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应用CFD模拟进行超重力分离装置填料内流场探索
摘要：为了优化超重力分离装置,课题组对其内部流场进行了研究。通过计算流体力学软件FLUENT对超重力分离装置填料内部的流体流动进行数值模拟,分析了转速、填料外径和丝网尺寸对流场的影响。结果表明:液相速度分布与气相速度分布一致,液相速度主要受气相的影响,与液相入口速度无关;同一转速下填料区气相速度由内向外逐渐增大,各位置的气相速度随转速的增大而增大;气相最大速度与转速和外径有关,与丝网的尺寸无关。数值模拟的结果对超重机的设计与优化有一定的借鉴意义。
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超重力技术是一种传质强化技术，始于20世纪70年代。电机带动旋转轴高速旋转，使转子随之高速旋转。填料上的液体处于远大于地球自身重力加速度的超重力环境，超重力场可以起到强化传质和传热的作用[1]259。
填料内流场分布非常复杂，主要是因为填料的高速旋转和内部细密丝网对流场的影响。Burns和Ramshaw对一个小型超重力装置的PVC填料进行拍摄研究，发现不同转速下液体存在不同的流动状态。郭锴等[2]43使用电视摄像机对填料内液体进行观察，研究液体加速的过程。由于实验条件的限制，以及计算流体力学(CFD)软件的发展，越来越多的学者采用CFD软件对填料内流场进行仿真模拟。栗秀萍等[3,4]对多孔板填料内部流场进行模拟，发现转速对液滴速度有影响，气流量对干床压降有影响。戎娜等[1]260对丝网填料内的油雾颗粒进行模拟，结果显示油雾颗粒的速度和压降随着转速增大而增大，转速对油雾径向速度影响不大。杨文婧[5]对旋转填料床中不同转速及不同流速条件下的液相流场分别进行了模拟，结果表明转速大小与流速大小的合理配合是得到优质流场的重要保证。
前学者对于超重力分离装置填料内部流场数值模拟主要集中在转速和入口速度对气液流场的影响上，而填料结构、内外径大小对流场的影响却少有人研究。故课题组建立了丝网填料的二维模型，对丝网填料的尺寸和填料外径大小对流场的影响进行模拟。课题组的研究为超重机的设计和优化提供了参考。
1、超重力分离装置结构和工作原理
超重力分离装置采用的是立式错流结构，如图1所示。气体由外侧的气体入口进入高速旋转的填料区，由于内外侧压强不同，气体受压差作用从外侧流向内侧，最终由气体出口排出。液体自液体入口进入填料区，受到高速旋转的填料的带动，圆周速度由内到外逐渐增大，最终在离心力作用的影响下从液体出口流出[1]259。
图1超重力分离装置结构
2、建立计算模型
2.1简化物理模型
超重机的填料多种多样，丝网填料应用较为广泛。考虑到实际丝网层相连非常紧密，而且丝网连接方式极其复杂，为建立数值模拟的物理模型，必须对这种复杂的丝网结构进行必要的简化。
课题组采用直径4mm的圆来代替钢丝，径向相邻的两个圆中心距为10mm，由内到外20层共1200个圆，均布于整个填料区，填料区内径325mm，外径725mm。丝网的简化模型如图2所示。
2.2网格划分
课题组基于FLUENT软件的ICEM前处理模块，建立超重力分离装置的二维模型并进行相应的网格划分。由于非结构化网格应用范围更广泛，而三角形网格划分技术更为成熟，为了使网格质量更好，二维模型的网格划分采用非结构化三角形网格。三角形网格对钢丝周边局部加密的网格进行自适应调整，在保证计算的准确性的同时，节省计算时间。
图2填料区二维模型
图2填料区二维模型下载原图
Figure22Dmodelofpackingarea
2.3网格独立性验证
为验证网格独立性，采用不同的单元尺寸对模型进行划分，得到4组网格数，分别为118749,273961,416352和526779。图3所示为网格数对速度分布的影响。
图3网格数对速度分布的影响
由图3可知，网格数为118749和273961的模型计算结果与另外2组模型相差较大，为保证计算精度，在计算时间允许的情况下，选择网格数为526779的模型网格尺寸进行划分，总体网格尺寸设置为2mm，近壁面处进行加密处理，添加5层网格，其中第1层高度为0.3mm，增长比率设置为1.2。
