李振國，張曉冬，趙宗昌
（大連理工大學 化工學院，遼寧 大連116012）

　　摘　要：采用各向異性k－ε模型，用有限差分法，以SIMPLE算法為基礎對旋流器內流場進行了數值模擬。通過數值計算得到了在流量一定的情況下，隨溢流比的增加，進料口與溢流口之間的壓力降APiu增大，進料口與底流出口之間的壓力降△Pid幾乎不變。△Piu與△Pid隨進料流量的增大而增大，△Piu隨溢流管孔徑的減小而變大，△Pid幾乎不變。通過算例與實驗核驗，得出各向異性k－ε模型能夠模擬放流器內湍流流場。
　　關鍵詞：旋流器；水處理；分離；流場；數值模擬
　　中圖分類號：TU991.34
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009－2455（2002）02－0043－03

Study on the Pressure Drop of An on Removal Type Hydroclone
LI Zhen-guo, ZHANG Xiao-dong, ZHAO Zong-chang
(Department Of chemical Engineering, Dalian University of technology, Dalian 1160l2, China)

　　Abstract: The flow field in a hydrocyclone was studied by numerical method with an anisotropic k -ε model on the basis of SIMPLE algorithm. Anisotropic k --ε model can predict the swirling turbulent now in a hydrocyclone.
　　Key words: hydrocyclone; water Process; separation; flow field; numerical simulation

前言

　　傳統的含油污水處理方法有過濾、氣浮、重力分離、離心分離、蒸發、活性炭吸附等物理方法；混凝沉降、化學氧化、離子交換和化學預處理等化學方法以及活性污泥處理、生物膜法處理、氧化塘等生物法。這些方法不僅投資費用與操作費用高，而且占地面積大，在場地受到限制的場合（如海上采油、油輪的清洗等方面）這種方法就顯得很不適應。因此，研究與開發占地面積小、結構簡單、維修與運行費用較低的水力旋流器已成為油水分離設備的一個新的方向。

1 壓降的實驗方法

　　實驗流程如圖1所示[1]，儲罐1中的含油污水由泵輸送經流量計計量后，分兩股從旋流器頂端雙切向入口進人旋流器，底流流人儲罐12，溢流從旋流器頂端溢流口流出，經流量計計量后流人到儲罐12。測壓點為旋流器人口、底流出口、溢流口。模擬計算所得壓力值用柏努利方程校正到測壓點，結果如圖3，圖4，圖5，圖6所示。

2 數學物理模型及求解方法

　　液液旋流器一般由圓柱段、大錐段、小錐段和尾段組成。
　　本文使用的除油型水力族流分離器結構尺寸為：
　　主體直徑為：35mm，大錐角：20°，小錐角：1.5°，底流出口直徑為：17.5mm，溢流口直徑為：3－5mm。
　　圖2為流動區域的縱剖面圖[2]。計算區域由A1、A2、A3、A4、A5、A6所構成。
　　來流沿切向進入旋流器后，形成旋流流場，其流動規律由流體力學基本方程控制。而湍流流動數值模擬的準確性取決于所采用的湍流模型和計算的數學方法。

　　由于旋流器內流體的流動是強旋轉流動，湍流粘性具有各向異性。本文采用各向異性的k－ε模型[3-5]對35mm旋流器進行模擬。在旋流管內，可以將旋流管內流體流動簡化為軸對稱流動。求解區域采用交錯網格技術[6]，方程的離散采用控制容積法，在以上網格系統的控制體內進行積分，其中的對流項和擴散項采用混合差分格式[7]，對源項做線性化處理，壁面上的速度擴散通量采用壁面函數法，計算中采用欠松弛技術，差分方程采用SIMPLE算法進行迭代求解。計算區域劃分185×36個網格（見圖2），流量為3－6m3／h，溢流比為2％－10％，當每迭代104次各變化量小于10-3，認為已經收斂。

3 試驗與計算結果

3.1 壓力降的影響因素
　　油水混合物在水力旋流器的離心力場中高速旋轉，由于流體的粘性以及水力旋流器壁與旋轉流體之間的摩擦等都將消耗能量，表現為壓力損失或壓力降。壓力降是水力旋流器的重要技術指標，要求水力族流器的壓力降較小以盡可能地減少能量消耗。同時，壓力降還是水力旋流器的重要操作指標，一方面，根據壓力降的大小來選擇進料所需的壓頭并由此決定是否需要通過增壓泵來提高進料的壓頭即水力旋流器的人口壓力；另一方面，在多級操作中往往是根據壓力降的大小來選擇下一級的工況。
　　水力旋流器的定義式為：
　　　　　　△Piu=Pi-Pu
　　　　　　△Pid＝Pi-Pd
　　式中：Pi---旋流器人口壓力；
　　　　　Pu——旋流器溢流口壓力；
　　　　　△P_iu——進料口與溢流口之間的壓力差；
　　　　　P_d——底流出口壓力；
　　　　　△P_id——進料口與底流出口之間的壓力差。

