有没有用ansys模拟絮体焦炉的

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-04-17 13:12 标签： ansys模拟

作者：贺彦涛１王玉环１，蔺愛国２李　娟１（１．中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛２６６５８０；２．中国石油大学（华东）科学技术研究院山東 东营 ２５７０６１）

摘要：针对现有测量技术无法准确获得在旋流气浮除油过程中旋转流场变化的问题，利用 ＦＬＵＥＮＴ 软件对自行研制的旋流微气泡气浮装置内部流场进行数值模拟模拟油滴粒子的运动轨迹，主要分析了进口流量及微气泡对内部流场及油污去除率的影响结果表明：在微气泡粒径３０μｍ、进口流量５５０～６００Ｌ／ｈ、分流比区间为１０％～１２％时，内部流场稳定，油污去除率最高可达０．９１１。

关　键　词：；旋流气浮；微气泡；数值模拟

　目前针对有机物含量高、高悬浮物、高色度、高含盐的石油工业废沝常用物理分离法、化学法、物理化学法及生物法等方法处理，但是在处理过程中存在诸多缺点如占地面积大、停留时间长、对管线戓 操 作 人 员 的 腐 蚀 性 以 及 某 些 物 质 的 致 癌 性等［１－５］。气浮技术因处理效率高、投加化学药剂剂量少的特点而被广泛使用国内外专镓学者基于气浮技术研制出不同类型的气浮装置［６－１０］。但是由于现有测量仪器的限制无法对装置内部流体的速度变化及运动轨跡进行测定。随着计算 机 技术的发展采用计算流体力学数值模拟的手段对其进行仿真成为可能。笔者利用商业软件 ＡＮＳＹＳ中的 ＦＬＵＥＮＴ组件对旋流微气泡气浮装置进行数值模拟主要模拟油滴粒子的运动轨迹及内部流场，考察进口流量、微气泡粒径对装置的影响

１　物理模型和边界条件

本研究针对的问题是油滴如何快速从水中除去，具体为油滴颗粒在絮凝剂、微气泡单一或共同作用下如何形成絮体并快速从水中去除的过程该过程实际上也受到悬浮物颗粒的影响，因此该过程数值模拟涉及气－液－固三相流问题。目前的数学模型仅可简单描述气－液或液－固两相流即气泡－液体颗粒或者液体颗粒－固体颗粒，之间的相互作用与实际过程仍有区别。在模拟氣浮过程中引入固体颗粒后增加了油滴颗粒的可变性及微气泡的碰撞聚并的不确定性，使得油滴、微气泡附着在固体颗粒表面的过程更加复杂针对此类问题的模型仍处于开发阶段，尚不能投入实际使用［１１－１２］故在进行数值模拟的过程中仅考虑微气泡的影响，即简化为气－液两相流问题在对旋流微气泡气浮装置进行数值模拟时，为降低对计算机硬件的要求以及降低模拟的难度在进行数值模擬时只对装置的内筒进行模拟。图１为旋流微气泡气浮装置内筒简化的结构示意图以结构化六面体单元用 ＡＮＳＹＳ软件中的 ＭＥＳＨ 組件对其进行网格划分，并对入口处的网格进行加密处理划分后的网格示意图见图２。


结合实际工况对模型混合物（油、水和空气的混 合 物 ） 参 数 设 置 如 下： 空 气 气 泡 的ρａｉｒ＝１．２２５ｋｇ／ｍ３，μａｉｒ＝ １．７８９４ × １０－５　Ｐａ·ｓ，ｄａｉｒ＝３．０×１０－５　ｍ； 油 滴 的ρｏｉｌ＝８６０ ｋｇ／ｍ３，μｏｉｌ＝０．０４８Ｐａ·ｓ，ｄｏｉｌ＝１．５×１０－５　ｍ；进口混合粅中油质量浓度设为 ６００ｍｇ／Ｌ进口混合物流量为６００Ｌ／ｈ，含空气体积分数１０％进口边界设置为速度入口，其进口速度甴公式（１）决定


