油气分离器内气液两相流的数值模拟.pdf

上海大学博士后出站报告第1章概述1.1问题由来喷油螺杆式空气压缩机是目前在工业上应用比较广泛的一种压缩机。这种压缩机具有活动部件少、工作噪音低、基本不需要维护等显著的优点。在工作过程中喷油螺杆式空气压缩机需要不断向螺杆上喷淋润滑油以达到润滑和密封的作用然后再通过油气分离器将润滑油从压缩空气中分离出来循环使用而压缩空气则排出压缩机进入工作环境。在喷油螺杆式空气压缩机的诸多评价指标中油气分离效率是非常关键的一个指标。油气分离效率的高低不仅决定了润滑油的使用效率更重要的是分离效率的高低直接决定了压缩空气的纯净度进而可以影响到其实际使用范围和市场前景。比如在中央空调中如果热交换器表面覆盖了1.5mm后的润滑油则热交换效率将下降23％而如果覆盖了4mm的润滑油热交换效率将下降40％可见其影响是非常显著的1。本文工作以一个空气压缩机的原型机为研究对象用数值模拟技术研究了油气混合气流场结构和油气分离机理并在此基础上提出改型设计意见最终达到提高总体分离效率的目的。本文以雷诺平均NS方程为控制方程以RNGk−ε模型为湍流模型用离散相模型（DPM）对油气分离器内气液两相流流场进行了数值模拟。最后将数值模拟结果与工程试验数据进行了对比以便验证计算模型和机理分析的准确性同时观察改型设计的实际效果。本文工作是在复盛实业（上海）有限公司资助下进行的文中的工程试验由复盛公司完成相关试验数据用于验证数值计算和改型设计效果。1.2气液两相流研究概况流体力学及其各个分支的研究大多开始于工程应用问题的研究再随着研究工作的进展逐步上升为独立的理论多相流的研究也遵循了同样的规律。在瓦特发明蒸气机后随之出现的蒸气机锅炉爆炸问题促使人们研究锅炉内的蒸汽运动与传热问题。1油气分离器内气液两相流的数值模拟（2005年3月）19世纪末20世纪初出现了以探讨锅炉中的水循环、传热特性和气液两相流脉动问题为内容的论文。1877年Boussinesq系统研究了明渠水流中的泥沙沉降和输运问题。1910年Mallock研究了声波在泡沫液体中传播时强度的衰减过程。1920年到1940年期间发表了气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文。1949年出现“两相流（two-phaseflow）”这一专用名词。其后随着工业应用特别是动力工程领域的迅速发展越来越多的高温高压问题呈现在研究人员的面前。两相流的研究也逐步向系统化发展有关两相流边界层、激波在两相流中的传播、空化理论等方面的论文逐渐增加。1954年Baker提出了气液两相流的第一张流型图。1956年Ingebo研究了颗粒群阻力系数与单颗粒阻力系数的差别总结出描绘颗粒群阻力系数的经验公式。1974年《国际多相流学报（InternationalJournalofMulti-phaseFlow）》创刊。1982年出版首部《多相流手册（HandbookofMultiphaseSystem）》2。多相流技术的工程应用范围越来越大比较典型的应用包括气力输运、流化床技术、泥沙淤积治理、水下超空泡武器设计、船用螺旋桨设计及雾化喷嘴设计等等。两相流问题中所谓“相”是指具有相同成分及物理、化学性质的均匀物质各相间应具有明显可分辨的界面。如图1.1所示气液两相流问题根据各自的特点可以分为气泡流（bubblyflow）、液滴流（dropletflow）、气块流（slugflow）和分层流（stratifiedflow）。气泡流指气体以颗粒状气泡的形式散布在液体中运动比如啤酒杯中带气泡啤酒的运动；液滴流指液体以液滴形式散步于气体中的流动比如带蒸汽空气的运动以及本文中油气混合气的运动等；气块流指气体以大的气块形式存在于液体中的流动比如潜艇在水下发射鱼雷前发射孔舱门打开后压缩空气进入海水就可以形成大尺度的气泡；分层流也是一种十分常见的流动任何带自由面的流动都可以归于这一类