除油水力旋流器三维数值模拟研究

论文摘要

近年来,应用计算流体力学（CFD）的原理和方法对水力旋流器内部流场和分离特性进行数值模拟受到越来越多的重视。采用基于有限体积法（FVM）的大型商业CFD软件——FLUENT,作为除油水力旋流器三维数值模拟的研究工具,对除油水力旋流器的几何结构进行分析,总结出了一套网格划分的方法;依据CFD的基础理论与湍流模拟理论,合理地确定了数学模型、边界条件、对流-扩散项的离散格式和压力-速度耦合算法;结合流体力学中的涡流运动和组合涡理论以及水力旋流器内的流动特性,以清水为介质实现了20mmThew型旋流器内的流场和湍流标量场的全景式模拟;然后对除油水力旋流器的主要结构参数和操作参数逐一进行了模拟分析,得到了它们对流场的影响规律。在确定了CFD方法和成功模拟单相流场的基础上,进一步引进两相流模型,得到了20mmThew型旋流器的油相浓度分布场、流量与分离效率的关系、分流比与分离效率的关系和粒级效率,通过实验验证,其模拟的分离效率与实验测试效率的相对误差未超过5%,可见采用FLUENT软件模拟旋流器的分离性能是可行的;然后又将其内的油水分离过程处理为非稳态的过程,计算得到了油水两相由混合均相来流在旋流器内逐渐分离、聚结、运移并最终形成稳定油心的过程,揭示了大小锥段是影响分离效率的重要部位;对不同锥段型号的除油水力旋流器进行模拟和实验验证,得到了锥段对油水分离影响的规律。最后,从当前除油水力旋流器的设计现状出发,提出了基于CFD的优化设计原则。综合上述,所建立的数学模型、使用的计算方法和提出的优化原则为进一步研究除油水力旋流器的分离机理、流场特性以及结构优化设计提供一定的理论基础和经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 除油水力旋流器的结构
• 1.3 除油水力旋流分离的基本原理
• 1.4 除油水力旋流器的特征参数
• 1.4.1 处理量
• 1.4.2 分流比
• 1.4.3 分离效率
• 1.4.4 压力降
• 1.4.5 压降比
• 1.5 除油水力旋流器的研究方法
• 1.5.1 数学方法
• 1.5.2 实验方法
• 1.5.3 数值模拟方法
• 1.6 FLUENT 软件简介
• 1.7 计算流体动力学在水力旋流器研究中的应用
• 1.7.1 流场数值研究进展
• 1.7.2 轻相浓度场数值研究进展
• 1.8 本文拟开展的研究
• 1.8.1 除油水力旋流器的水动力学分析
• 1.8.2 几何模型的设计与网格划分
• 1.8.3 除油水力旋流器的单相流场模拟
• 1.8.4 除油水力旋流器的两相流模拟
• 1.8.5 基于CFD 的除油水力旋流器设计方法的提出
• 第二章 除油水力旋流器水动力学分析
• 2.1 除油水力旋流器的内流场理论
• 2.1.1 涡流运动的基本特性分析
• 2.1.2 除油水力旋流器内的流动特性分析
• 2.2 除油水力旋流器内分散相油滴受力分析
• 2.2.1 离心力
• 2.2.2 径向压力场及作用力
• 2.2.3 流体介质的阻力——斯托克斯力
• 2.2.4 Magnus 力
• 2.2.5 切应力
• 2.3 本章小节
• 第三章 几何模型与网格划分
• 3.1 几何模型
• 3.1.1 几何模型的尺寸
• 3.1.2 坐标约定
• 3.2 几何模型网格划分简介
• 3.2.1 网格单元
• 3.2.2 网格生成步骤
• 3.3 除油水力旋流器几何模型的网格划分
• 3.3.1 计算区域
• 3.3.2 网格单元的选择
• 3.3.3 湍流模型对计算网格的要求
• 3.3.4 网格生成
• 3.3.5 不同网格体系的质量比较
• 3.3.6 不同网格体系的模拟结果比较
• 3.3.7 最终生成的旋流器网格（以模型M1 为例）
• 3.4 本章小结
• 第四章 除油水力旋流器的单相流场数值模拟
• 4.1 除油水力旋流器中强旋湍流场的数学模型
• 4.1.1 基本控制方程
• 4.1.2 湍流的Reynolds 方程组
• 4.1.3 湍流方程组的封闭模式
• 4.1.4 湍流模型的确定
• 4.1.5 湍流近壁模型的确定
• 4.2 除油水力旋流器数值模拟的离散格式与算法
• 4.2.1 对流-扩散项的离散格式的确定
• 4.2.2 压力-速度耦合算法的确定
• 4.3 不同结构的除油型水力旋流器内的单相流场模拟结果分析
• 4.3.1 旋流器M1 的内部流场的模拟结果
• 4.3.2 锥角的变化对水力旋流器内部流场分布的影响
• 4.3.3 操作参数对水力旋流器内部流场分布的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 除油水力旋流器两相流模拟与实验
• 5.1 多相流研究方法
• 5.2 多相流模型的选择
• 5.2.1 Mixture 模型的连续性方程
• 5.2.2 Mixture 模型的动量方程
• 5.2.3 Mixture 模型的能量方程
• 5.2.4 相对（滑移）速度与漂移速度
• 5.2.5 第二相的体积分数方程
• 5.3 除油水力旋流器M1（Thew 型）的油水两相模拟结果
• 5.3.1 油相浓度分布
• 5.3.2 流量与分离效率的关系
• 5.3.3 分流比与分离效率的关系
• 5.3.4 粒级效率
• 5.3.5 油相旋流分离聚结动态过程模拟
• 5.4 不同结构的除油水力旋流器内的两相流场模拟分析
• 5.4.1 不同角度的大锥角的分离性能比较
• 5.4.2 不同角度的小锥角的分离性能比较
• 5.5 与实验对比
• 5.5.1 实验介绍
• 5.5.2 实验数据
• 5.5.3 M1 的流量—分离效率的关系对比
• 5.5.4 M1 的分流比—分离效率的关系对比
• 5.5.5 锥段角度不同旋流器的分离效率实测
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于 CFD 的除油水力旋流器设计方法
• 6.1 除油水力旋流器设计中存在的问题
• 6.1.1 对除油水力旋流器内流动与分离规律的认识不够
• 6.1.2 对除油水力旋流器应用场合的混合液性质考虑不全
• 6.1.3 应用现场的实际操作条件的波动
• 6.2 基于CFD 的除油水力旋流器设计方法
• 6.2.1 除油水力旋流器的单要素优化指导思想
• 6.2.2 基于CFD 的除油水力旋流器优化设计原则
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