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摘 要：旋流式分离器有着非常广泛的工业应用。其内部流场复杂其影响因素较多。本文通过数值模拟的方法，只针对不同入口形式、出口形式和内部结构的分离器内部流场进行了对比分析。以期能找到这些因素对其内部流场的影响规律。经分析表明入口形式和内部结构对其内部流场影响较大，而出口形式对其内部流场影响较小。
关键词：旋流式分离器；数值模拟
引言
旋流式分离器是一种高效的分离装置，其优点在于结构简单、体积小、无运动部件、分离效率高、处理量大并且成本低廉等。已经被广泛应于石油、化工、冶金、造纸以及废水处理等众多行业。目前，人们对其的研究已经从暗箱操作转向理论实验，从而得出一系列的数学模型，用以指导其设计与操作。由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流式分离器的性能不仅周期长且费用高。数值模拟资金投入少、速度快、信息全、仿真能力强，因此，以流场湍流数值模拟为主研究旋流式分离器结构，具有重要的工程应用价值。
1 旋流式分离器之结构及工作原理
旋流式分离器是利用旋转流体产生的离心力使密度不同的各相流体分离的设备。一般来说，旋流式分离器结构细长，主要由圆筒段、大椎段、小椎段和尾管段组成其结构如图1所示。圆筒段上部有一到两个混合进料口。其形式多为切向进口或螺旋线甚至是阿基米德螺线进口。对于某些具体情况而言，其空间比较小，为保证其分离效果，只能去掉尾管段和小椎段。并减小大椎段之角度（通常为 ）。
2 数值方程
由于分离器内部流体流动为强旋转且湍流度很高，所以各项同性涡粘假设(标准 )不适用。而应采用RSM（Reynolds Stress Model）或RNG （Renormalization Group Model）。如果只计算基本流场，则需考虑其近壁的压力梯度大，导致剪切应力很大，所以选择用RNG 模型即可。RNG
為二方程模型而RSM为七方程模型。几何模型和网格相同时，RNG 模型计算时所占CPU资源约为RSM模型的75%，内存约为80%左右。所以使用RNG 可以提高计算速度。另外考虑到分离器近壁边界层剪切应力较大，故添加网格边界层，并激活壁面方程，以增加计算结果的准确性。
其中: 为可压缩流体的密度；k 为湍动能； 为扩散率；
为动力学粘性系数；Gk为由均匀流速度梯度导致的湍动能增量；Gb为浮力导致的湍动能增量；Ym为可压缩湍流中脉动扩张对整体扩散率的影响； 和 分别为k和 的普朗特数； 和 分别为k和 的用户自定义源项； ； ； ；
； 。
壁面方程：
考虑到分离器工作时均匀流雷诺数较大，且壁面附着、冲击及分离等现象明显，浮力、重力共同作用，所以在模拟时选择非平衡壁面方程（Non-Equilibrium Wall Functions）。其方程如下：
由于使用壁面方程,所以在近壁区域内虽然使用网格边界层,但没有划分过细。
入口使用速度入口，以保证其流量。出口使用压力出口以防止其计算过程中出现回流。求解器选用三维双精度稳态离散基于压力的求解器。使用泊松方程进行压力迭代，并非适当降低了动量控制方程的亚松驰因子。迎风格式一阶千分之一精度收敛。
3 各种不同结构对其流场影响比较
3.2 入口形式对流场的影响
为使旋流式分离器内部流场沿轴线旋转。多相混合物进入分离器入口有很多种形式。本文对单侧切向入口、双侧切向入口、内环线入口、外渐开线入口分别进行模拟，其它条件尺寸保持不变。以探求入口形式对分离内部流场的影响。其结构如图2所示。
图1：标准旋流式分离器结构 图2：各种旋流式分离器入口结构
结果及分析
图3 单侧切线入口迹线图 图4 双侧切线入口迹线图
图5 单侧切线入口速度分布 图6 双侧切线入口速度分布
