油氣分離器內(nèi)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬_圖文

1、第40卷第7期2006年7月西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)J OU RNAL O F XIAN J IAO TON G U N IV ERSIT YVol.407J ul.2006油氣分離器內(nèi)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬馮健美1,暢云峰1,屈宗長(zhǎng)1,姚建國(guó)2(11西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安;21西安四星動(dòng)力工程有限公司,710043,西安摘要:在不考慮相間相互作用的條件下,氣相采用RN G k(重整化群湍流模型,油滴相采用隨機(jī)軌道模型,對(duì)油氣分離器一次油分內(nèi)的油氣兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了油氣分離器內(nèi)的流動(dòng)分布和油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡及分離機(jī)理.計(jì)算結(jié)果表明:一次油分內(nèi)的速度場(chǎng)分布不均勻,而且

2、靠近擋板底面附近的氣流速度很小,這樣易使進(jìn)入二次油分濾芯前較小的油滴分離;另外,不同粒徑的油滴其運(yùn)動(dòng)軌跡差別很大,很明顯,粒徑大的油滴較容易分離;油滴入射的初始位置不同,其分離速度的差別較大,運(yùn)動(dòng)軌跡也明顯不同.關(guān)鍵詞:隨機(jī)軌道模型;油氣分離器;數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TB652文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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在噴油壓縮機(jī)的諸多性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中,油氣分離器的分離效率是非常關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo).在工程上油氣分離通常采用兩級(jí)分離,先通過一次油分進(jìn)行粗分,然后再將剩余的低濃度油氣混合物用多孔濾網(wǎng)過濾分離出來.一次油分的效率越高,進(jìn)入二次油分的油量就越少,油分濾芯的負(fù)擔(dān)就越輕,其分離效率也就越高.很顯然,油氣分離器一次分離效率的高低對(duì)分離器總的分離效率有著至關(guān)重要的影響.分離器結(jié)構(gòu)形式多種多樣,目前尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)或選型主要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),具有較強(qiáng)的主觀性,往往達(dá)不到

7、最佳分離效果.要提高油氣分離器的分離效率,改進(jìn)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化尺寸,必須深入研究油氣分離器一次油分內(nèi)的湍流流場(chǎng)及油滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律.目前,針對(duì)噴油壓縮機(jī)油氣分離器內(nèi)流動(dòng)分布的研究和報(bào)道尚很少12.本文采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)油氣兩相流在一次油分內(nèi)的流動(dòng)分布進(jìn)行詳細(xì)研究,分析油滴在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡及分離機(jī)理,為油氣分離器的制造和設(shè)計(jì)提供依據(jù).1氣相控制方程油氣分離器內(nèi)的流動(dòng)既有彎管流動(dòng),又有沖擊射流,并且流場(chǎng)帶有明顯的旋轉(zhuǎn),因此對(duì)油氣分離器收稿日期:20051019.作者簡(jiǎn)介:馮健美(1976,女,講師.基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50476053.內(nèi)的湍流流動(dòng)采用RN G k湍流模型3計(jì)算.油氣

8、混合物中油滴相的體積是按照壓縮機(jī)排氣溫度的要求,根據(jù)熱平衡方程計(jì)算得出的.由計(jì)算可知油滴相的體積分?jǐn)?shù)一般均小于10%,因此將油滴相當(dāng)作稀相處理是合理的.油氣兩相流動(dòng)的計(jì)算采用以下分相流模型:連續(xù)性方程5t+5x i(u i=0(i=1,2,3(1動(dòng)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為雷諾平均NavierStokes 方程,它與瞬態(tài)雷諾方程有相同的形式,式中雷諾應(yīng)力-ui uj=t 5u i5x j+5u j5x i

9、-2 3k+t5u i5x ii,j(i,j=1,2,3(3湍流動(dòng)能k方程55t(k+55x j(k u j=55x j+tk5k5x j+ G k+G b-Y M+S k(4湍動(dòng)能耗散方程55t(+55x j(u j=55x j+t55x j+C1S-C22k+(1/2+C1kC3G b+S k(5氣相動(dòng)量方程(式(2中的源項(xiàng)F i是氣相與油滴發(fā)生的動(dòng)量交換,其值如下所示F i=18C D Re p24D2p(u p,i-u im p(6式中的求和是對(duì)控制容積中所有油滴流進(jìn)行的;m p 是油滴相的質(zhì)量流率.2隨機(jī)軌道模型為了追蹤油滴在一次分離器內(nèi)的軸向、徑向和切向運(yùn)動(dòng),本文采用隨機(jī)軌道模型4