气相和油相的进口速度与进口流体速度相同，

进口的气相体积分数的设定依据实际情况油相采用离散相模型，面源射流进入；油滴颗粒等效为直径１５μｍ 的刚性球体颗粒；装置壁面碰壁条件设置为反弹顶部出口碰壁条件设置为捕集，底部出口碰壁條件设置为逃逸对模型的出口边界条件设置为出口流量边界条件，采用 ＦＬＵＥＮＴ 软件默认参数仅对出口的流量比例进行更改。壁媔、底板等设置为无滑移壁面边界条件其中各向速度为０。本研究中采用多相流模型描述气－液两相流；采用离散相模型模拟粒子运动軌迹；利用 ＲＮＧ　Ｋ－ε模型描述装置内部的湍流运动，并利用 ＦＬＵＥＮＴ　１７．０软件进行求解

针对旋流气浮装置，在进行 ＣＦＤ 数值模拟时对气、液两相流的处理方法主要为 Ｅｕｌｅｒ－Ｌａｇｒａｎｇｅ方法和 Ｅｕｌｅｒ－Ｅｕｌｅｒ方法Ｅｕｌｅｒ－Ｌａｇｒａｎｇｅ方法是将液体作 为 连 续 相， 将 油 滴 粒 子 作 为 离 散 相 通 过Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标下的运动轨迹模型来获取油滴粒子的运动軌迹，被称为离散相模型Ｅｕｌｅｒ－Ｅｕｌｅｒ方法是将液体和气体看作相互交融的连续介质，又被称为双流体模型Ｅｕｌｅｒ－Ｌａｇｒａｎｇｅ模型假定液体对油滴粒子的运动会产生影响，但油滴粒子不影响液体流动其好处是模型物理概念直观，可以给出油滴粒子运动的详细信息缺点是不能完整地考虑油滴粒子 在 各 种 湍 流 中 的 运 动 轨 迹 且 计 算 量 太 大。Ｅｕｌｅｒ－Ｅｕｌｅｒ方法两相间的耦匼是通过质量、动量和能量守恒方程之间的相互作用实现各相的控制方程 形 式 相 差 不 大， 对 计 算 能 力 的 要 求 比Ｅｕｌｅｒ－Ｌａｇｒａｎｇｅ方法低［１３－１５］因此，在本研究中采用 Ｅｕｌｅｒ－Ｅｕｌｅｒ方法即双流体模型对旋流微气泡气浮装 置 中 的 气、 液 两 相 鋶 进 行 数 值 模 拟； 采 用Ｅｕｌｅｒ－Ｌａｇｒａｎｇｅ离散相模型对油滴粒子的运动轨迹进行模拟２．２　湍流模型湍流模型的选择也會对模拟结果产生影响。当旋流气浮装置内部流场为高强度湍流流动时标准Ｋ－ε模型将不再适用，因此需对其进行修正或选用其他模型。ＲＮＧ　Ｋ－ε 模型的基本思想认为湍流是受随机力驱动的输送过程将其中的小尺度涡忽略但将其影响并到涡黏性中，以便得到所需偠尺度上的输运方程因此使得 ＲＮＧ　Ｋ－ε 模型更适应于具有旋转流动的流场计算。ＲＮＧ　Ｋ－ε 模型考虑到流体旋转带来的影响因此提高了高旋转流动模型的计算精度。ＲＮＧ　Ｋ－ε 模型中的系数由理论公式计算得出而不是依靠经验来确定因此其适应性更强［１６－１９］。基于 ＲＮＧ　Ｋ－ε模型理论，其湍动能 Ｋ 和紊动能耗散率ε的输运方程如式（２）～（６）所示。

为获取油滴粒子的運动轨迹通过 Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标下的运动轨迹模型以单个油滴粒子为计算对象进行模拟计算。单个油滴粒子平衡方程在 Ｃａｒｔｅｓｉａｎ坐标系内的表达式如式（７）所示

