-6米量级。在此基础上对分离器结构进行优化,通过改变折流板圈数,在使分离器出口干度没有明显变化的前提下,体积缩小了约31%。关键词 动力机械工程;优化;数值模拟;气液分离器中图分类号:TB657.7; TH48 文献标识码:AOptimization of Cyclone Vapor -liquid Separator with CFD S

3、imulationLv Jiaming Ye Qifang Chen Jiangping(Institute of refrigeration and cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200240, China Abstract The effect of the separation and the optimization of the separator in refrigeration systems were examined via simulation and experiment. A model of f

4、low and heat transfer in a cyclone vapor-liquid separator was established. The CFD simulation for the separator was performed by the FLUENT with the DPM model and the RNG k - model. The distributions of velocity and the concentration of liquid phase, and the outlet quality and the inlet quality at d

5、ifferent liquid droplet diameters were gained. The experimental results show that the cyclone separator used in the refrigeration system had a good separation effect, leading to the outlet quality of 0.97 when the inlet quality was 0.3. The diameter of the liquid droplets was about 1×10-6m deri

6、ved by the comparison between the simulation results and the experimental data. In addition, the separator size was reduced by about 31% without obvious change in the outlet quality by increasing the circles of the baffle board.Keywords Power machinery and engineering; Optimization; CFD research; Ga

7、s -liquid separator气液旋流分离技术是近几年来国内外研究的热门课题。由于旋流分离器拥有结构简单、设备紧凑、安装便利、成本低、分离效率高等优点,它被广泛应用于化学、炼油、冶金、煤炭和电力等多个行业1。已经有不少文章对旋流分离器应用于油气分离,油水分离等作了研究2-3。但对分离器用于制冷系统中的研究则相对较少,文献中提到实验研究所采用的两相流介质也多是油和气3或者空气和水4。影响气液分离效率的因素很多,不仅和流体本身的颗粒直径、密度等相关,也和运行时的物理量以及分离器本身的结构相关5。计算流体力学(CFD 是评估分离器效率的有效手段,但颗粒直径难于定义。因此,这里首先对颗粒直径大

8、小对分离器分离效果的影响作了评估,并将仿真结果与实验结果作了比较,得出实际情况下合理的颗粒直径。在此基础上,对分离器结构进行了优化设计。1 仿真模型1.1 气液分离器原理及几何模型如图1所示,气液两相流从混合液进口流入气液分离器内部,两相流在折流板的作用下在分离器内部呈旋转流动,由于离心力的作用,密度较大的液相被甩到壁面并在重力作用下沿着壁面向下流动,聚集在液体出口处并由出口流出,而气相则继续流动,由气体出口流出分离器。计算的几何模型总体高度H 4=330mm ;筒体内径D =55mm ;折流板高度H 2=112mm ,折流板直径收稿日期:2009年4月24 日D 1=54mm ;混合液进口,

9、液体出口直径为12mm ,气体出口直径为10mm 。 图1 气液分离器结构图Fig. Structure of the gas -liquid separator1.2 计算区域及网格划分选取整个分离器内流体流动区域为计算域并在gambit 中进行网格划分。网格在规则区域采用结构化网格,在不规则的复杂区域采用非结构化网格。1.3 CFD 计算模型和边界条件采用DPM 模型进行仿真计算。湍流模型选用RNG k -模型,已经有不少文献6-8提出RNG k -在模拟两相分离时的计算结果与实际吻合较好。连续方程和动量方程用SIMPLE 方法求解,对流项采用一阶迎风格式离散。采用随机漫步模型(Rando

10、m Walk Model 模拟湍流对液相轨迹的影响。粒径分布则采用Rosin -Rammler 模型。按照制冷量为5kW 的制冷机在空调工况下的制冷剂流量折算出气液分离器进口的流速。进口干度分别是0.28、0.3、0.32以及0.34。而颗粒直径的平均值则分别取1×10-6m 、1×10-6m 及1×10-7m 。计算边界条件:1气液混合液进口采用速度入口边界条件,同时,它又是液相的入射面,因此还将这个面设置为逃逸边界条件,即液滴如果因回流到达这个面, 则认为液滴将脱离这个边界面不再返回计算域。2液相及气相出口采用压力出口边界条件,并且同时也认为它们是逃逸边界。3

