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流固耦合方法对气携旋流分离的数值模拟摘要：指出了气携式液液旋流器是港区小型化、船载化洗舱、压仓含油废水预处理的关键设备。采用流固耦合数值模拟方法再现压缩机进气、油水旋流与设备本体的整体气浮―旋流―分离耦合计算模型对其核心部件微孔旋流套管的构型、孔径、内外压差及腔内流场分布进行了三维数值模拟得到了微孔旋流腔内汽、水、油三相的流场分布合理确定了注气腔气―水平衡分压、溢流比和微孔孔径并模拟了压缩机、潜水泵正常工况下进气、进水、出水、油污溢流的流量、流速波动范围为该设备的一体化构型设计和加工选材提供了参考数据。关键词：旋流器;气浮;溢流;流固耦合;数值模拟中图分类号：TE357.1文献标识码：A文章编号：1674-9944（2015）04-0279-051引言在港区压载、洗舱含油污水处理回收装置中气携式液液旋流器是工艺流程中预处理工段的核心设备担负着将油污分层回收的功能。该装置集气浮罐和液液旋流器两种分离设备的优点于一体其油水分离效率可达90%以上且占地面积小同时也是未来港区含油污水处理工艺小型化、船载化发展方向重点研发的装备[12]。气携式液液旋流器不是将气浮罐和旋流器的构型和功能简单地叠加而是要从根本上进行全新的构型设计以实现气、液、油三相间的分离该设备的详细构型图如图1所示[3]。其中注气腔与旋流器大椎段之间的微孔旋流管（套筒）是该设备最核心的部件空压机进气通过该部件的微孔进入旋流器锥段实现气浮功能同时利用注气腔内一定的正压确保锥段内油污水正常旋流分离不流出到注气腔形成倒灌[45]。微孔旋流套筒的构型设计和微孔孔径参数对设备整体分离效率、处理性能有决定性影响是工程技术人员研发的重点。利用数值模拟分析如CFD软件Fluent建立各介质在分离设备的场中分布和运动轨迹分析各个构型参数和水利条件对分离效率的影响优选构形参数是近年来化工传质分离设备工程设计的一种趋势[6]。CFD模拟离散相在流场中的传质分离计算工程上一般采用一维计算方法且采用经验公式给定诸多参数[7]。油水两相旋流分离的数值模拟流涉、水油两相相互作用、油滴间相互作用及油滴流动的随机性等的行为多采用欧拉―拉格朗日方法该方法在Fluent中表现为对旋流器内的离散相进行模拟[8]。气携式液液旋流器由于其引入了气浮相旋流器内流场结构呈现三维不对称性由于气体上升流动较为复杂还伴有气泡破裂吸纳油滴的过程所以采用传统的计算方法无法准确预测上述复杂过程。近年来随着计算流体力学和数值传质分离学的发展将二者结合起来进行一体化求解的耦合计算方法为多相间的传质分离问题的解决开辟了新的方向并且已经得到了良好的应用[9]。本文拟将这种方法应用到气携式液液分离器微孔旋流套筒内的多离散相分析中对整个套筒构型进行模拟研究其中考虑了固体壁面作用以及流场内部和油水传质过程。由于油滴粒径较小、浓度低水相流场与油滴运动是相互影响的因此在计算中只需给定整个计算域外边界的边界条件。同时对油滴采用相间耦合随机轨道模式进行预测考虑油滴运动与水体湍流的相互作用利用油滴的运动轨迹来计算整体分离效率[10]。该类方法基于传统经验公式且各相间计算不再孤立进行流场与固壁的模拟整合为耦合求解能更精确地反映流场特性是目前最流行的模拟方法。2研究设备参数和模型描述2.1工艺流程描述本实验所采用的轻质分散相液液分离的气携式液液水力旋流器它将旋流与气浮原理结合起来克服了常规旋流器液滴易破碎和小油滴去除效果差的缺点。它的构型主要包括一个小锥段、一个带有微孔的旋流套筒和注气腔并通过旋流腔入口垫板和旋流腔上盖板将三者联合形成密闭空间。通过螺栓、法兰以及密封垫片构建的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个腔体室原水腔、注气腔之间开有2个平行的切向入口油污水从此进入设备。油污水在旋流管内形成高速旋转的涡流油水之间密度有差从而在离心力作用下密度较小的油滴分散相向内运动形成泊核并最终螺旋向上通过溢流出水管排出。而水体密度较大且是连续相逐渐在外侧向下运动由底流出水管排出。同时空压机将压缩气体注入注气室并经过旋流管壁上的微孔进入旋流管内形成微气泡它们可以携带细小油滴发生气浮作用有效去除油滴提高分离效率。2.2旋流器构形参数实验所用的旋流器微孔旋流管（即核心部件图1中部件20）由具有特殊微孔结构的微孔管加工而成微孔管是标准型号制品由聚乙烯粉末烧结加工而成。微孔管在注气后可产生大量均匀细小的气泡从而起到气浮效果。按工程经验实验设备采用的微孔直径范围在5～10μm之间大锥角α为20°小锥段锥角θ为1.5°时油水分离效果最佳[11]。2.3模型和边界条件由于旋流器结构复杂某些局部细节在不影响计算结果的前提