简谐激励振动下油水两相旋流分离器流场特性研究

发布时间：2020-06-14 01:18

【摘要】：工业含油污水中含油相介质在自然界中很难降解,旋流分离器以其简单的内部结构、低廉的分离成本、高效的分离效率在含油污水处理方面占有绝对的优势。含油污水中分散油油珠粒径在10~100μm,以微小油珠悬浮于污水中,这一粒径的油珠是旋流分离器分离介质条件,经油水旋流分离器处理后,能够完成95%以上的分离效率,可以满足处理标准要求。油水旋流分离器内部流体属于湍流流动状态,分离性能的影响因素主要有处理量、分流比和增压方式等。国内外学者对于分离性能影响因素的研究是假定旋流分离器处于静态条件下,未见振动条件下旋流分离器分离效率的研究成果。若旋流分离器处于振动条件下工作,旋流分离器形成动力响应,内部流场在原有复杂三维湍流流动基础上,加入振动激励,流场结构将发生改变,分离效率也将随之改变。因此,深入开展振动条件下的旋流分离器流场特性研究,建立可靠的流固耦合数值模型,不仅可以对不同振动频率和振动幅值下的流场结构和分离效率进行预测,还可对造成该振动的设备选型提供理论依据,并对旋流分离器内旋流的生成机理研究和整体结构的优化设计提供理论指导,具有重要的理论价值与工程意义。本文针对简谐振动条件下油水两相旋流分离器的流场特性进行研究,分析了造成旋流分离器振动的影响因素,简化了设备间振动传递形式,确定旋流分离器主要振动来源为连接设备的周期运转产生的简谐激励力。通过理论分析,建立旋流分离器和部分连接管柱的有限元模型,通过模态分析和瞬态动力学分析,确定旋流分离器的振动频率和振动幅值,将其作为位移激励条件为后续研究振动模式下流场特性提供技术参数。螺旋流道-内锥型旋流分离器为研究对象,与传统结构相比,该结构增加入口螺旋流道导向设计和底部内锥设计,能够提高分离效率,缩短旋流分离器的长度,降低对安装空间的要求。本论文建立了简谐振动条件下旋流分离器流固耦合数值模型。对于流体域采用有限体积法,运用雷诺平均法,以各向异性为前提,使用雷诺应力模型实现湍流模型的建立;对控制方程离散后,确定流体域的计算方法;对于旋流分离器结构域,采用有限单元法进行模拟,建立结构域的数值模型和计算方法。流体域和结构域的流固耦合问题,采用拉格朗日欧拉描述,对耦合界面的网格匹配、物理量的传递和耦合界面的求解方法进行分析,建立了简谐振动条件下旋流分离器结构与流体的耦合瞬态动力学模型,并对不同激励条件进行数值模拟,获得了对应的轴向速度、径向速度、零速包络面、湍动能和切向速度,较全面地描述了简谐振动情况下旋流分离器的耦合流场特性。为验证简谐振动条件下旋流分离器内部流场流固耦合模型的正确性,建立了一套适用于周期变化研究的PIV流场测试平台,通过对无激励条件下和简谐振动条件下旋流分离器内部流场的测试研究,揭示了旋流分离器内不同区域在不同频率和不同振幅条件下的流场结构,获得了中轴面速度矢量场、轴向速度、径向速度、零速包络面、湍动能和涡量,并将PIV测试结果与上述流固耦合数值模型的模拟结果相对比,以验证模拟结果的准确性。为进一步验证简谐振动条件下旋流分离器流固耦合模型的正确性,进行了旋流分离器分离效率的室内试验研究。对不同激励下的旋流分离器分离效率进行测试,将测试结果与模拟结果对比,发现两者的一致性良好。应用流固耦合数学模型的模拟和试验结果,分析了简谐振动条件下螺旋流道-内锥型旋流分离器的振动响应规律,即振动频率和振幅对螺旋流道-内锥型旋流分离器的分离效率存在影响。随着振幅的增加,分离效率降低;在振幅保持不变的情况下,分离效率随着频率的增加,呈波形变化后直线下降的趋势。在低频(2~6 Hz)低振幅(1 mm)时,旋流分离器模拟分离效率和室内试验分离效率均高于静止状态,说明在一定频率激励下,振动能够促进螺旋流道内锥型旋流分离器的油水分离。 【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【图文】：

速度分布,水力旋流器,明虎,流分离

图 1.1 双锥型水力旋流器结构及工作原理ig.1.1 Structure and working principle diagram of a double cone Hydrocyclone多科研单位和团队对水力旋流器的分离机理和试验技术的研究十器的应用方面有了突破性进展。东北石油大学、华东理工大学、油大学等高校的科研人员相继开展了油水分离领域的水力旋流器过一系列的理论研究与试验分析，在本体结构创新与分离性能优成果。Boyson F、金向红、周先桃、蒋明虎、赵立新等在旋流分离器的广泛的研究[12-17]；Peachey、Zhao Lixin、袁惠新、蒋明虎等在旋分离效率等方面做了大量的工作[18-21]。蒋明虎、赵立新、刘晓敏等通过试验方式对旋流分离器进行了数据分析[22-27]。其中，，大部础对旋流分离器进行的研究。旋流分离器油气分离模型，在多联机系统内研究了入口直径、柱速度分布和压力损失的影响，以及内管长度对油滴轨迹的影响，度分布、油气分离器内分离效率和压力损失影响[28-29]。Wang 建流动的数值模型，得到了气相流场中压力、切向速度和轴向速度

旋流分离器,流场测试,方法

第一章绪论其他因素稳定性方面的因素，如旋流分离器安装不稳定因素，与旋流分离器传递给旋流分离器造成的振动响应等。水旋流分离器的流场测试方法和分离效率试验的流动具有不稳定性，其流动情况可根据雷诺数的大小分为层流和部流场的研究方法主要包括计算流体动力学（Computational Fluid D值模拟和试验测试。前者只需根据流体的物性选择合适的数值模型机即可进行模拟，该方法具有节约时间及成本等优点，但是由于数过程中存在诸多理想化的设置，导致其结果具有一定的误差。而试实际操作过程中比较复杂，且其成本较高，但是试验测试能较为准动特性和流场分布情况。在诸多的流体试验测试方法中，大致可以图 1.2 所示。

【参考文献】