论文部分内容阅读
因具有占地少、效率高、成本低、无污染等优点,旋流分离在油水分离领域的应用正在不断深入。旋流分离为不完全分离,水力旋流器的结构参数是制约旋流分离性能发挥的关键因素,当旋流器的分离效率达到一定峰值后,进一步提升则比较困难;操作参数(主要是入口流量和分流比)、油滴粒径以及脉动入口流量对分离效率的影响亦比较敏感。为解决这些问题,以串联旋流器的优化设计和流场特性分析为主线,开展了串联旋流器的结构优化设计研究,并且探究了油滴的破碎与聚结、脉动入口流量与脉动油相浓度对分离性能的影响程度。设计了螺旋入口型二级旋流器的结构,应用尺寸优化方法,优化了二级旋流器的长度参数;基于Fluent网格变形原理,以分离效率为单目标函数,运用外形优化方法,确定了二级旋流器的最佳结构参数,实现了分离效率的最大化。以时均化的纳维-斯托克斯方程为基础,采用雷诺应力湍流模型和混合多相流模型,模拟了一级旋流器、二级旋流器以及串联旋流器内流场流动规律。基于ANSYS Workbench设计探索模块,以分离效率和压降为多目标函数,采用多目标优化方法,着重优化了一级旋流器的结构。在不增大压降的前提下,进一步提高了一级旋流器的分离性能,突破了旋流器结构优化的瓶颈,确定了效率和压降之间的均衡值。采用多参数多目标的优化算法,获得了一级旋流器的最佳操作参数,并经实验验证了旋流器分离性能是真实可靠的。以分离效率、压降、油滴粒径和操作参数的适应性为衡量标准,评估了串联旋流器的分离性能,分析了串联旋流器的流场特性,经PIV实验确认了速度的模拟值和实验值具有一致的分布规律,通过油水分离实验验证了串联旋流器的分离性能,误差在5%以内。探讨了旋流分离的基本特性以及串联旋流流场的油相分布规律。采用群体平衡模型,确定了串联流场中,油滴在破碎与聚结的作用下,油滴粒径的分布规律、油滴数量密度的分布规律以及破碎与聚结对分离性能的影响,为分析串联分离性能的影响因素提供了理论参考依据。模拟并实验验证了脉动流条件下的流场特性,定量分析了脉动流量和脉动油相体积分数对分离性能的影响程度。经优化设计后的两级串联旋流器不仅具有较高的分离性能,而且对油滴粒径和操作参数均具有较好的适应性,达到了设计预期。