复杂通道中油滴的运动规律与颗粒周围剪切力场研究

论文摘要

重力式分离器结构简单、操作方便、运行稳定以及维护费用低,是分离器应用比较广泛原因。一股重力式分离器的体积庞大,且效率不高。从其发展趋势来看,通过引入各种聚结填料和合理设计,使分离器向高效性方向发展。本文采用理论分析和数值模拟计算相结合方式,进行了油滴在复杂通道内运动规律和颗粒周围剪切力场研究。首先,针对复杂通道中低雷诺数油滴运动时扰动衰减慢特点,应用低雷诺数流理论,对油滴运动因受边界、环境流动影响以及油滴为流体球,进行了油滴运动阻力修正;并建立适用于重力式分离器内复杂通道中油滴的运动方程和颗粒周围剪切力场边界积分方程和油滴剪切控制方程。其次,应用Fluent软件结合自编程序UDF,对水相采用层流模型,油相采用离散相模型,在对低雷诺数油滴所受到的阻力进行了修正基础上,进行了平板、斜板和波纹折板间油滴运动规律数值模拟计算。结果表明:传统的无界Stokes拟球形油滴其运动规律不同于油滴在另一种与其互不相容的有限空间液体中的运动行为,对于液-液体系,油滴作为流体球,存在减阻正面影响的作用较弱;边界影响、Poiseuille环境流作用下的油滴运动轨迹与无界Stokes油滴相比存在着明显差别,对油滴上浮时间存在延缓效应,其边界的影响作用较大,Poiseuille环境流作用次之;在协同作用下,与传统的Stokes油滴相比较,油滴上浮时间在平板内延缓了17.211%,斜板逆流形式下延缓了18.753%,波纹折板内延缓了20.304%。所以,低雷诺数扰动衰减慢作用随着流道复杂程度增加其影响更加显著。再次,Stokes油滴在平板、斜板、波纹折板间随着流场流速的增加和油滴粒径的减小都会使上浮效率显著地下降。①平板时,垂直方向油滴终端上浮速度与流场的速度大小无关,而与油滴粒径有关;水平方向上油滴迁移速度与油滴粒径无关,迁移速度同步于板间的Poiseuille流场速度,符合零阻力条件;平板间Stokes油滴独立浮升、迁移运动能力强,油滴碰撞对油滴几何参数、初始位置、油滴物性、流场的速度梯度有很大的依赖性,对此建立了油滴碰撞的数学模型,为油滴间的碰撞提供判断依据,来弥补迄今为止几乎没有可用数据来比较油滴碰撞条件的关系式,其计算结果与Matlab数值计算及Fluent软件模拟计算结果相吻合。②斜板时,在错流、并流和逆流的三种流动形式中,Stokes油滴垂直于板方向的上浮速度相同,与流动形式无关;如受低雷诺数协同作用,油滴的上浮速度则不同,与流动形式有关;油滴在板长方向上迁移速度的影响关系不同于水平平板,与粒径大小有关,不再耦合于板间的Poiseuille流场速度,存在运动阻力;斜板逆流形式下,油滴粒径越大,其迁移速度则小,而并流形式下,油滴粒径越大,其迁移速度则大;油滴运动位移、浮升时间随斜板倾角α增大而增长,在层膜能上浮条件,应尽可能减小斜板倾角α;逆流时油滴上浮到上板所需要板长比并流、错流时较短,所以采用逆流形式比错流、并流有优势。③与平板相比波纹折板间油滴浮升时间、水平位移更短些,作为聚结填料比平板存在着很大优势;但波纹折板折角、流场速度较大时,流场易湍急、不稳定,对油滴运动的影响关系变得复杂,对油滴存在旋卷现象,其轨迹线随旋涡上下波动、转圈,不能“自拔”,甚至产生倒流,所以,在应用波纹折板时一定兼顾流场速度、折板折角方能发挥其良好作用。采用多相相混合模型,对引入平板、波纹折板二种聚结填料的油水分离器内部的流场进行了数值模拟计算,通过对速度场、聚结填料对称面及前后浓度的等高线分析,验证了波纹折板聚结填料比平板具有较好的油水分离特性。最后,通过量纲分析指出,影响油滴变形的无量纲数很多,理论和实验对油滴变形破碎很难进行定量描述,采用VOF进行了油滴在剪切场中变形的二维数值模拟分析:油滴的粘度、表面张力对变形起到抑制作用,油滴粒径越大,越易变形、破碎。流场速度梯度越大,油滴就易变形破碎;所以,通过引入聚结填料,在提高工作效率同时,实际上增加了分散相油滴在剪力作用下会发生变形、破碎的风险。而油滴与流场间相对速度较大时,会加剧油水乳化。所以,对于旋流器,必然存在油水进一步乳化现象。本文研究工作已取得阶段性进展,但由于研究过程中对实际问题进行了简化,所得到结果的应用范围有限,在定量方面尚存在有不足,还需大量的实验研究进一步验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 实验研究进展
