水力旋流器压降及压力分布特性的数值模拟

    1　引言

    目前,水力旋流器结构尺寸的优化成为研究的热点。了解水力旋流器内的压力分布规律能更深入揭示旋流器内部能量耗散规律和流动规律、科学地提出能耗降减原理和措施。而压力损失则直接决定了进料泵的功率和电能的消耗^[1]。

    本文利用数值模拟技术,计算得到了不同水力旋流器结构的压降大小,并得到了压力分布特性以及各部分的压降大小,为旋流器的结构和尺寸优化提供了可靠的依据。

    2　湍流数学模型及数值模拟技术

    实验测试表明,旋流管内强旋流场的湍流粘性系数是各项异性的[2]。因此,标准的K-ε湍流模型无法对旋流管内流场进行准确预报,必须对其进行修正或选用更高级的湍流模型,如Reynold应力模型和代数应力模型等。由于Reynold应力模型计算量大,边界条件和经验常数很难确定,使得该模型的应用受到限制。代数应力模型利用一些代数表达式表示Reynold应力方程中的应力分量,计算量大大减小,但对其研究和应用程度远不及K-ε湍流模型。本文拟采用修正的RNGK-ε模型进行数值模拟[3、4],RNGK-ε模型是Yokhot和Orszag等人于1986年应用重整化群理论发展出一种改进的K-ε模型。

    在进行物理问题的数值计算时,最佳的坐标系是坐标轴与计算区域的边界相适应的坐标系,即贴体坐标系。近年来,应用数值方法生成贴体坐标的技术有了很大的发展,满足了本文计算区域形状复杂性的要求。采用贴体网格对旋流管进行模拟的优点为:

    (1)能够适应旋流管细长锥状结构;

    (2)能够在近壁区和轴心位置附近布置较密网格,以适应近壁区和中心位置附近流动参数变化剧烈的要求,更准确地捕捉旋流管内复杂的流动现象;

    (3)网格线与液流轴向运动方向一致或接近,可以减少差分格式的数值扩散误差。

    而采用贴体坐标的优点是以差分方程和数值计算的复杂化为代价的。但随着计算机容量和速度的提高,采用贴体网格对旋流管进行模拟已证明是可行的。

    本文主要以四段式旋流管为研究对象。图1为流动区域的半纵向剖面,即数值计算区域的纵向剖面。

    3　旋流器实验装置

    为了对液-液旋流器的特性进行较为系统的实验研究,设计并建立了图2所示的实验装置。清水罐中的清水经离心泵增压后进入静态混合器;在油罐中按一定比例加入油、水和乳化剂,搅拌一定时间后形成稳定的、具有要求粒度分布的油水乳状液,经计量柱塞泵增压后与离心泵提供的清水汇合一起进入静态混合器,混合均匀后,经流量计计量后进入实验旋流器台位1#和/或2#,旋流器的溢流排入溢流罐,底流经流量计计量后排入地沟或可返回清水罐。