3.1.1 溢流管直徑對△Piu的影響
　　圖3為溢流管直徑對△Piu的影響曲線。對同一溢流管，隨著溢流比的增加即溢流流量的增大，內旋流的中心油核區的流體能及時從溢流管排出，這時其中的靜壓降低，因而溢流與進料之間的△Piu增大，而且△Piu隨溢流比線性變化。隨著溢流管直徑的減小，△Piu增大。對于同樣溢流流量，顯然直徑小的溢流管中的流體速度較大，即其動能較大，因而靜壓能較低。同時小直徑時阻力損失也較大，所以西比值較大。
3.1.2 流量與△Piu的關系
　　圖4為（溢流管直徑為3mm）△P_iu與流量關系曲線。進料流量的大小直接決定了水力旋流器壓力降的大小。因此，一般把壓力降作為衡量水力旋流器生產能力的一個指標。為了保證其生產能力，降低水力旋流器的壓力降從而降低能耗，總是盡可能選擇合理的旋流器進料入口、底流出口及器壁的幾何結構。由圖4可知，旋流器內的壓降隨流量增大而增大。這是由于進料流量的增加將導致流體切向人口速度增加，旋流器內的離心力場增強所致。由于水力族流器主要是利用管路閥門控制背壓來調節溢流流量的大小，因此需增大溢流流量時就需要增加背壓。當進料流量一定時，則進料口壓力需要提高，所以人口與溢流口壓差增大。由此可見，為了降低壓力降應盡量在小溢流下操作。

3.1.3 溢流管直徑及進料流量對西凡的影響
　　國5是進料流量在5m³/h條件下不同溢流管直徑對△P_id的影響曲線。

　　圖6為溢流管直徑為3mm時進料流量對△Pid的關系曲線。

　　由于溢流流量遠小于底流流量（溢流流量最大只占進料流量的10%）因此從圖5可以看出，改變溢流比幾乎不影響底流流量，因而△Pid與溢流比幾乎無關。
3.2 放流器中內旋流與外放流壓力沿軸向變化
　　旋流器中存在著兩個沿軸向流動方向相反的區域，分離器中的軸向速度從軸心向器壁方向，速度由負變正，軸心附近速度為零的各點形成了所謂的零軸速包絡體。該面內部流體向上流動，形成了內旋流。包絡體外部的液體則向下流動，形成了外旋流。從圖7（圖中數據為以旋流器入口壓力為基準的壓力計算值）可以看出，內旋流和外旋流沿流向壓力梯度均為負，這兩種流動的反向壓力梯度是造成它們反向流動的根本原因。

4 結論

　　采用各向異性k－ε模型，可以有效地模擬旋流器內的壓力分布。
　　在流量一定的情況下，隨溢流比的增加，壓力降△Piu增大，△Pid幾乎不變。
　　壓力降△Piu和△Pid隨進料流量的增大而增大，壓力降△Piu隨溢流管孔徑的減小而變大，但壓力降△Pid卻幾乎不變。

參考文獻：

　　[1]蔣明虎，賀杰，趙立新.油水分離用水力旋流器的模擬實驗[J].石油機械，1994，（5）：15－17.
　　[2] 趙宗昌，徐維勤，沈自求.轉動式油水分離水力旋流器內部流場的數值計算[J].大連理工大學學報，1998，（2）：180－183.
　　[3]S Y JU，T M MULVAHILL and R W PIKE. Three-Dimensional Turbulence Model[J]. The Canadian Joumal of Chemical Engineering 1990,68(2):3-16.
　　[4] Toshio KOBAYASHI and Morio YODA. Modified k-εModel for Turbulent Swirling Flow in a Straight Pipe[J].JSME Intemational Jiumal, 1987,30(259):66-71.
　　[5]C B Hwang, C A Lin. A low Reynolds number two-equation kθ-εθmodel to predict thermal fields[J]. Intemational Joumal of Heat and Mass Transfer, 1999,42(17):3217-3230.
　　[6]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，1998.11-15.
　　[7]賀友多.傳輸過程的數值方法[M].北京：冶金工業出版社，1991.111-115.

　　作者簡介：李振國（1972－），男（滿族），遼寧綏中人，大連理工大學化工學院化學工程系99級碩士研究生，電話（0411）3631333－3239O