10、,即將油滴所受阻力分為時(shí)均流場(chǎng)阻力和脈動(dòng)流場(chǎng)阻力兩部分,也就是在油滴動(dòng)量方程中分別以流場(chǎng)的時(shí)均速度分量和脈動(dòng)速度分量代替瞬時(shí)速度分量.考慮到油氣分離器內(nèi)油滴相的體積分?jǐn)?shù)通常小于10%,可以忽略油滴之間的相互作用.由于油相的表面張力較大,油滴的形狀可以等效為球形.此外,對(duì)虛擬質(zhì)量力、Basset力和Magnus力5也暫不考慮.這樣,本文對(duì)油氣分離器內(nèi)油滴軌跡的計(jì)算考慮了重力、慣性力、黏性阻力、湍流擴(kuò)散力和Saff man升力6.油滴的軌跡是通過積分拉氏坐標(biāo)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(油滴慣性力為作用在油滴上的各種力在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為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為油滴的單位質(zhì)量曳力,其中F D=18p d2pC D Re24式中:u為流體相速度;u p為油滴速度;為流體動(dòng)力黏度;為流體密度;p為油滴密度;d p為油滴直徑;Re為相對(duì)雷諾數(shù)(油滴雷諾數(shù),其定義為Red p|u p-u|Saff man升力的表達(dá)式為F s i=2Kv1/2d ijp d p(d lk d l1/4(u i-u p i式中:K=21594;d ij是流體變形速率張量.湍流擴(kuò)散力對(duì)油滴軌跡的影響采用湍流隨機(jī)軌道模型來加以模擬.在隨機(jī)軌道模型中,沿著油滴軌道積分計(jì)算,油滴軌跡方程中的流體速

12、度為瞬時(shí)速度 u+u(t,這樣就可以考慮油滴的湍流擴(kuò)散.對(duì)油滴動(dòng)量方程進(jìn)行積分,即可得到以下油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡方程x p=u p d t;y p=v p d t;z p=w p d t(8 3氣相與油滴相邊界條件氣相邊界條件為:進(jìn)口給定速度邊界;出口為壓力邊界;壁面采用無滑移邊界條件,壁面附近湍流模型采用壁面函數(shù)法,壁面的壓力梯度為0.油滴相邊界條件如下所述.(1油氣分離器入口為油滴入射面,假定油滴在這個(gè)面上進(jìn)入油氣分離器,同時(shí)將這個(gè)面設(shè)置為逃逸邊界條件,即油滴如果因回流到達(dá)這個(gè)面,則認(rèn)為油滴將脫離這個(gè)邊界面,不再返回計(jì)算域.(2油氣分離器出口設(shè)為逃逸邊界條件.(3油氣分離器內(nèi)壁設(shè)為捕捉邊界,即油

13、滴到達(dá)277西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)第40卷壁面后將被壁面捕捉.4數(shù)值計(jì)算分析本文針對(duì)一種噴油螺桿空氣壓縮機(jī)用立式油分離器進(jìn)行計(jì)算分析.油氣混和物從分離器上部切向進(jìn)入,經(jīng)過一次粗分和二次過濾,潔凈的氣體從頂部排出.氣相控制方程組的求解采用有限差分的SIM 2PL E 算法,油滴軌跡的計(jì)算采用拉格朗日法進(jìn)行積分求解,對(duì)油氣分離器內(nèi)的氣相流場(chǎng)分布及不同粒徑油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了計(jì)算,以進(jìn)一步設(shè)計(jì)一次油分的結(jié)構(gòu),使盡可能多的或盡可能大范圍粒徑的 油滴能通過一次油分分離出來.計(jì)算采用的物理模型及網(wǎng)格如圖1所示.需要指出的是,計(jì)算物理模型中的油分離器底面為實(shí)際油分離器中的油面位置.文中給出的油滴軌跡圖中所示的油滴