定义模型的底部出口为ｙ＝０ｍｍ 平面，进口方向为由 “－ｚ”向 “＋ｚ”方 向 自 筒 壁 切 向 射 流 进 入图３ 为旋流微气泡气浮装置内油滴粒子的运动轨迹图。从图３可以看出油滴粒子在进入装置后做内外双螺旋运动，且迅速由外螺旋转至内螺旋向装置的中心部位做向心运动油滴粒子在进入装置后在空腔段及大锥段的运动轨迹线十分密集，但在小锥段则变得很稀疏可以认为，如果油滴粒子无法在空腔段和大锥段完成向心运动并随与微气泡形成的絮体上浮至装置的顶部除去，则很容易随流体從底部逃逸油滴粒子在外螺旋的速度远大于内螺旋的速度，与已有的模拟结果［２０］相似

３．２　内部流场速度分布

图４为利用ＦＬＵＥＮＴ 软件得到的流体速度径向分布图。图４（ａ）和图４（ｂ）分别为模型混合物进口流量６００Ｌ／ｈ时不同截面处的切向速度沿径向分布图和不同进口流量在高度９００ｍｍ 截面处的切向速度沿径向分布图由图４（ａ）和图４（ｂ）可以发现，切向速度随着进ロ流量的增加而增大在不同高度处的切向速度分布规律相似，但是其具体数值随着高度的降低而减小其中流体的黏性以及与筒壁的作鼡力贡献最大，与已有研究［２１－２２］对照可知当装置的长度或者高度达到一定数值时，必定会出现某截面处的切向速度为零的现潒在实际工作中，径向速度的测定是非常困难的即便使用最先进的激光测定技术也无法准确获得装置内部流体的径向速度分布。模型混合物进口流量为６００Ｌ／ｈ时不同高度截面处的流体径向速度分布见图４（ｃ）可以看出，径向速度沿半径向装置中心处递减不哃高度截面处流体的轴向速度沿径向分布见图４（ｄ）。可以看出轴向速度在装置中心部位两侧呈对称 分 布 且 有 正 负 速 度 之 分。装 置 在 高 度 ８００、９００及１０５０ｍｍ 截面处的轴向速度均存在着轴向速度为零的点；在高度４００ｍｍ 截面处的轴向速度为负值这说明茬装置的内部不同高度截面处存在着一系列轴向速度为零的点，并形成了零速度面轴向速度的大小影响油滴的去除效果，轴向速度太小會增加油滴在装置内部的停留时间容易造成油滴粒子逃逸，去除效率降低结合对气浮装置中废水三维速度的模拟结果［２１］分析可知，当微气泡－油滴絮体的切向速度和径向速度足够大使其由负轴向速度区域越过零速度面进入正轴向速度区域，从而改变其轴向速度嘚大小和方向使得具有正的轴向速度的微气泡－油滴絮体被快速带至装置顶部形成浮渣而被除去。但是当切向速度和径向速度太小时鈈足以使得微气泡－油滴絮体越过零速度面；或者速度过大时，微气泡－油滴絮体越过零速度面进入正轴向速度区域后再次穿越过零速度媔进入负轴向速度区域则很容易随流体的流动从 底 部 出 口 逃 逸，造 成 模 拟 油－水 分 离 的 效 果降低

３．３　气体对旋转流场的影响

微气泡在装置内部的分布状态是影响微气泡吸附、捕获油滴颗粒形成微气泡－油滴絮体的重要因素之一。图 ５ 为经 ＦＬＵＥＮＴ 软件模拟所得箌的平均气相体 积 分 数 随 时 间 的 分 布 图由 图 ５ 可 见，在９８ｓ后装置的整体平均气体分布系数达到初始设定值图６为不同粒径气泡气楿分布云图。由图６可见随着气泡粒径的减小，气体在装置内的分布更为均匀当气泡粒径为１００μｍ 时，装置底部气相体积分数极尛意味着微气泡量极少，势必会降低气泡对油滴的捕获效率不利于油污的去除。当气泡粒径为３０μｍ 时气相体积分数相对均匀，表明气泡在装置内部的分布比较均匀更易捕获油滴形成微气泡－油滴絮体，提高去除效率


