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真空滤油机流场的数值模拟
作者:管理员    发布于:2016-04-13 09:50:46    文字:【】【】【

  真空科学与技术学报真空滤油机流场的数值模拟陈彬p刘阁1张贤明1陈立功2(1.重庆工商大学废油资源化技术与装备教育部工程研究中心重庆400067;。后勤工程学院重庆401331)场的RSM模型以及水滴运动蒸发的相变方程;分析了滤油机内部的蒸汽体积浓度分布、压力分布以及轴向和径向速度分布的规律,结果表明滤油机内部分离塔板上部的中心附近压力梯度较大,而靠近壁面附近压力梯度较小,有助于蒸汽有向壁面运移的趋势,实现液汽分离;分离塔板内部压力梯度趋缓,增大了油水在塔板内的停留时间;油水混合液的大径向速度面把滤油机内部的流场分为了准强制涡和准自由涡;而其轴向速度呈对称分布;进一步揭示了油水分离的特性,并计算了滤油机的蒸发效率,计算值与实测值吻合较好,验证了该模型的有效性,对深入研究真空滤油机的油水分离机理奠定前期基础。

  润滑油在使用的过程中,会因为种种原因混入水分,加速油液乳化、劣化,使其理化性能发生变化等问题111,因而有效地脱除油中的水分一直是工业用油的研究热点之一。迄今油水乳化液的处理方法有添加化学破乳剂、pH调和、重力或离心沉降、电破乳、谐波破乳、真空分离法等分析现有真空滤油机脱水效率低的原因,提出采用全真空系统、立式多延时分层真空分离、活动真空分离罐和压缩机制冷等方法提高真空滤油机的脱水效率并取得较好效果。

  本文从理论上深入分析影响滤油机脱水效率的关键因素。首先针对典型的真空滤油机进行了非定常数值模拟,揭示滤油机油水混合液在一定真空条件下的油、水、汽的三相流体动力学特征。

  真空滤油机的典型结构示意图如所示。真空抽气口连接真空泵,向滤油机内部提供一定的真空,具有一定温度的油水混合液在标准大气压的作用下从滤油机顶部进口管经过流体分配器喷射进入圆形罐体;在罐体中部设置有分离塔板,混合液在孔板中具有曲折复杂的路径,油中水分得到充分的蒸发,其蒸汽向上通过真空抽气口排出罐体除去水分的油液沉降在罐体底部由出油口排出系统。可见,真空滤油机内涉及到3种流体:油、水和蒸汽,是一个传质和相变相互耦合的复杂分离系统。

  1.1.1雷诺应力模型雷诺应力模型(RSM)是求解雷诺应力张量的各个分量的输运方程,完全摒弃了基于各向同性涡粘需的热量,在本文中不考虑液滴加热阶段,即认为送入液滴的热量等于液滴蒸汽带走的热量,因而Qn =0;为液滴的蒸发潜热;p为液滴的比热容;T.为油液的温度。

  1.2计算模型和边界条件对计算模型利用gambit2 3.16进行网格划分,选择直径为0.45m的真空滤油机作为研究对象,除油水进口和真空抽气口局部区域外,真空滤油机流场具有轴对称性,计算模型结构示意图如所示。

  考虑到在满足网格足够细密的基础上,尽量减少网格数量以减少计算量,提高收敛的稳定性,因此本算法采用四面体非结构网格,在真空滤油机罐体壁面、进油口和真空抽气口等区域采用边界层网格进行微调,以捕捉低压和逆流等流动特征,共划分312057个网格单元。

  利用ANSYS.12中的RSM模型对真空滤油机进行仿真,基于有限体积法对控制方程进行离散,选取二阶迎风差分格式,对流动时均控制方程组的数值求解采用SIMPLE算法,压力插补格式为PRESTO水滴相变过程采用自行编写UDF文件进行。

  计算介质为油水混合物,主相为油,密度为889kg/m3,粘度为0. 8265kg/m.s,次相为水,密度为1000kg/m3,粘度为进口边界:油水混合物进过超声波振动已充分混合均匀,根据已知的真空罐体内的真空度和进口压力可直接得到入口截面法向的时均速度值以及相应的湍流参数。其中油水进口压力为0.1MPa,初始温度为343K,真空罐体内压力设置为1kPa,真空抽气口压力为0Pa出口边界:出口按照湍流流动充分发展处理,给定出口静压为大气压,以及相应的湍流参数。