网格划分情况如图4所示，网格单元数为526779，检查网格质量均大于0.4，满足计算要求。
3、求解计算设置
3.1连续相设置
计算软件采用FLUENT16.0。由于填料区丝网的高速转动，流体的流层之间存在相互扰动，故选择κ-epsilon湍流模型。填料区转速为1200r/min，流场内介质为空气，气体参数保持默认。压力速度耦合方式为SIMPLEC，压力离散方式为Standard，残差控制在10-4，迭代次数为200。
图4非结构三角形网格局部图
3.2离散相设置
在连续相计算完成的基础上，再进行离散相计算。油雾喷射源均布于液相入口，喷射速度为0.5m/s。填料区转速为1200r/min，填料壁面为Reflect边界条件，其余参数与连续相相同，迭代次数为500。
4、计算结果与分析
4.1气液两相结果比较
气体连续相速度云图如图5所示，液滴离散相速度云图如图6所示。
从气、液两相速度云图可以看出，液滴的速度分布和气相几乎完全一致，说明液滴随气相运动，液滴的轨迹仍为螺旋形，速度接近于转子的速度。根据郭锴等[2]43-45利用电视摄像机对液体在填料中的观察，液滴在经过10mm左右的填料后会被填料捕获，达到与转子相同的速度。模拟结果与实验观察结果基本一致。
图5气体连续相速度云图
图6液滴离散相速度云图
4.2液体入口速度对液滴速度分布的影响
表1所示为液体入口速度对运动轨迹和最大速度的影响。由表1可以看出将液体的入口速度从0.5m/s逐渐增大，当液体的入口速度为1.0,2.0,3.0和4.0m/s时，液滴的轨迹仍为螺旋状，液滴最大速度仍为46.5m/s。这是由于液体入口速度相对于气相旋转的线速度较小，对液滴的最大速度和运动轨迹影响不明显，液滴速度主要由气相速度决定。
表1液体入口速度对液滴运动轨迹和最大速度的影响
4.3转速对气相速度的影响
同一转速下，气相速度由内向外逐渐增大。调整填料转速从1200r/min逐渐降低到400r/min，各位置的气相速度也随之降低，具体如图7所示。气相最大速度从46.5m/s降低到15.5m/s。由图8可知，转速与气相最大速度成正比。
4.4转速对气相压降的影响
气相压降是衡量设备阻力大小和能量消耗的一项重要指标，分为层床压降、离心压降、干床压降、湿床压降和总压降。课题组模拟的是不加气液负荷的离心压降。
由图9可知，气压由内向外逐渐增大;由图10可知，离心压降随转速的增大而增大，最小压降为155Pa，最大压降为1413Pa，说明转速对干床压降的影响很大。
图7不同转速下各位置气相速度分布情况
图8转速对气相最大速度的影响
图9气相压力云图
4.5填料丝网尺寸对气相最大速度的影响
由表2可知，丝网尺寸对气相最大速度影响很小。主要原因在于气体运动黏度远小于液体，运动黏滞力很小，丝网的细密程度难以对气相速度造成影响。
图10转速对压降的影响
表2丝网尺寸对气相最大速度的影响
4.6填料外径对气相最大速度的影响
由表3可知，气相最大速度随外径的增大而增大。气体由填料带动，气相速度由内到外逐渐加速，外径越大，加速的过程越久，气相最大速度也越大。填料外径对气相最大速度的影响如图11所示。
表3填料外径对气相最大速度的影响
5、结论
课题组建立了超重力分离装置填料区的二维模型，采用FLUENT软件对内部流场进行模拟，研究了气相和液相的速度分布，以及转速、丝网尺寸和填料外径对气相速度的影响，得到以下结论:
图11填料外径对气相最大速度的影响
1)液相速度分布与气相速度分布一致，当液相入口速度小于填料外缘的气相最大速度时，液相速度主要受气相的影响，与液相入口速度无关。
2)同一转速下填料区气相速度由内向外逐渐增大，各位置的气相速度随转速的增大而增大。
3)气相最大速度与转速成正比，随填料外径增大而增大，丝网的尺寸结构对气相速度影响很小。
参考文献：
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翟鑫钰,陆金桂.超重力分离装置填料内流场的CFD模拟研究[J].轻工机械,2020,38(03):48-52.
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