11、气液分离器的内壁设为捕捉边界,即液滴到达壁面后将被壁面捕捉。4所有壁面均采用无滑移边界条件。2 实验台与实验原理介绍实验流程图如图2所示。图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of experiment apparatus实验方法简介:目前测量蒸汽干度的方法主要有热力学法、光学法、化学法、电学法、全息摄影法等9-11。但上述方法都将增加实验成本。根据制冷剂的实际情况,可以通过测量焓值来获得干度:测量a 点的温度T a 和压力P a ,获得a 点焓值h a 。经过节流阀(焓值不变以及蒸发器的加热后(加热量为q 1就可以得到气液分离器进口点(d 点的焓值:h d =

12、h a + q 1 / m 1 (1式中m 1为制冷剂总质量流量(由质量流量计1测得,加热量q 1可调,用来改变进口点(d 点焓值(从而改变了干度值。用同样的方法可以获得气液分离器出口e 点的焓值。同时,再分别测量d 点和e 点的温度,T d 、T e 。这样,就可以通过查阅lg p -h 图或一些制冷剂物性软件从而获得d 点和e 点的干度值,达到预期目的。3 结果分析3.1 CFD 计算结果及分析通过数值模拟计算,观察其关键位置速度矢量,浓度分布情况以及对液体颗粒的流线追踪情况。 3 图3 气液分离器内部速度矢量Fig.3 Velocity vectors of the gas - liqu

13、id separator 图5 液体颗粒轨迹追踪Fig. Trajectory of the liquid phase droplets图3选取了气液分离器内的三个截面来判断分离器内部速度情况。最上层截面显示了刚从进口管流进分离器内部的速度矢量。由于进口管的内径相对气液分离器内径来说小很多,因此两相流刚流进分离器时,速度有一个减小的过程,所以密度较大的液体颗粒将由于惯性作用撞向进口管正对的壁面从而形成第一次分离,这也是进口管正对的壁面有较高的液体浓度的原因(如图4所示。在折流板和切向入口的共同作用下,两相流随即将做旋转流动,中间一层截面显示了两相流经过一圈折流后的速度矢量。这时可以看出外侧的速

14、度比内侧的速度大,此时液体颗粒主要由于离心力的作用而被甩到壁面上,形成了第二次分离,从浓度分布图中(图4也可以看出液体浓度和折流板的转向所对应。最后一层截面则显示了两相流流至分离器底部的情况,此时仍带有较强烈的旋转,但速度已经缓和很多。这样一方面能使一小部分未分离的两相流作最后一次分离,同时又不会对底部液面造成太大的扰动。经过以上分析可以看到,此种类型的分离器在分离两相流时能够达到较好的效果。图5揭示了液体颗粒在分离器中的运动轨迹,从图5中基本可以看出颗粒按照设想的在做旋转流动,通过和壁面的接触,碰撞从而与气相分离。不过从图中也可以看出,仍有一部分随流性较好的液体颗粒随着气体由 气体出口管流出

15、分离器。图6 不同颗粒直径对气体出口干度影响Fig.6 Relationship between different droplet diameters andgas outlet quality不同颗粒直径对分离器分离效果的影响如图6所示。从图中可以看出,颗粒直径的大小对于分离器性能有至关重要的影响,当颗粒平均直径为1×10-7m 时,出口干度大约为0.73左右,而当颗粒平均直径为1×10-6m 时,出口干度则在0.97左右,两者相差近32.8%。而当颗粒平均直径为1×10-5m 时,出口干度则几乎为1,也就说明,几乎没有液体颗粒从气液分离器出口中流出。随着颗粒

16、直径变大,颗粒的随流性越差,其所受的离心力以及惯性力也越大,因此更容易撞向分离器内壁从而从气相中分离,其分离效果也越好。3.2 实验与计算结果对比从图7及表2中可以看出,实验结果与颗粒直径为1×10-7m 的仿真结果偏差较大,而和颗粒直径1×10-5m 及1×10-6m 则与实验结果都很接近,为了更清楚地分析那个粒径和实验结果吻合的较好,我们继续观察颗粒1×10-5m 及1×10-6m 和实验结果的比较。表1 实验结果Tab.1 Result of the experiment实验序号进口干度气体出口干度10.280.96820.300.974