  壁面边界:壁面为无滑移边界条件,近壁区采用非平衡壁面函数近似处理。

  分离塔板:采用多孔介质处理,设置三维矢量方向为油流方向,定义孔隙率porousity为0.9,定义粘性阻力1/a分别为2.2527X107,2.2527X1010,22527X1010与内部阻力C2 2数值计算结果与分析为了分析真空滤油机内油、水、汽三相的动态特征,取油水入口截面为Z=0平面,在滤油机内部选取5个垂直于滤油机几何轴线(Z轴)的平面,其中滤油机分离塔板高400mm,其上表面轴向位置为一293mm,下表面轴向位置为一693mm,则定义为Z =―193,Z=―293,Z=―493,Z=―693,Z=―893,分别表征分离塔板上表面及其以上、塔板内部、下表面及其以下共5个截面3个区域的湍流特征。

  2.1压力分布所示为用RSM模型对流场进行数值模拟得到的滤油机内5个截面的压力分布图。从中可以看到,油水混合液在入口处压力大,为系统的真空压力1kPa在分离塔板区域内压力很小,在90Pa以下,表明油中水滴的蒸发作用主要在此区域进行。从(a)可以看到,随着半径的减小,压力逐渐升高,在轴心处压力达到1kPa,为压力高点,这是由于真空抽气口设置在油水入口附近,且油水混合液在滤油机罐体内外压差作用下喷射进入罐体的缘故。从(a)还可以看到,滤油机中心附近压力梯度较大,靠近壁面附近压力梯度较小。对于油中水滴蒸发形成的蒸汽而言,靠近壁面附近蒸汽此时受魅的由内外面压力差e引起的合1力较小运动轨迹受到影响较小,因此会继续沿着壁面向上运动;而对于轴中心区域蒸汽而言,由于此处压力变化剧烈,蒸汽内外面所受的不同压力会对蒸汽产生一个径向力,使蒸汽径向移动,由于外表面所受压力小于内表面所受压力,径向压力梯度产生的力的万向指向壁面,使蒸汽有向壁面运移的趋势,从而实现液汽分压力沿径向分布图在分离塔板区域,由于塔板的粘性阻力和内部阻力作用,入口进入的油水混合液的流动形态逐步得以趋缓,与(a)不同,不但压力值降低,而且压力峰值逐渐由半径r=75mm(如(b))转移到壁面附近(如(d)),蒸汽的径向运动和轴向运动变慢,增大了在塔板内的停留时间,如(c)所示,压力值较小,压力呈对称分布且在r=110mm左右出现0Pa压力;经过充分的蒸发过程后,油流进入罐体下部,轴向中心低压范围增加,压力峰值在r= 130mm附近((e)),壁面附近的蒸汽受压力作用向壁面移动,轴中心的蒸汽会被压力作用向排油口移动,利于滤油机的工作循环的完成。

  2.2径向、轴向速度分布所示为各个截面的径向速度分布图,从(a)、(d)中可以看到,径向速度分布是以滤油机中心轴线为对称轴径向分布的,沿滤油机壁面向中心方向,经向速度逐渐增大,在某个径向位置达到大,之后随半径的减小而迅速减小,则数值模拟较准确地模拟了径向速度的分布规律,径向速度大的面把滤油机内部的流场分为准强制涡和准自由涡,在外部的准自由涡内,径向速度随半径的减小而增大,而准自由涡区内由于旋转强度低,对蒸汽的携带作用减弱有利于蒸汽在壁面附近被捕集;而在中心区域的准强制涡内,径向速度随半径的减小而减小,准强制涡运动的离心作用有利于将蒸汽甩向外部。

  (b)、中径向速度为负值(由壁面指向轴心),且在r=75mm附近出现一个低值,这有利于将分离塔板上表面区的油水混合液向轴心运动,以及将分离塔板下表面区的油水混合液向排油口移动,为滤油机的下一步骤的进行提供条件。从(c)可以看出,除了壁面附近径向速度有小幅波动外,轴心区域的径向速度近似为零,从而利于油水混合液在分离塔板内充分蒸发。

