水力旋流器流场大涡模拟及结构改进

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3.0 赵德峰 2024-11-11 7 4 5.27MB 109 页 15积分

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摘要

水力旋流器结构简单，应用广泛，但其内部流场的流动却相当复杂，还需要

多方面的研究和探索。有关水力旋流器工程应用的数值研究大都会选用占用计算

资源较少的 κ-ε湍流模型，可以得到定性的分析结果；学术研究大都选用雷诺应力

模型(Reynolds stress model, RSM)，主要考虑 RSM 模型中湍流粘度为各项异性，更

符合实际过程；大涡模拟(Large-eddy simulation)虽具有更高的计算精度，但因为需

要很大的计算资源而较少使用。本文将采用大涡模拟方法结合两相流模型模拟水

力旋流器内流场，以期通过局部流动的特点，指导改进水力旋流器的结构以及调

整合适的运行参数。探索大涡模拟方法在水力旋流器设计方面的有效性及可行性。

首先本文对比了雷诺时均方法的 RNG κ-ε (Renormalization κ-ε)模型、RSM

(Reynolds Stress Model)模型和大涡模拟方法的 Smagorinsky-Lilly 亚格子模型，选

择优秀的模型作为后续研究的湍流模型。通过对比速度压力分布与经验公式，拟

合径向速度分布曲线与理论曲线，对比压力降与理论公式的匹配程度等方法得到

的分析结果，一致认为大涡模拟方法准确性较高，可以得到水力旋流器内精准的

速度、压力等分布场。

其次本文使用湍流大涡模拟方法结合 VOF 两相流模型，捕捉水力旋流器中的

局部流动结构（空气柱、循环流、短路流等等）。研究表明模拟结果与大量实验事

实的吻合程度较好，并且得到空气柱运动的规律，循环流，短路流，轴向零速包

络面之间的关系等，以及实验中无法测得的现象。

最后本文分析了大涡模拟方法捕捉到的局部流动现象，结合流体力学相关理

论知识和水力旋流器的设计理论，针对不合理现象提出改进结构。将改进后结果

与原始结果对比，表明原始结构中不合理的流动现象得到了改进，水力旋流器内

部流动更加合理；为验证水力旋流改进前后分离效率是否真正得到提高，本文还

采用RNG κ-ε结合Eulerian模型模拟水力旋流器沉砂口的粒径分布，结果表明改进

后结构的切割粒径d50减小，大于d50颗粒分级效率提高，小于d50

综合以上研究，表明大涡模拟方法准确性较高，可以得到精准的速度、压力

等分布场，使得数值模拟结果更加真实可行，更具说服力。湍流大涡模拟方法可

以有效的捕捉水力旋流器内局部流动现象，成为指导水力旋流器结构改进有效的

数值模拟工具，以及大涡模拟方法在指导水力旋流器结构改进优化方面的潜力与

可行性。同时说明大涡模拟方法捕捉水力旋流器局部流动现象，结合流体力学理

论及实验经验公式提出改进方法的技术路线是有效可行的。

颗粒分级效率降低，

整体分布表明分离效率得到较大的提高。

关键词：水力旋流器；大涡模拟；VOF；欧拉-欧拉；空气柱；循环流短路流；轴

向零速包络面

ABSTRACT

Hydrocyclone is a widely used machinery, whose structure is simple, however its

internal flow field is quite complex. More research and exploration is needed for

engineering and science. κ-ε turbulence model required less computation resources is

employed in most numerical simulations for engineering applications of hydrocyclone,

with which qualitative results are usually obtained; Reynolds stress model (RSM) is

employed in most numerical academic research of hydrocyclone for its consideration of

non-homogeneous Reynolds stresses; Large Eddy Simulation (LES) is deemed to be a

more accurate methodology than other turbulence models for hydrocyclone flow, but it

requires large amount of computing resources. In the present work, LES method

combined with two-phase flow model will be employed to simulate the internal flow of

hydrocyclone, and then based on the simulated characteristics of the local flow structure

improvement will be conducted.

First of all, three models, the RNG κ-ε (Renormalization κ-ε) model and RSM

(Reynolds Stress Model) of Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) methods, LES

(Large-eddy simulation) with Smagorinsky-Lilly subgrid model are compared to find

the best turbulence modeling for further study. By comparing pressure and speed

distribution with experiment results, fitting the radial velocity curve with the theoretical

curve obtained, comparing pressure drop with theoretical formula, it is found that the

large eddy simulation is the most accurate of the three modeling methods, with which

much more accurate velocity and pressure distribution of hydrocyclone can be

obtained .

LES (large eddy simulation) analysis has been carried out to investigate the flow

fields in a hydrocyclone. Detailed flow structures and phenomena such as shortcut flow,

internal circulations, locus of zero vertical velocity (LZVV) and locus of maximum

tangential velocity (LMTV), were analyzed. The study shows that the simulation results

are in best agreement with the published experiments. Some interesting phenomena

such as shortcut flow, circlation flow, LZVV and LMTV have been investigated that are

difficult to be found with experimental methods.

