復雜通道中油滴的運動規(guī)律與顆粒周圍剪切力場研究.pdf

1、重力式分離器結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、運行穩(wěn)定以及維護費用低，是分離器應用比較廣泛原因。一般重力式分離器的體積龐大，且效率不高。從其發(fā)展趨勢來看，通過引入各種聚結(jié)填料和合理設(shè)計，使分離器向高效性方向發(fā)展。本文采用理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合方式，進行了油滴在復雜通道內(nèi)運動規(guī)律和顆粒周圍剪切力場研究。 首先，針對復雜通道中低雷諾數(shù)油滴運動時擾動衰減慢特點，應用低雷諾數(shù)流理論，對油滴運動因受邊界、環(huán)境流動影響以及油滴為流體球，進行了油滴運

2、動阻力修正；并建立適用于重力式分離器內(nèi)復雜通道中油滴的運動方程和顆粒周圍剪切力場邊界積分方程和油滴剪切控制方程。 其次，應用Fluent軟件結(jié)合自編程序UDF，對水相采用層流模型，油相采用離散相模型，在對低雷諾數(shù)油滴所受到的阻力進行了修正基礎(chǔ)上，進行了平板、斜板和波紋折板間油滴運動規(guī)律數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明： 傳統(tǒng)的無界Stokes擬球形油滴其運動規(guī)律不同于油滴在另一種與其互不相容的有限空間液體中的運動行為，對于液-液體

3、系，油滴作為流體球，存在減阻正面影響的作用較弱；邊界影響、Poiseuille環(huán)境流作用下的油滴運動軌跡與無界Stokes油滴相比存在著明顯差別，對油滴上浮時間存在延緩效應，其邊界的影響作用較大，Poiseuille環(huán)境流作用次之；在協(xié)同作用下，與傳統(tǒng)的Stokes油滴相比較，油滴上浮時間在平板內(nèi)延緩了17.211％，斜板逆流形式下延緩了18.753％，波紋折板內(nèi)延緩了20.304％。所以，低雷諾數(shù)擾動衰減慢作用隨著流道復雜程度增加其影

4、響更加顯著。 再次，Stokes油滴在平板、斜板、波紋折板間隨著流場流速的增加和油滴粒徑的減小都會使上浮效率顯著地下降。①平板時，垂直方向油滴終端上浮速度與流場的速度大小無關(guān)，而與油滴粒徑有關(guān)；水平方向上油滴遷移速度與油滴粒徑無關(guān)，遷移速度同步于板間的Poiseuille流場速度，符合零阻力條件；平板間Stokes油滴獨立浮升、遷移運動能力強，油滴碰撞對油滴幾何參數(shù)、初始位置、油滴物性、流場的速度梯度有很大的依賴性，對此建立了油

5、滴碰撞的數(shù)學模型，為油滴間的碰撞提供判斷依據(jù)，來彌補迄今為止幾乎沒有可用數(shù)據(jù)來比較油滴碰撞條件的關(guān)系式，其計算結(jié)果與Matlab數(shù)值計算及Fluent軟件模擬計算結(jié)果相吻合。②斜板時，在錯流、并流和逆流的三種流動形式中，Stokes油滴垂直于板方向的上浮速度相同，與流動形式無關(guān)；如受低雷諾數(shù)協(xié)同作用，油滴的上浮速度則不同，與流動形式有關(guān)；油滴在板長方向上遷移速度的影響關(guān)系不同于水平平板，與粒徑大小有關(guān)，不再耦合于板間的Poiseuill

6、e流場速度，存在運動阻力；斜板逆流形式下，油滴粒徑越大，其遷移速度則小，而并流形式下，油滴粒徑越大，其遷移速度則大；油滴運動位移、浮升時間隨斜板傾角α增大而增長，在層膜能上浮條件，應盡可能減小斜板傾角α；逆流時油滴上浮到上板所需要板長比并流、錯流時較短，所以采用逆流形式比錯流、并流有優(yōu)勢。③與平板相比波紋折板間油滴浮升時間、水平位移更短些，作為聚結(jié)填料比平板存在著很大優(yōu)勢；但波紋折板折角、流場速度較大時，流場易湍急、不穩(wěn)定，對油滴運動的

7、影響關(guān)系變得復雜，對油滴存在旋卷現(xiàn)象，其軌跡線隨旋渦上下波動、轉(zhuǎn)圈，不能“自拔”，甚至產(chǎn)生倒流，所以，在應用波紋折板時一定兼顧流場速度、折板折角方能發(fā)揮其良好作用。采用多相相混合模型，對引入平板、波紋折板二種聚結(jié)填料的油水分離器內(nèi)部的流場進行了數(shù)值模擬計算，通過對速度場、聚結(jié)填料對稱面及前后濃度的等高線分析，驗證了波紋折板聚結(jié)填料比平板具有較好的油水分離特性。 最后，通過量綱分析指出，影響油滴變形的無量綱數(shù)很多，理論和實驗對油滴

8、變形破碎很難進行定量描述，采用VOF進行了油滴在剪切場中變形的二維數(shù)值模擬分析：油滴的粘度、表面張力對變形起到抑制作用，油滴粒徑越大，越易變形、破碎。流場速度梯度越大，油滴就易變形破碎；所以，通過引入聚結(jié)填料，在提高工作效率同時，實際上增加了分散相油滴在剪力作用下會發(fā)生變形、破碎的風險。而油滴與流場間相對速度較大時，會加劇油水乳化。所以，對于旋流器，必然存在油水進一步乳化現(xiàn)象。 本文研究工作己取得階段性進展，但由于研究過程中對實