液液分离水力旋流器流场激光测试研究

　　1　引言

　　水力旋流器作为固-液分离装置,已广泛应用于许多领域。从20世纪70年代以来,人们做了大量工作,逐渐使液液分离水力旋流器得以完善。研究液液分离水力旋流器内流场对石油化工及其油田集输具有重要意义[1]。激光测速是目前最先进的非接触式测速方式之一,响应快,精度高。采用激光技术进行水力旋流器内流场测试,能获得流动的平均速度、湍流度、剪切系数、平坦系数以及雷诺应力等的统计结果,在对水力旋流器分离原理的认识,经验模型的建立,优化结构的理论研究及油水混合物的输送工程应用中具有重要意义[2]。目前许多学者研究了影响分离效率的液滴破碎问题、旋流器的结构优化、内部压力特性及材料选择等[3~6]。本文则主要针对旋流器的测试效果、速度场及其湍流度、空气芯及其脉动情况进行了分析。

　　2　水力旋流器的结构

　　水力旋流器的结构如图1所示。其主要包括入口段、大锥管段、小锥管段及尾管段四大部分,另外还有两个切向入口、一个溢流口和一个底口。大锥管大端直径为70mm,小端直径为35mm,半锥角约为10°;小锥段的半锥角约为1.6°;尾管段直径为18mm。

　　3　试验装置与测试仪器

　　试验系统主要包括35mm液液分离用水力旋流器模型及水箱、液位计、泵、压力计、涡轮流量变送器和频率流量计等。油田集输主要是针对油和水,因为目前研究中流场只考虑结构影响,故实验中用清水代替油、水。由于液流量比较大,回流水会对水箱里的水造成振荡,使各压力表不稳,因此加长回流水管在水箱内水位以下的长度可以减小水位的波动。液位计用以记录液位,改变流入或排出水箱的水量以使液位尽量保持在某一固定值。涡轮流量变送器用来测量溢流流量,其值传送给频率流量计显示数值。压力表安装在水力旋流器入口、溢流口处,测量旋流器进、出口介质压力。水力旋流器模型采用有机玻璃制作,以便于激光检测。因该旋流器模型比较长,接近2m,将其置于水平实验台上可保证测试面在同一水平面上。试验装置如图2所示。

　　试验测试仪器是可适性相位多普勒激光测速仪———LDV/APV系统,它是目前世界上测量流体速度、粒子直径和粒子浓度的最先进的非接触式测试仪之一[8]。其优点是不受流体成分密度影响,可测速度和粒径的范围广,操作简便,测量精度高等,是两相流测试的强有力工具[9]。实验主要采用LDV系统部分进行速度场测试。清水中加入滑石粉(其中间粒径为10μm,方差为0.32)作为示踪粒子。采用后向散射接收,进行测速时探头的发射光轴与水力旋流器的中心轴应在同一水平面内,以保证激光对称于该水平面入射。为保证激光垂直于管子表面入射,对于不同锥度的管段,探头的发射光光轴与水力旋流器中心轴夹角随锥度不同而改变。