  轴向速度沿径向分布图轴向速度影响油水混合液在滤油机内停滞的时间,停滞时间越长,越有利于分离。所示为各个截面上的轴向速度分布图。从图可以看到,轴向速度呈轴对称分布,由滤油机壁面向内,随着半径的减小,轴向速度逐渐增大,此时方向为正,朝向真空抽气口,并在某处升高到大值,之后又随半径的减小而减小,减小到0后,继续反向增大直至大,方向指向排油口。

  从(a)可以看到,在该截面上朝向排油口的轴向速度在数值上远大于朝向真空抽气口的轴向速度,且朝向排油口的轴向速度的半径范围较大,说明在该截面上有较多的介质向下进入了分离塔板区;而(e)与(a)相反,即分离塔板下部利于蒸汽向上排出。由于受到滤油机工作方式的影响,即油水混合液沿轴向流动,在分离塔板内部,如(b)一(d)所示,虽然向下的速度较大,但数值相比(a)、(e)较小,起到了延长蒸发时间的作用。

  2.3汽相体积浓度分布为各个截面的汽相沿径向的体积浓度分布图,可以看到除―193、Z二一293、Z二一493截面外各个截面的体积浓度分布都随着半径的增加而增加,在壁面附近浓度较高,而轴心区域的体积浓度沿流动方向上逐渐增加,近似为上一个截面的壁面值,表明滤油机的蒸发主要发生在分离塔板区,与压力分布和径向速度分布图的分析一致。Z=―693、Z=―893两个截面的体积浓度随径向增加而减小,这是由于分离塔板下表面以下区域主要是将蒸发后的油液排出滤油机外,由相应压力和径向速度的作用蒸汽有向轴心移动、积聚的趋势。

  2.轴向蒸发效率蒸发效率是衡量真空滤油机脱水效能的指标,一般定义为滤油机入口油水混合液中含水体积浓度V入口与出口含水体积浓度V出口差之比E分离二厂入口,V出口X V入口利用本文的模拟模型,在入口含水10的条件下,获取了滤油机的水相体积浓度沿轴向的变化规从看出,真空滤油机的水相的体积浓度随着轴向由入口初始的10到滤油机排油口的8,蒸发效率不高为20,但是在一693mm到一293段,水相体积浓度曲线明显发生较大的转折,这对应于滤油机的分离塔板的上下两个表面。其中水相浓度的小值就出现在一693mm附近为6. 1,蒸发效率近似是排油口部分的一倍,达39.通过在滤油机的5个截面处安装水分在线监测传感器,利用LABVIEW编制相应的数据采集、处理程序,可得相应位置的含水浓度,如所示。可见实测点与数值计算结果比较接近,从而验证了本文所建立的仿真模型的有效性和可行性。

  3结论利用RSM模型和蒸发模型,建立了真空滤油机内油水汽三相动力学方程组,通过设定边界条件,对滤油机内部的复杂的三相湍流和相变运动进行了数值模拟,计算了其蒸发效率,并将水相沿轴向的体积浓度分布曲线与实测值比较,验证了该模型的有效性。

  分析了滤油机内部压力沿径向的分布规律,分离塔板上部区域滤油机中心附近压力梯度较大,靠近壁面附近压力梯度较小,有助于蒸汽有向壁面运移的趋势,实现液汽分离;分离塔板内部压力趋缓,使蒸汽的径向运动和轴向运动变慢,增大了在塔板内的停留时间。

  数值模拟较准确地模拟了经向速度的分布规律,经向速度大的面把滤油机内部的流场分为了准强制涡和准自由涡,在外部的准自由涡内,经向有利于蒸汽在壁面附近被捕集;而在中心区域的准强制涡内,经向速度随半径的减小而减小,有利于将蒸汽甩向外部。

  轴向速度呈轴对称分布,由滤油机壁面向内,随着半径的减小,轴向速度逐渐增大,利于蒸汽排出真空抽气口;在到达大值之后又随半径的减小而减小,将滤油机通过分离塔板分为分离区和蒸发区。

  分析了不同区域截面的汽相沿径向的体积浓度分布,蒸发区的各个截面的体积浓度分布都随着半径的增加而增加,在壁面附近浓度较高;分离区的两个截面的体积浓度随径向增加而减小,与相应压力和径向速度的分析一致。

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