基于Fluent的碟式分離機雜質顆粒運動流場分析
  趙志國1,2，石博強1，李宴1，姜勇1
         （1.北京科技大學,北京100083；2.淮陰工學院,江蘇淮安223001）

摘要：用數值方法研究碟式分離機內部流場是優化其設計的重要手段。基于VOF模型、N-S方程和RNG k-ε模型，用SIMPLE算法對分離機雜質顆粒運動流場進行求解，分析了油水分離運動情況；在油水分離趨于穩定的狀態下，利用Discrete Phase模型在入口處釋放一定量的粒子，以追蹤其運動軌跡。仿真結果表明：油水分離形成穩定的分層界面，油提純率接近99%，在入口速度為2.5 m/s時，其分離效果最佳，除渣效率接近98%。研究結果為分離機的設計和優化奠定了基礎，同時也減少了所需的試驗時間和費用。
    關鍵詞：碟式分離機；雜質顆粒；流場
    中圖分類號：TQ028.4；TQ028.5文獻標志碼：A文章編號：1003－0794（2011）03－0112－03
    0·前言
    潤滑油主要用來減小運動部件表面間的摩擦，同時對機器設備具有冷卻、密封、防銹等作用，廣泛應用于礦山車輛（機油、車用齒輪油、車用潤滑油）、液壓設備、軋鋼設備及礦山機械設備中。潤滑油是從石油中提煉的，且屬于耗竭性資源。目前，我國石油資源短缺，因此，潤滑油回收再利用具有很好的社會效益和經濟效益。
    碟式分離機（簡稱分離機）是沉降式離心機中應用最廣的一種，用于分離難分離的物料，主要用于礦山車輛、液壓設備、軋鋼設備及礦山機械設備等潤滑油除去水分及機械雜質，以減少機械設備的磨損，延長機械設備的壽命。在現有的文獻中，主要是對分離機轉鼓的強度計算及優化設計的研究，而對分離機雜質運動流場分析的文章研究得較少。為了進一步了解潤滑油分離機內流體的運動情況，本文采用CFD軟件模擬仿真雜質顆粒運動軌跡及分離效率，分析結果將為分離機的設計及優化提供了重要的理論依據，同時也減少試驗時間和產品開發費用。
    1·控制方程與計算方法
    （1）控制方程
    連續方程

             
    離散相控制方程：
    在離散相中，通過計算粒子的加速度以跟蹤其在流場中的位置，其運動方程：單位質量粒子受合力的加速度見:

             
    （2）計算方法   油水分離采用VOF模型，分離機在高速旋轉時有較強的湍流，在計算時選用RNG k-ε湍流模型，該方法具有較好的計算穩定性、經濟性和準確性。油水混合物不可壓縮，且分離機內局部有湍流現象，內部壓強也變化分布，因此控制方程采用三維非定常不可壓雷諾平均N-S方程；離散控制方程時，對壓力項采用二階中心差分格式，對動量方程、湍動能、湍耗散方程采用二階迎風差分格式；求解控制方程時，應用SIMPLE方法。
    2·物理模型與初始條件
    （1）物理模型
    分離機轉鼓內的旋轉部件均為軸對稱結構，為了簡化計算模型，在gambit軟件中建模時采用定義了旋轉軸的二維模型（見圖1）替代三維結構來求解。
    計算模型基本參數：轉鼓直徑為150 mm，高度為95 mm，入口直徑10 mm，碟片共52個，厚度0.4 mm，碟片間隙0.5 mm。

            
    （2）邊界條件
    選用速度入口，分別用2.5 m/s和5.0m/s為入口速度來模擬。出口條件對模擬結果影響很大，outflow出口是讓流體自由流出，不附加任何限定條件，這是最符合現實的邊界條件，因此本文選用outflow出口，設置壁面為動網格，轉速為800 rad/s。在流場的入口邊界上，需要定義流場的湍流參數：
    湍流強度

             
    湍流強度小于1%時，湍流強度是比較低的。如果上流沒有充分發展的未受擾流動，則進口處可以使用低湍流強度。本模型中入口流速低，且沿著管道流動，基本沒有湍流現象，因此入口處湍流強度按1%計算。

             
    （3）雜質顆粒參數
    大的雜質顆粒受離心力較大，可以完全得到分離。因此，這里主要研究小的雜質顆粒運動狀態。在discrete phase模型中，從入口處釋放粒子，最小微粒為1μm，最大為30μm，平均粒徑為10μm。其主要參數：
    （3）雜質顆粒參數
    大的雜質顆粒受離心力較大，可以完全得到分離。因此，這里主要研究小的雜質顆粒運動狀態。在discrete phase模型中，從入口處釋放粒子，最小微粒為1μm，最大為30μm，平均粒徑為10μm。其主要參數：

             
    3·模擬結果分析
    （1）油水分離狀態
    圖2為油水混合物的分離穩態圖。進料時，水的體積百分比為10%，達穩態時，可以看出，油水基本得到分離，出油口油的百分含量接近99%，出水口夾雜著少量的油，主要成分為水，說明該分離機的油水分離效果良好。

             
    （2）固體顆粒運動狀態
    潤滑油碟式分離機用于分離油-水-固（雜質），3（1）節對油水分離進行了分析，在此基礎上進行除渣效果分析，利用Fluent中的Discrete Phase模擬固體顆粒的運動軌跡。除渣效果不僅與轉鼓內部的機械結構有關，而且與處理量的大小有關，本文分別用低、高速進料，即入口速度2.5 m/s和5 m/s來模擬仿真。
    流體以2.5 m/s和5 m/s流速進入轉鼓，待流場達到穩定狀態后，從入口處共釋放4 565簇粒子，時間上持續20個迭代步,粒徑由1μm向30μm遞增。
    圖3為低入口速度2.5 m/s，處理量為900 L/h，此時有極少部分雜質沒有被沉淀，而是隨著油一起流出，總體的除渣效果在98%左右。圖4為高入口速度為5.0 m/s時，處理量為1 200 L/h，此時有較多的粒子無法沉淀，而是隨油一起流出，除渣效率在90%左右，因此，1 200 L/h已經是分離機的極限處理量。

              
    4·結語
    由油水分離情況可知，油水基本得到分離，出油口基本全是油，提純率接近99%，出水口夾雜著少量的油，主要成分為水，說明該分離機的油水分離效果良好。
    從固體顆粒的運動軌跡圖分析可知，粒徑大的顆粒受離心力較大，能快速地得到很好地分離，粒徑小的顆粒分離速度慢。該分離機的極限處理量為1 200 L/h，超過此處理量，除渣效率低于90%，無法達到合格標準。但在額定處理量以內分離機的分離效果良好，分離效率可高達98%，這與設計預期效果相同，說明Fluent可以應用于碟式分離機的虛擬開發，可以節省試驗費用，研發時間短。
參考文獻：
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［5］唐輝,何楓.離心泵內流場的數值模擬［J］.水泵技術,2002（3）:3-9.
作者簡介：趙志國（1977-），遼寧鐵嶺人，講師，北京科技大學博士研究生，主要從事礦山機械及流體機械設計與研究工作，電話：010-62310302，電子信箱:lnzzg98@163.com.