基于STAR-CCM＋的旋风分离器油气分离性能数值模拟分析

[导读]摘要:通过采用流体力学软件STAR-CCM+对不同参数条件下的旋风分离器油气分离性能进行数值模拟研究,发现随着升气管直径减小、进口宽度减小,旋风分离器的油气分离效率增加,并在一定范围内增加旋风分离器分离空间的长度,有利于提高旋风分离器的油气分离效率。

引言

旋风分离器是一种重要的气固、气液分离设备,具有结构简单、分离性能可靠及压降小等特点,广泛应用于化工、能源及环境保护等领域。

利用数值模拟技术可以较好地预测旋风分离器的内部流动状态,目前大多采用Fluent对旋风分离器进行数值模拟研究,而采用STAR-CCM+对旋风分离器进行数值模拟研究还比较少。目前对旋风分离器的研究多针对较大尺寸的旋风分离器,而针对小尺寸的旋风分离器研究还不多。因此,笔者采用流体力学软件STAR-CCM+对小尺寸的旋风分离器的油气分离性能进行了数值模拟研究,分析了升气管直径、分离空间长度、进口截面宽度对油气分离性能的影响。

1几何模型与网格生成

旋风分离器结构如图1所示,其基本几何模型参数如表1所示,表1中的管径D为28mm。

三维模型的制作是在STAR-CCM+中直接绘制生成,并利用该软件内部的网格处理模块生成多面体网格,如图2所示。后续计算的各对比方案的网格可以通过在STAR-CCM+中单独修改三维模型的某个特定尺寸,然后直接再次生成网格。

2计算方法与边界条件

经过大量研究发现,旋风分离器模拟计算的湍流模型适合采用雷诺应力模型(RSM）,模拟颗粒轨迹可以采用离散相模型(DPM）。

模拟计算的连续相为气体,离散相为液体。气体的进口流速为8.823m/s,密度为50.12kg/m3,黏度为1.48E-5Pa·s。液体颗粒的射入速度与气体流速相同,流量为1.04E-3kg/s,密度为900kg/m3,计算的颗粒直径为2um。壁面设置为弹性壁面边界条件,出口设置为逃逸。

利用离散相模型追踪液滴轨迹时,设置颗粒跟踪的最大步数为40000,超出所设置步数则终止跟踪,认为此颗粒不能离开旋风分离器。因此,这里计算的旋风分离器油气分离效率等于单位时间内旋风分离器分离的油滴质量与单位时间内流入旋风分离器油滴质量的比值。

根据上述边界条件和计算方法,基本几何模型的模拟计算得出的颗粒轨迹跟踪图如图3所示。

在后续模拟分析升气管直径、分离空间长度、进口截面宽度对旋风分离器油气分离性能的影响时,仅改变所分析的参数,其他参数和条件保持不变。

3模拟结果及分析

3.1升气管直径

为了分析旋风分离器升气管直径对旋风分离器分离效果的影响,分别模拟计算升气管直径为6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm时的油气分离效率,模拟结果如图4所示。

从图4可以看出,随着旋风分离器升气管直径的增加,旋风分离器的油气分离效率逐渐减小。在本文所假定的条件下,当直径小于一定值之后,旋风分离器的油气分离效率接近100%。但是升气管直径越小,整个旋风分离器的压降会增加。

3.2分离空间长度

本文所分析的旋风分离器分离空间长度指的是从旋风分离器顶板到旋风分离器椎体底部的长度,即表1中所述的旋风分离器总高。在模拟计算不同的旋风分离器分离空间长度时,保持旋风分离器直筒段和椎体段的高度尺寸比例不变。这里分别模拟计算分离空间长度为80mm、96mm、112mm、128mm、144mm时的油气分离效率,模拟结果如图5所示。