利用CFX软件模拟计算旋风分离器内流场

利用CFX软件模拟计算旋风分离器内流场

静设备

石油化工设备技术，２０１０，３１（５） １

Ｐｅｔｒｏ—ＣｈｅｍｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

利用ＣＦＸ软件模拟计算旋风分离器内流场

李进锋，吴德飞，何细藕

（中国石化工程建设公司，北京１００１０１）

摘

要：采用ＣＦＸ软件时某旋风分离器内的三维气田两相流场进行数值模拟。气相采用四种湍流模

型，颗粒相采用拉格朗日坐标下的随机轨道模型。计算结果与实验值进行对比，并考察不同操作因素对旋风分离器分离性能的影响。对比计算结果说明：ＳＳＧ模型的计算结果较为合理，且旋风分离器的分离性能对操

作奈件的变化响应及时；基于ＣＦＸ软件的模拟计算能够较为准确的预测旋风分离器内的流动情况，为开发

和设计适宜的旋风分离器提供了一定的技术参考。

关键词：旋风分离器；ＣＦＸ软件；气固两相流；数值模拟

旋风分离器因结构简单、能耗低、便于操作和维修方便等特点在工业领域尤其是石油化工行业得到广泛的应用。长期以来，采用旋风分离器针对不同工况和工艺特点实现高效气固分离始终是

研究和设计人员感兴趣的问题之一。

何模型，为了提高计算的精度，完全采用结构化网格来划分整个计算域（如图１所示）。在保证计算精度的前提下，为了节省计算成本，本文对计算网

格进行特殊处理，在流场变化较大的近壁及出入

口附近加密网格，网格数共计１５，４５１２个。

旋风分离器内存在流体旋转及回流等现象，流场具有各向异性的特点，流动较为复杂。数值模拟结果准确与否。很大程度上取决于所采用的湍流模型是否恰当［１］。目前对湍流流动的数值模拟研究主要有三种方法：直接数值模拟（Ｄｉｒｅｃｔ

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，简称ＤＮＳ）、大涡数值模

Ｅｄｄｙ

商耐越园Ｏ如卯如商

如拼卯

（ａ）尺寸（单位：ｒａｍ）图１

（ｂ）网格划分

拟（Ｌａｒｇｅ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，简称ＬＥＳ）和雷诺平

均模拟（ＲｅｙｎｏｌｄｓＡｖｅｒａｇｅＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａ—

ｔｉｏｎ，简称ＲＡＮＳ）［２］。本文在气相场计算中，使用了雷诺平均模拟方法中的矿￡、ＲＮＧ舻￡、ＳＳＴ和ＳＳＧ四种湍流模型。

研究旋风分离器内颗粒相流场不可避免引入多相流，ＣＦＸ软件处理多相流有两种不同的方法［３］：一种是只把流体作为连续介质而把颗粒群作为离散体系，探讨颗粒动力学，也即颗粒轨道模型；另一类是除流体作为连续介质外把颗粒群当作拟连续介质或拟流体，设其在空间中有连续的速度和温度分布及等价的输运性质（粘性，扩散，导热等），即欧拉双流体模型。本文在气固两相场的计算中采用第一种方法。

１

收稻日期：２０１０—０７—２８。

旋风分离器计算模型

１．２边界条件

（１）人口边界：人口的流动状况显著影响着下游的流体分布。计算中在旋风分离器的入口处设定的边界条件为：常温常压下的空气，气速为

１０

ｍ／ｓ，密度ｌＤ＝１．２ｋｇ／ｍ３，粘度卢＝１．８×１０＿５

作者简介：李进锋（１９７９－－），男，河南洛阳人．２００６年毕业于中国石油大学（北京）化工过程机械专业。获工学硕士学位，现在中国石化工程建设公司工业炉室从事乙烯裂解炉的设计与开发工作，已发表论文１篇。

几何模型与边界条件

１．１几何模型与网格划分

本文完全按照旋风分离器的实际尺寸建立几

Ｅｍｉｌ：ｌｉｊｉｎｆｅｎｇ＠ｓｅｉ．ｃｏｒｎ．ｃｎ

利用CFX软件模拟计算旋风分离器内流场

２

石油化工设备技术

２０１０年

Ｐａ ｓ：

２气相场计算结果与分析２．１不同模型下切向速度分布

由文献［１３可知，由于实际流体具有一定的粘性，因此通常情况下，旋风分离器内部旋流运动中心为类似刚体旋转的涡核，外部则是准自由涡区

域，也即兰金（Ｒａｎｋｉｎ）组合涡。从图２可以看出，

（２）出口边界：旋风分离器数值模拟过程中，出口边界条件是影响计算结果准确性的因素之一。文献Ｈ１研究表明应用压力出口边界条件进行数值模拟时，计算结果准确性会提高。本文计算中适当延长出口芯管长度，采用压力出口条件，数值为０Ｐａ（表压）；

（３）壁面边界：壁面效应是湍流和涡流的产生来源，因此壁面边界条件对计算结果的准确性有着显著影响。本文采用无滑移光滑壁面边界条件。

２

使用旷ｅ模型计算时不同高度沿轴向切向速度尽管有涡核出现，却在范围上有一定的局限性。ＲＮＧ扩￡和ＳＳＴ模型下的计算结果虽然较标准扩ｅ模型有所改进，但内外流动区域的分界位置仍然靠近壁面，与文献报道的有较大的出入。而基

萎，

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０．５１．０一１．０—０．５

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ｒ｜Ｒ

Ｒ

（ｂ）ＲＮＧ

ｒｆＲ

（ａ）．ｃ ｇ模型

Ｋ ８模型（ｃ）ｓｓ＇ｒ模型（ｄ）ＳＳＧ模型

图２不同高度切向速度分布

Ｒ一旋风分离器半径；ｒ取值点距离轴心距离．ｍｍｓＶ。和Ｖ．一切向速度和人口速度Ｉｙ。／Ｖｉ～无量纲切向速度

利用CFX软件模拟计算旋风分离器内流场

第３１卷第５期李进锋等．利用ＣＦＸ软件模拟计算旋风分离器内流场

于湍流各向异性的ＳＳＧ模型对切向速度的模拟气流。在外侧下行流区域，随着半径的增大，气体的流速也逐渐增加；在上行区域里，某个高度如果出现下行的气流，对颗粒的分离是不利的。静压分布也呈轴对称分布，在同一高度，随着半径的增大静压随之增大，壁面附近最大，高度从上到下，这种变化程度加剧。湍动能是指单位质量流体由于湍流脉动所具有的动能，从图中可以看出，旋风分离器内同一高度湍动能的分布基本呈轴对称分布。壁面处的湍动能较小，而分离器内 …… 此处隐藏：5896字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……