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基于Fluent的碟式分离机杂质颗粒运动流场分析

时间:2012-03-13  浏览次数:763

基于Fluent的碟式分离机杂质颗粒运动流场分析
  赵志国1,2,石博强1,李宴1,姜勇1
         (1.北京科技大学,北京100083;2.淮阴工学院,江苏淮安223001)

摘要:用数值方法研究碟式分离机内部流场是优化其设计的重要手段。基于VOF模型、N-S方程和RNG k-ε模型,用SIMPLE算法对分离机杂质颗粒运动流场进行求解,分析了油水分离运动情况;在油水分离趋于稳定的状态下,利用Discrete Phase模型在入口处释放一定量的粒子,以追踪其运动轨迹。仿真结果表明:油水分离形成稳定的分层界面,油提纯率接近99%,在入口速度为2.5 m/s时,其分离效果最佳,除渣效率接近98%。研究结果为分离机的设计和优化奠定了基础,同时也减少了所需的试验时间和费用。
    关键词:碟式分离机;杂质颗粒;流场
    中图分类号:TQ028.4;TQ028.5文献标志码:A文章编号:1003-0794(2011)03-0112-03
    0·前言
    润滑油主要用来减小运动部件表面间的摩擦,同时对机器设备具有冷却、密封、防锈等作用,广泛应用于矿山车辆(机油、车用齿轮油、车用润滑油)、液压设备、轧钢设备及矿山机械设备中。润滑油是从石油中提炼的,且属于耗竭性资源。目前,我国石油资源短缺,因此,润滑油回收再利用具有很好的社会效益和经济效益。
    碟式分离机(简称分离机)是沉降式离心机中应用最广的一种,用于分离难分离的物料,主要用于矿山车辆、液压设备、轧钢设备及矿山机械设备等润滑油除去水分及机械杂质,以减少机械设备的磨损,延长机械设备的寿命。在现有的文献中,主要是对分离机转鼓的强度计算及优化设计的研究,而对分离机杂质运动流场分析的文章研究得较少。为了进一步了解润滑油分离机内流体的运动情况,本文采用CFD软件模拟仿真杂质颗粒运动轨迹及分离效率,分析结果将为分离机的设计及优化提供了重要的理论依据,同时也减少试验时间和产品开发费用。
    1·控制方程与计算方法
    (1)控制方程
    连续方程

 


             
    离散相控制方程:
    在离散相中,通过计算粒子的加速度以跟踪其在流场中的位置,其运动方程:单位质量粒子受合力的加速度见:


             
    (2)计算方法   油水分离采用VOF模型,分离机在高速旋转时有较强的湍流,在计算时选用RNG k-ε湍流模型,该方法具有较好的计算稳定性、经济性和准确性。油水混合物不可压缩,且分离机内局部有湍流现象,内部压强也变化分布,因此控制方程采用三维非定常不可压雷诺平均N-S方程;离散控制方程时,对压力项采用二阶中心差分格式,对动量方程、湍动能、湍耗散方程采用二阶迎风差分格式;求解控制方程时,应用SIMPLE方法。
    2·物理模型与初始条件
    (1)物理模型
    分离机转鼓内的旋转部件均为轴对称结构,为了简化计算模型,在gambit软件中建模时采用定义了旋转轴的二维模型(见图1)替代三维结构来求解。
    计算模型基本参数:转鼓直径为150 mm,高度为95 mm,入口直径10 mm,碟片共52个,厚度0.4 mm,碟片间隙0.5 mm。


            
    (2)边界条件
    选用速度入口,分别用2.5 m/s和5.0m/s为入口速度来模拟。出口条件对模拟结果影响很大,outflow出口是让流体自由流出,不附加任何限定条件,这是最符合现实的边界条件,因此本文选用outflow出口,设置壁面为动网格,转速为800 rad/s。在流场的入口边界上,需要定义流场的湍流参数:
    湍流强度