17、30.320.98040.340.984表2 实验与仿真结果比较Tab.2 Comparison between experiment and CFD simulation 进口干度实验与仿真结果差别1×10-5m 1×10-6m 1×10-7m 0.28 2.27% 1.65%25.2%0.30 1.85% 1.23%24.9%0.32 1.22%0.92%24.6%0.340.91%0.41%24.2% 图7 实验结果与模拟计算结果对比1Fig.7 Comparison between experiment result and simulationresul

18、t 图8 实验结果与模拟计算结果对比2Fig.8 Comparison between experiment result and simulationresult 2图8显示了实验结果与颗粒直径为1×10-5m 及1×10-6m 的对比情况,从图中可以看出粒径为1×10-6m 的计算结果比实验结果略小,而1×10-5m 的结果则比计算结果大。但从图8及表2中都可以较明显地看出,粒径为1×10-6m 的计算结果不仅和实验结果相差较小,并且随着进口干度变化,出口干度的变化趋势和实验结果相一致。而粒径为1×10-5m 的计算结果则几乎都在

19、0.99以上,说明其颗粒的随流性已经较差,对于进口干度的变化,出口干度的变化已经不敏感,这个现象也与得到的实验结果不相符合。因此,可以得知,实验中的液体颗粒平均直径大约为1×10-6m 。4 分离器结构优化对于上述分离器,气体出口管干度已经有令人满意的结构。但是作为空调系统中的一个部件,分离器的体积和成本都是需要考虑的因素。体积小的分离器能使系统的结构更加紧凑,同时,由于使用材料的减少,能使气液分离器的成本降低。因此,还将对气液分离器的结构作一优化,在不影响气液分离器效果的情况下,使气液分离器的体积减小。由3.1的分析可知,气液分离器主要的分离机制是应用气液密度的不同,在惯性、离心力

20、和重力的作用下,使液滴甩向壁面并沿着壁面向下流动。从分离机制中可以看出,如能增加离心力对气液两相流作用的持续时间,那无疑将提高气液分离器的分离效果。原模型采用4圈折流板,现将折流板圈数增加为6圈,并适当减小分离器体积并考察其分离效果。原模型与新模型的结构参数比较如表3所示:表3 原模型与新模型结构参数Tab.3 Structure of original model and new model名称原模型新模型气体出口管下部至分离器底部距离 L 1/mm 3030折流板高度 L 2/mm 11284分离器筒体高度 L 3/mm 155130分离器总高度 L 4/mm 280230分离器筒体直径

21、D /mm 5550折流板直径 D 1/mm 5348折流板圈数 n46采用相同的计算模型,以及1×10-6m 的颗粒直径,对新分离器进行模拟计算,其结果与原分离器的结果如表4所示。表4 原模型与新模型计算结果Tab.4 CFD calculation result of original model and newmodel 进口干度原模型气体出口管干度新模型气体出口管干度两者差别0.280.9520.9550.32%0.300.9620.9640.21%0.320.9710.970-0.10%0.340.980.978-0.21% 从表中可以看出,新分离器的分离效果完全可以达到原

22、分离器的分离效果,同时新分离器的体积将比原分离器体积减小约31%。5 结论通过对该旋流分离器的数值计算以及实验可得如下结论:1旋流气液分离器在分离液态和气态制冷剂时有着良好的效果。入口干度在0.3左右的制冷剂两相流经该分离器分离后,出口干度能达到0.97左右。2颗粒直径对分离器的分离效果有显著影响,确定实际颗粒直径大小非常重要,经过仿真计算和实验的对比可以得知液体颗粒平均直径大约在1×10-6m次量级。3经过对分离器结构的优化,在不降低分离效果的前提下,使气液分离器的体积减小了约31%。参考文献1 彭炯, 王晓瑾, 邹磊, 等.旋流分离器内三维两相流场的数值模拟J.计算机与应用化学,

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