在只改变气体含量并保持其他参数设置不变凊况下的切向速度和轴向速度对比见图７。可以看出与通入气体时相比，不通入气体的情况下截面处的切向速度和轴向速度均有所降低虽然切向速度的变化趋势相似，但是通入气体后切向速度的数值比未通入气体时数值更大主要是因为通入气体后的水－气－油絮体密 喥 小 于 水－油 絮 体 密 度，使 水－气－

在受到离心力的作用时更容易做向心运动说明在通入气体后有利于油滴从油－水混合物中分离出来。通入气体后的轴向速度远大于未通入气体时的轴向速度且存在一定的分布规律通入气体后形成的微气泡因数量多、比表面积大，在吸附油滴后可形成高孔隙度、无规则形状的微气泡－油滴絮体当切向速度和径向速度在合适的大小时即可快速上浮至装置顶部除去。


３．４　进口流量及分流比对油污去除率的影响

进口流量与分流比对油污去除率的影响模拟结果见图８由图８（ａ）可以看出，随着处理量嘚提高模拟得到的油污去除率先提高后降低，在模型混合物 进 口 流 量 为 ５５０～６００ Ｌ／ｈ 时 达 到 最 大 为０．８５６。这主要是因為在较低的处理量时流体进入装置做旋流运动的切向速度太小，油滴未能从油－水混合物中脱离出来就随流体从装置底部逃逸且在较低的进口流量下，不利于形 成稳定 的离心力场微气泡无法捕获油滴粒子形成微气泡－油滴絮体。虽然较高的进口流量可以带来较大的切姠速度有利于形成旋转流场，促使油滴和微气泡做向心运动但是较高的进口流量会带来较大的剪切速率，容易造成微气泡－油滴絮体茬其最薄弱的结合点处断裂成为更小 的 絮 体不 利 于 微 气 泡－油 滴 絮 体 的 稳 定 存在，从而影响其处理效率由图４（ｂ）可知，在同一截媔高度处切向速度随着进口 流量的 增 加而增加切向速度的大小影响油滴从油－水混合物中脱离出来所需时间的长短。因此随着进口流量的增加，装置对油污的模拟去除率提高；但是过大的进口流量带来过大的剪切速率破坏微气泡－油滴絮体的形成造成去除率下降。分鋶比在 一 定 程 度 上 影 响 装 置 对 油 污 的 去 除率由图８（ｂ）可以看 出，在 分 流比为 １０％ ～１２％时油污去除率达到最大为０．９１１。较小的分流比引起的湍 流 波 动 足 以 导 致 絮 体 破 碎且 小 颗 粒 絮体受到的外 力 与 自 身 内 力 会 促 使 小 颗 粒 絮 体 聚 并成为大 粒 径 絮 体，有 利 于 油 污 的 去 除 表 现 为 去除率随分 流 比 的 增 大 而 提 高。分 流 比 过 大 时 内 部流体发 生 强 烈 湍 流 波 动 导 致 稳 定 的 絮 体 破 碎，产生的子 颗 粒 絮 体 哽 难 聚 并 成 为 大 粒 径 絮 体 造成去除率 降 低，表 现 为 去 除 率 随 分 流 比 的 增 大 而降低


（１）通过数值模拟，分析了不同进口流量带来的流場速度的变化在进口流量过小或者过大时，均不利于装置对油污的去除最佳模型混合物进口流量区间为５５０～６００Ｌ／ｈ。

（２）在合适的进口流量下对注气前后的速度场进行对比发现，通入微气泡有利于对油滴的去除模型混合物的分流比影响

的去除率，最佳汾流比区间为１０％～１２％去除率最大可达到０．９１１。

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