Modification and improvement of the cyclone internal structures was conducted

based on the detailed flow structure and phenomenon combined with theories of

hydrocyclone design and fluid mechanics. The further LES analysis shows that

compared with original cyclone, the flow fields in the modified one are obviously

improved, which implies that a better liquid-solid separation can be expected. In order

to prove this conclusion, RNG κ-ε with Eulerian multiphase model was adopted to

simulate the particle diameter distribution at underflow outlet. The modified cyclone

was found to be with obviously better performance.

According to the above research, numerical simulation results show that more

precise, more convincing velocity, pressure distribution can be obtained with large eddy

simulation method. The present work proves that a detailed flow analysis based on LES

may significantly improve hydrodynamic designs of cyclones. LES can effectively

capture the local detailed flow phenomena of hydrocyclone. Detailed analyses on the

flow fields in the cyclone can be very helpful to improve hydrocyclone design.

Keyword: Hydrocyclone, Large-eddy simulation, VOF, Eulerian-Eulerian

multiphase model, air core, shortcut flow, LZVV

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1 概况 ...................................................................................................................... 1

1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 2

1.3 研究目的和意义 .................................................................................................. 6

1.4 课题研究的内容与思路 ...................................................................................... 8

1.4.1 研究内容及步骤 ......................................................................................... 8

1.4.2 研究思路 ..................................................................................................... 9

第二章基本概念与理论 ............................................................................................... 11

2.1 水力旋流器原理介绍 ......................................................................................... 11

2.2 基本流场分析 ..................................................................................................... 11

2.2.1 旋转流动 ................................................................................................... 12

2.2.2 自由涡 ....................................................................................................... 13

2.2.3 强制涡 ....................................................................................................... 14

2.2.4 组合涡 ....................................................................................................... 15

2.3 局部细节流动介绍 ............................................................................................ 18

2.3.1 内旋流与外旋流 ....................................................................................... 18

2.3.2 空气柱 ....................................................................................................... 19

2.3.3 短路流 ....................................................................................................... 19

2.3.4 循环流 ....................................................................................................... 20

2.3.5 最大切线速度轨迹面（LMTV） ........................................................... 20

2.3.6 轴向零速包络面（LZVV） .................................................................... 21

2.4 水力旋流器分级效率 ........................................................................................ 21

2.5 本章小结 ............................................................................................................ 22

第三章数值计算方法 .................................................................................................. 24

3.1 数值计算方法简介 ............................................................................................ 24

3.1.1 计算流体力学介绍 ................................................................................... 24

3.1.2 数值计算方法的步骤 ............................................................................... 24

3.1.3 数值计算的离散方法 ............................................................................... 25

3.1.4 数值计算方法的局限性 ........................................................................... 26

3.2 湍流运动与非线性输运方程（N-S 方程） .................................................... 27

3.3 湍流的数值方法介绍 ........................................................................................ 28

3.3.1 直接数值模拟方法(DNS) ........................................................................ 28

3.3.2 大涡模拟方法(LES) ................................................................................. 29

3.3.3 雷诺平均方程方法(RANS) ..................................................................... 29

3.3.4 湍流数值方法的基本特点对比 ............................................................... 30

3.4 两相流模型介绍 ................................................................................................ 30

3.4.1 研究两相流的方法 ................................................................................... 30

3.4.2 两相流模型对比 ....................................................................................... 31

3.4.3 两相流模型选择 ....................................................................................... 32

3.5 VOF 模型基本思想与控制方程 ........................................................................ 33

3.5.1 VOF 模型基本思想 ................................................................................... 33

3.5.2 VOF 模型控制方程 ................................................................................... 33

3.6 网格技术 ............................................................................................................ 34

3.6.1 结构与非结构网格 ................................................................................... 34

3.6.2 网格软件介绍 ........................................................................................... 35

3.7 本章小结 ............................................................................................................ 36

第四章大涡模拟方法与雷诺时均湍流模型的对比 .................................................. 37

4.1 引言 .................................................................................................................... 37

4.2 大涡模拟方法（LES） ..................................................................................... 37

4.2.1 控制方程 ................................................................................................... 37

4.2.2 亚格子模型 ............................................................................................... 38

4.2.3 LES 方法的网格与计算条件 .................................................................... 39

4.2.4 LES 方法边界条件及初始条件 ................................................................ 40

4.2.5 LES 方法数值算法设置 ............................................................................ 40

4.3 雷诺平均方法（RANS） ................................................................................. 41

4.3.1 控制方程 ................................................................................................... 41

4.3.2 重整化群 κ-ε模型（RNG κ-ε） .............................................................. 41