             
    湍流强度小于1%时,湍流强度是比较低的。如果上流没有充分发展的未受扰流动,则进口处可以使用低湍流强度。本模型中入口流速低,且沿着管道流动,基本没有湍流现象,因此入口处湍流强度按1%计算。


             
    (3)杂质颗粒参数
    大的杂质颗粒受离心力较大,可以完全得到分离。因此,这里主要研究小的杂质颗粒运动状态。在discrete phase模型中,从入口处释放粒子,最小微粒为1μm,最大为30μm,平均粒径为10μm。其主要参数:
    (3)杂质颗粒参数
    大的杂质颗粒受离心力较大,可以完全得到分离。因此,这里主要研究小的杂质颗粒运动状态。在discrete phase模型中,从入口处释放粒子,最小微粒为1μm,最大为30μm,平均粒径为10μm。其主要参数:


             
    3·模拟结果分析
    (1)油水分离状态
    图2为油水混合物的分离稳态图。进料时,水的体积百分比为10%,达稳态时,可以看出,油水基本得到分离,出油口油的百分含量接近99%,出水口夹杂着少量的油,主要成分为水,说明该分离机的油水分离效果良好。


             
    (2)固体颗粒运动状态
    润滑油碟式分离机用于分离油-水-固(杂质),3(1)节对油水分离进行了分析,在此基础上进行除渣效果分析,利用Fluent中的Discrete Phase模拟固体颗粒的运动轨迹。除渣效果不仅与转鼓内部的机械结构有关,而且与处理量的大小有关,本文分别用低、高速进料,即入口速度2.5 m/s和5 m/s来模拟仿真。
    流体以2.5 m/s和5 m/s流速进入转鼓,待流场达到稳定状态后,从入口处共释放4 565簇粒子,时间上持续20个迭代步,粒径由1μm向30μm递增。
    图3为低入口速度2.5 m/s,处理量为900 L/h,此时有极少部分杂质没有被沉淀,而是随着油一起流出,总体的除渣效果在98%左右。图4为高入口速度为5.0 m/s时,处理量为1 200 L/h,此时有较多的粒子无法沉淀,而是随油一起流出,除渣效率在90%左右,因此,1 200 L/h已经是分离机的极限处理量。

 


              


              
    4·结语
    由油水分离情况可知,油水基本得到分离,出油口基本全是油,提纯率接近99%,出水口夹杂着少量的油,主要成分为水,说明该分离机的油水分离效果良好。
    从固体颗粒的运动轨迹图分析可知,粒径大的颗粒受离心力较大,能快速地得到很好地分离,粒径小的颗粒分离速度慢。该分离机的极限处理量为1 200 L/h,超过此处理量,除渣效率低于90%,无法达到合格标准。但在额定处理量以内分离机的分离效果良好,分离效率可高达98%,这与设计预期效果相同,说明Fluent可以应用于碟式分离机的虚拟开发,可以节省试验费用,研发时间短。
参考文献:
[1]王雅.基于Pro/E的碟式分离机转鼓的应力分析[J].煤矿机械,2009,30(7):77-78.
[2]赵强,崔建昆.碟式分离机转鼓体应力分析与优化设计[J].机械设计与制造,2007(1):21-23.
[3]辛??吴俊宏.混流式水轮机的三维湍流流场分析与性能预测[J].农业工程学报,2010,26(3):118-124.
[4]张泽虎,高广德.基于数值模拟的螺旋式旋风分离器气相流场分析[J].煤矿机械,2009,30(2):100-103.
[5]唐辉,何枫.离心泵内流场的数值模拟[J].水泵技术,2002(3):3-9.
作者简介:赵志国(1977-),辽宁铁岭人,讲师,北京科技大学博士研究生,主要从事矿山机械及流体机械设计与研究工作,电话:010-62310302,电子信箱:lnzzg98@163.com.

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