自由旋片除雾器内气液两相流场数值模拟

　　自由旋片除雾器是一种新型除雾装置,具有处理流量大、成本低、阻力小、稳定性强、运行可靠等优点。其结构为在外壳内设置一自由旋转叶轮。叶轮由轮毂和旋片组成,由套筒固定于转轴上。叶轮与转轴通过键联结实现转动传递。转轴由固定于外壳上的支撑骨架支撑。为了保证叶轮旋转的灵活性,转轴与支撑骨架通过轴承联结。在轴承外侧设置挡水圈和密封盖阻止水雾和固体颗粒物进入轴承。从进气管进入除雾器的含雾气流,在惯性碰撞和离心分离的作用下实现气液分离。分离后的气流通过排气管排出自由旋片除雾器。除雾器下部设置有排水槽,排水槽中收集的液体由排液管排出自由旋片除雾器。结构如图1所示。

　　通过实验很容易研究含雾气流速度、液气比和液滴粒径等因素对自由旋片除雾器气液分离效率的影响。但是,用实验方法测定自由旋片除雾器内部流场是比较困难的。为了进一步研究自由旋片除雾器内的气液分离机理和为自由旋片除雾器结构优化设计积累参考依据,明确自由旋片除雾器内部流场分布是十分必要的。计算流体力学为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术。计算流体力学软件现已成为解决各种流体流动与传热问题的强有力工具,成功应用于水利、航运、环境、流体机械与流体工程等各种技术科学领域。过去只能靠实验手段才能得到的某些结果,现在已完全可以借助计算流体力学模拟来准确获取[1~4]。本研究以实验参数为边界条件,借助计算流体力学软件模拟了自由旋片除雾器内部流场分布。关于自由旋片除雾器内部流场分布的研究尚属空白,这也正是本文研究的意义所在。

　　1　模型建立与网格划分

　　由于附属结构面积仅为自由旋转叶轮面积的1%左右,为了简化计算,节省计算机资源,在运用CAD软件建立三维模型时作了如下简化: (1)取叶轮前120mm,叶轮后200mm段为模拟研究对象; (2)模型中忽略支撑骨架、转轴、轴承、挡水圈和密封盖等附属结构,这样能够方便模拟区域网格的划分。模型的其余结构参数为,旋片数量5个;轮毂直径55mm;叶轮外径170 mm;外筒直径190 mm;单个叶片面积3·12×10-3m2;仰角20°;径向角90°;叶轮厚度1mm;具体三维模型如图2所示,图中Gz表示世界坐标系的z轴正向,世界坐标系的原点为轮毂中心。

　　自由旋片除雾器由于存在转动区域,因此其网格划分较为复杂。文中将模型分割为三个大区域,进口区(长100 mm)、叶轮区(长40 mm)和出口区(长180 mm)。为了实现叶轮区运动区域与静止区域的数据交换,需要划分为运动和静止2个小区域。在进口区、出口区和叶轮静止区生成结构化网格,在叶轮运动区生成非结构化网格。生成的网格如图3所示。进口区网格50 020个,叶轮运动区为100 120个,叶轮静止区为10 800个,出口区为90 036个,总网格数179 923个。