4.3.3 雷诺应力模型（RSM） .......................................................................... 43

4.3.4 RANS 方法的网格与计算设置 ................................................................ 44

4.4 物理模型 ............................................................................................................ 44

4.5 速度场分析 ........................................................................................................ 45

4.5.1 切线速度分布对比 ................................................................................... 46

4.5.2 自由涡区域拟合 ....................................................................................... 51

4.6 压力场分析 ........................................................................................................ 54

4.6.1 压力分布对比 ........................................................................................... 54

4.6.2 压力差分析 ............................................................................................... 57

4.7 本章小结 ............................................................................................................ 58

第五章大涡模拟水力旋流器内局部流动现象 .......................................................... 60

5.1 引言 .................................................................................................................... 60

5.2 数值计算条件设置 ............................................................................................ 60

5.3 空气柱 ................................................................................................................ 60

5.3.1 大涡模拟方法的精度 ............................................................................... 60

5.3.2 空气柱形成过程 ....................................................................................... 63

5.3.3 入口速度的影响 ....................................................................................... 64

5.4 轴向零速包络面（LZVV） ............................................................................. 66

5.5 循环流与短路流 ................................................................................................ 69

5.6 LMTV ................................................................................................................. 72

5.7 本章小结 ............................................................................................................ 74

第六章大涡模拟方法指导水力旋流器结构改进 ...................................................... 75

6.1 引言 .................................................................................................................... 75

6.2 EULER-EULER 两相流模型介绍 ......................................................................... 76

6.2.1 Euler-Euler 模型基本思想 ........................................................................ 76

6.2.2 Euler-Euler 模型控制方程 ........................................................................ 76

6.2.3 Eulerian（欧拉）模型计算条件 .............................................................. 77

6.2.4 Eulerian（欧拉）模型计算思路 .............................................................. 78

6.3 数值计算条件设置 ............................................................................................ 79

6.3.1 大涡方法改进结构计算 ........................................................................... 79

6.3.2 两相流模型验证计算 ............................................................................... 79

6.4 原结构内流场局部流动数值分析 .................................................................... 79

6.5 水力旋流器结构的改进设计 ............................................................................ 80

6.5.1 局部流动理论分析 ................................................................................... 80

6.5.2 流场结构设计改进 ................................................................................... 81

6.6 改进前后结构计算结果对比分析 .................................................................... 83

6.7 EULER-EULER 两相流方法验证结果分析 ......................................................... 85

6.8 本章小结 ............................................................................................................ 88

第七章结论与展望 ...................................................................................................... 90

7.1 结论 .................................................................................................................... 90

7.2 展望 .................................................................................................................... 92

主要符号表 .................................................................................................................... 93

参考文献 ........................................................................................................................ 96

在读期间公开发表的论文和承担科研项目 .............................................................. 103

一. 发表论文 ...................................................................................................... 103

二. 参加科研项目 .............................................................................................. 103

致谢 .......................................................................................................................... 104