• 1.2.2 理论研究进展
• 1.2.3 数值模拟计算研究进展
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 复杂通道流体低雷诺数流动特性的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 STOKES流的基本特性
• 2.2.1 Stokes流的数学提法
• 2.2.2 Stokes流的基本特性
• 2.2.3 Stokes流的基本奇点
• 2.3 无界流场作用在油滴上的力
• 2.4 无界流场中油滴的运动方程
• 2.5 阻力修正分析
• 2.5.1 油滴为流体球
• 2.5.2 边界面的影响
• 2.5.3 Poiseuille流场的油滴阻力
• 2.6 剪切力场数学模型
• 2.6.1 Stokes流的Green公式
• 2.6.2 Stokes流的边界积分公式
• 2.6.3 油滴剪切控制方程
• 2.7 小结
• 第3章 平板间油粒运动规律模拟计算分析
• 3.1 引言
• 3.2 模拟计算条件
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 连续流场模拟计算
• 3.3 油滴运动模拟计算分析
• 3.3.1 油滴的雷诺数Re
• 3.3.2 油滴运动轨迹
• 3.3.3 油滴运动速度
• 3.3.4 油滴粒径
• 3.3.5 粘度影响
• 3.3.6 油滴释放位置
• 3.3.7 油滴上浮时间数学模型
• 3.4 油滴上浮效率计算模型
• 3.4.1 油滴临界粒径
• 3.4.2 油滴上浮效率
• 3.5 小结
• 第4章 平板流场内油粒运动碰撞模拟计算分析
• 4.1 引言
• 4.2 同时入场油滴碰撞模拟计算分析
• 4.2.1 油滴同位释放
• 4.2.2 小粒径油滴在大粒径油滴的下方
• 4.2.3 小粒径油滴在大粒径油滴的上方
• 4.2.4 同时入场油滴碰撞模拟计算分析小结
• 4.3 错时入场油滴碰撞模拟计算分析
• 4.3.1 小粒径油滴在大粒径油滴的下方
• 4.3.2 小粒径油滴在大粒径油滴的上方
• 4.3.3 错时入场油滴碰撞模拟计算分析小结
• 4.4 小结
• 第5章 平板流场内油粒运动碰撞数学模型分析
• 5.1 引言
• 5.2 油滴碰撞数学模型
• 5.3 油滴碰撞模型验证
• 5.4 小结
• 第6章 斜板沉降器内油粒运动规律模拟计算分析
• 6.1 引言
• 6.2 斜板间流场数学模型
• 6.3 油滴运动轨迹数值模拟计算
• 6.3.1 数值模拟计算条件
• 6.3.2 油滴运动模拟计算结果分析
• 6.4 小结
• 第7章 波纹折板内油粒运动规律模拟分析
• 7.1 引言
• 7.2 模型假设
• 7.2.1 模型假设
• 7.2.2 模拟计算条件
• 7.3 连续流场模拟计算分析
• 7.4 油滴运动规律模拟计算分析
• 7.4.1 低雷诺协同作用
• 7.4.2 流场速度影响
• 7.4.3 油滴粒径影响
• 7.4.4 波纹折板折角α影响
• 7.5 分离器内聚结构件模拟计算
• 7.5.1 Stokes油滴在波纹折板与平板间运动比较
• 7.5.2 分离器内波纹折板填料与平板填料比较
• 7.5.3 模拟计算结果分析
• 7.6 小结
• 第8章 油滴剪切变形模拟分析
• 8.1 引言
• 8.2 VOF方法原理
• 8.3 剪切流场的描述
• 8.4 油滴变形量纲分析
• 8.5 油滴变形模拟分析
• 8.5.1 速度梯度影响
• 8.5.2 密度影响
• 8.5.3 粘度影响
• 8.5.4 粒径影响
• 8.5.5 表面张力影响
• 8.5.6 油滴速度影响
• 8.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者介绍