14、入射位置分 別為A 點(diǎn)(-16818mm ,-25010mm ,45410mm 、B 點(diǎn)(-15215 mm ,-25010mm ,47010mm 和C 點(diǎn)(-13618mm ,-25010mm ,48513mm .從圖2、圖3可以看出,分離器一次油分內(nèi)的速度分布是不均勻的,進(jìn)口附近氣流的旋轉(zhuǎn)比較劇烈,靠近擋板底面附近的氣流速度很小,這樣易使進(jìn)入二次油分濾芯前較小的油滴分離.(a 剖面(b 網(wǎng)格圖1物理模型及其網(wǎng)格劃分(a z =470mm (b z =350mm (c z =220mm圖2油分離器內(nèi)z 方向不同截面上的氣相流場(chǎng)分布(a x =0(b y =0圖3油分離器內(nèi)x =0和y =0截

15、面上的氣相流場(chǎng)分布377第7期馮健美,等:油氣分離器內(nèi)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬從圖4圖7中可以看出:不同粒徑的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡差別很大,很明顯,粒徑大的油滴較容易分離;油滴入射的初始位置不同,其分離速度的差別較大,運(yùn)動(dòng)軌跡也明顯不同 .(a 從C 點(diǎn)入射的油滴軌跡(b 從B 點(diǎn)入射的油滴軌跡(c 從A 點(diǎn)入射的油滴軌跡圖4粒徑為1m 的油滴軌跡分布(a 從C 點(diǎn)入射的油滴軌跡(b 從B 點(diǎn)入射的油滴軌跡(c 從A 點(diǎn)入射的油滴軌跡圖5粒徑為5m 的油滴軌跡分布(a 從C 點(diǎn)入射的油滴軌跡(b 從B 點(diǎn)入射的油滴軌跡(c 從A 點(diǎn)入射的油滴軌跡圖6粒徑為10m 的油滴軌跡分布(a 從C 點(diǎn)入射的油滴軌

16、跡(b 從B 點(diǎn)入射的油滴軌跡(c 從A 點(diǎn)入射的油滴軌跡圖7粒徑為50m 的油滴軌跡分布477西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)第40卷5結(jié)束語(yǔ)本文對(duì)油氣分離器內(nèi)的氣相采用RN G湍流模型,油相采用隨機(jī)軌道模型,在不考慮相間相互作用的條件下,模擬了不同粒徑的油滴從不同初始位置入射的運(yùn)動(dòng)軌跡分布.計(jì)算結(jié)果表明:一次油分的速度場(chǎng)分布不均勻,靠近擋板底面附近的氣流速度很小,易使進(jìn)入二次油分濾芯前較小的油滴分離;不同粒徑的油滴運(yùn)動(dòng)軌跡差別很大,粒徑大的油滴較易分離;油滴入射的初始位置不同,其分離速度差別比較大,運(yùn)動(dòng)軌跡也明顯不同.有關(guān)計(jì)算結(jié)果雖然在定量方面尚存在不足,還需大量的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證,但有助于揭示油滴在油

17、分離器內(nèi)的分離機(jī)理.此外,本計(jì)算結(jié)果還表明,將數(shù)值計(jì)算這一現(xiàn)代科學(xué)研究方法應(yīng)用于油氣分離器的分離機(jī)理研究是可行的、有效的,對(duì)揭示油氣分離機(jī)理,優(yōu)化油氣分離器的結(jié)構(gòu)具有著重要的意義.參考文獻(xiàn):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陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)M.2版.西安:安交通大學(xué)出版社,2001.4陸耀軍,周力行,沈熊.油滴在液液旋流分離中的隨機(jī)軌道數(shù)值模擬J.力學(xué)學(xué)報(bào),

19、1999,31(5:513520.5岑可法.氣固分離理論及技術(shù)M.杭州:浙江大學(xué)出版社,1999.6Saff man P G.The lift on a small sphere in a slowshear flowJ.J Fluid Mech,1965,22:385400.(編輯王煥雪(上接第747頁(yè)NO x降低5%,中高負(fù)荷時(shí)HC排放增加.(2乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的未燃甲醇和乙醇的排放均隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加而增加,但燃料中乙醇含量對(duì)醛排放的影響不大.(3乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的甲醛乙醛排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷與乙醇含量增加而增加,其中高負(fù)荷時(shí)E20的乙醛排放比E10增加大約1倍.(4經(jīng)三效催化器轉(zhuǎn)化,乙醇汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)排放可以達(dá)到與汽油機(jī)同等的水平,同時(shí)大部分工況下醇醛可以實(shí)現(xiàn)零排放.參考文獻(xiàn):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