第一章绪论

1.1 概况

在工业中常见的旋流器是一种重要的机械分离设备，它是依靠流动作用中产

生的离心作用和涡旋运动完成气-固、固-液或气-液分离，比如液体除气、浆料浓

缩，除尘除砂和两种不能互溶的液体分离等。旋流器可以大致分为三类，水力旋

流器，旋风分离器和重介质旋流器。其中，水力旋流器广泛的应用在能源环保、

食品加工、石油化工等众多领域，并已经取得了较大的社会效益和经济效益；而

旋风分离器主要应用于气体的除尘除砂，比如火力发电厂的除尘系统；重介质旋

流器主要用于矿山高岭土分类以及选煤行业。

水力旋流器是一种以水为主要载体的分级、浓缩分离设备，而早在 1891 年的

美国水力旋流器的雏形诞生，E. Bretney[1]申请了第一个关于水力旋流器专利。但

是这项技术没能在当时被推广应用。时间到了 1939 年，Driessen[2]才在荷兰的一座

煤矿上将水力旋流器应用于澄清煤泥水作业，宣告了水力旋流器在工业上的首次

应用。然而，到了二十世纪中期，就出现很多有关水力旋流器专门设计以及相应

的专利。其中该领域较为有名的Theodore[3]等人深入研究，申请了多项优化的水力

旋流器结构的专利设计。1953 年，水力旋流器用于将水分从油介质中脱出这一创

造性理念由Van Rossum提出。之后，水力旋流器市场逐步扩大，应用更加广泛，

与此同时有关水力旋流器方面的文献也大量涌现出来。具有影响意义的是

Kelsall[4][5]对水力旋流器三维内部流动做出了经典性的描述。进入二十一世纪，水

力旋流器在石油化工领域的应用最为广泛，特别是在浅海钻井平台上的油水分离

应用，已经得到大规模的使用和推广。同时油水液-液分离水力旋流器已经成为作

为本世纪油田地面工程中主要分离设备。水力旋流器在煤炭洗选工厂被用作原煤

洗涤的主要分离设备。由于它的操作空间较小，即使地方狭小的工作地点也能照

常运行，水力旋流器在采矿，煤炭洗选领域特别受到青睐。随着研究人员和工程

师对水力旋流器的不断改进与创新，水力旋流器已经在固-液分离、不互溶两溶液

的分离、气-液分离、气-液-固三相分离等方面施展其独有的作用。本世纪九十年

代初液-液分离技术被国人引进，从而掀开了国内水力旋流分离技术的崭新一页。

国内相继出现的徐继润[6]、褚良银[7]、庞学诗[8]

因为水力旋流器具有结构简单、操作容易和分离效率相对高等诸多优点，因

此，逐渐的在较多场合替代了利用重型设备进行分离的装置。现今的水力旋流器

等诸多学者，对国内的水力旋流器

的发展做出了卓越贡献。但与国外技术情况相比，仍有较大差距。

水力旋流器流场大涡模拟及结构改进

己经广泛应用于采矿行业、生物工程、化学工业、食品工业、石油工业和能源发

电行业等领域，不同领域的生产有不同的需求，于是研究人员设计了不同结构的

水力旋流器以适应不同工况。到目前为止，结构简单的水力旋流器还没有一套系

统的用于设计的方法。能量消耗和分离能力是衡量水力旋流器性能的两个重要指

标。而水力旋流器内流场流动情况是由水力旋流器分离能力能量消耗，入口参数

控制和几何结构等诸多原因综合的结果[8]

研制出投资省、效率高、能耗少、运行稳定且费用低的水力旋流器是工业应

用的终极目的，而如何提高分离性能和降低旋流器的能量损耗是目前学界对水力

旋流器研究的两大主要目标。

。因此，对旋流器进行选型设计时需要对

其内部流场规律进行相应研究，如此有助于设计人员更深入了解水力旋流器分离

机理和能耗机理。从而得到分离高效且结构优化的水力旋流器。

1.2 国内外研究现状

对于经典流体力学，可以分为理论流体力学和实验流体力学，以及近几十年

的逐渐形成体系的计算流体力学。在对水力旋流器的研究中，学者们也都围绕着

这第三种方法展开，以下将介绍以这三种方法归类介绍水力旋流器发展与现状。

水力旋流器内的流动为复杂的湍流运动，并且涉及了气、液、固三相之间的

相互作用。就单独液相而言，其流动规律的数学描述，就已经是三维椭圆型偏微

分方程组。所以得到水力旋流器内的解析解目前为止是不可能完成的任务。对于

求解Navior-Stokes方程的方法有解析法和数值法。Bloor和Ingham[9]-[11]一直从事解

析法求解流动模型来研究水力旋流内的流动，应用流函数方法，求解轴对称不可

压无粘流动的连续方程，动量守恒方程。而Kang[12][13]

在计算流体力学技术没有成熟以前，学者对水力旋流器的研究均以实验为主。

而实验大致包括两个方面的内：一是对水力旋流器物理场的试验研究，如速度场、

压力场、密度场等等；二是水力旋流器中有关颗粒的性能研究，主要包括对水力

旋流器颗粒分离、分级效率；切割粒径、分流比、分离粒度、生产能力等等。

等人则采用了柱坐标来求解

水力旋流器中的解析模型。Kang假定速度与轴向位置无关，以此对于应用无粘模

型得到的径向和轴向速度不会带来很大的误差；但是切向速度必须考虑湍流效应

的影响，于是引入定常的涡粘性系数来衡量湍流脉动带来的影响。众所周知，

Navior-Stokes方程的解析解只有在少数初始条件，边界条件简单的情况下可求得。

而且得出来的计算公式也只是是基于某种特殊的水力旋流器所提出的经验公式，

计算精度差和普适性不高。

水力旋流器研究历史的开篇经典之作为Kelsall[14]使用光学观测法得到的水力旋流

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摘要：

摘要水力旋流器结构简单，应用广泛，但其内部流场的流动却相当复杂，还需要多方面的研究和探索。有关水力旋流器工程应用的数值研究大都会选用占用计算资源较少的κ-ε湍流模型，可以得到定性的分析结果；学术研究大都选用雷诺应力模型(Reynoldsstressmodel,RSM)，主要考虑RSM模型中湍流粘度为各项异性，更符合实际过程；大涡模拟(Large-eddysimulation)虽具有更高的计算精度，但因为需要很大的计算资源而较少使用。本文将采用大涡模拟方法结合两相流模型模拟水力旋流器内流场，以期通过局部流动的特点，指导改进水力旋流器的结构以及调整合适的运行参数。探索大涡模拟方法在水力旋流器设计方...

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