各种入口之计算结果如图3至10所示。由计算结果可知：单侧切向入口模型中迹线紊乱，沿径向分布没有规律可言，且入口不同位置的流体质点在分离器中的转动圈数差别极大。所以，以此形式作为入口对流场不会起到很好的效果。这主要由于流体在进入分离器后速度方向变化过大,导致其与壁面撞击并形成分离流。使得其流场紊乱。不利于两相流的分离。其惟一的优点在于便于设计和加工。双侧切向入口模型的流场比单侧入口模型要好些。各质点转动圈数差别没有单侧入口模型那么大。其优点在于速度沿径向分布严格对称（是四种模型中最好的速度分布，其它三种多少都有些不对称）,这有利于轻质相聚集体之轴线与分离器之轴线重合,提高分离器工作的稳定性。由于有两个进料口，在流量相同时，入口速度为单一入口的一半，所以其内部流体进入分离器后与壁面撞击时的冲量就小得多。两个入口对称、同旋更加有利于流场的稳定。并且这种入口形式易于设计和加工,但它要求空间比较大且系统相对复杂,至少要保证两个进料口的流量一致。至于内环线入口模型，其效果与单侧切线相似，流场混乱，效果不好，不复述。主要是由于入口导流部分占用分离器上部空间，使其原来的圆柱形流域变成不规则柱体，进而导致流场混乱。且设计、加工均比较复杂。其唯一的优点在于结构更加紧凑，故对于空间狭窄的系统还是有些使用意义的。经计算表明外渐开线型入口形式也是比较好的。其入口导流部分完全在基圆外侧。使得分离器顶部保持了完整的圆柱形。并且其导流部分曲率与基圆接近，这可以减少流体进入分离器后的速度变化和与壁面的撞击，防止分离流的生成，有利于流场的稳定。通过观察其迹线图可知：其流场比较规则。入口处所有位置的质点在分离器中的旋转圈数差别相对较小。并且和双侧切向入口一样其内部迹线在旋筒下半部仍有明显旋转。
图7 内环线入口迹线图 图8 外渐开线入口迹线图
图9 内环线入口速度分布 图10 外渐开线入口速度分布 3.2 出口方向对分离器流场的影响
图11 同正型迹线图 图12 同偏型迹线图
在入口形式确定后，我们还要探究出口形势的影响。本文列举了四种形式的出口。如果出口流向与入口流向相同则定义为“对”，流向想反则定义为“同”；如果出口轴线与分离器轴线相交则定义为“中”否则定义为“偏”。这样对于确定的入口就有了四种形式的出口：同正、同偏、对正和对偏。其结果如图11-14所示。由计算结果可知，在没有任何其它内部结构的情况下。四种出口形式差别不是很大。相对而言，偏置型略好于正置型。同向型略好于反向型（“对”）。
图13 对正型迹线图 图14 对偏型迹线图
3.3 挡盘对流场的影响
对于以上各种结构而言，有一个共同的问题就是迹线沿径向分布规律性比较差。为改善此项性能可以考虑使用挡盘，即在分离器中加装一个薄圆盘（厚度可忽略）。圓盘轴与分离器旋筒之轴重合。其位置在出料口上方，接近出料口。加装挡盘后，会在挡盘上下形成大尺度低速涡旋结构。其轴与分离器之轴垂直。这就使得大部分流体沿壁面下旋达到出口。对于外渐开线型入口，配合四种出口，均模拟了其加装挡盘之后的流场其结果如图15-18所示。由计算结果可知，挡盘对分离器内部流场有明显的改善作用。迹线沿径向分布规律明显，尤其是对同正型和对正型。加装挡盘后分离器内轴线附近几乎没有迹线。这非常有利于轻质相于此聚集，进而有利于分离。并且上排下排均可，降低了设计难度。另外，加装挡盘后四种形式的出口差别更不明显。
图15 对偏型迹线图 图16 对正型迹线图
图17 同偏型迹线图 图18 同正型迹线图
单侧切向入口、加装挡盘的单侧切向入口和加挡盘的外渐开线型入口的经实验验证，其结果与计算的规律相同。
4 结论
1、比较各种入口形式而言双侧切向进口和外渐开线型进口时比较可取的。如果空间和系统其它条件允许的话，尽量使用双侧切向入口。应为其形式简单，易于设计和加工。如果不能保证两口进料且流量一致，则应考虑外渐开线型入口。
2、出口形式对分离器流场影响有限。尤其是在加装挡盘之后，其影响更不明显。
3、挡盘对分离器内部流场有明显的改善作用,有利于分离。但其与旋筒之间间隙的面积应大于分离器进出口的面积，否则会使分离器整体压损增加。
参考文献
[1]Svarovsky L.Hydrocyclones. London:Holt,Rinehart and Wiston,1984:1～5.
[2] 魏新利、张海明、王定标、吴金星、刘宏.水力旋流器流场的数值模拟研究.热科学与技术.第4卷,第2期.2005年6月.
[3] 龚达盛．影响水力旋流器分离性能各参数概述.甘肃冶金.第30卷第1期55～57页.2008年2月
关键词：旋流式分离器；数值模拟
引言
旋流式分离器是一种高效的分离装置，其优点在于结构简单、体积小、无运动部件、分离效率高、处理量大并且成本低廉等。已经被广泛应于石油、化工、冶金、造纸以及废水处理等众多行业。目前，人们对其的研究已经从暗箱操作转向理论实验，从而得出一系列的数学模型，用以指导其设计与操作。由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流式分离器的性能不仅周期长且费用高。数值模拟资金投入少、速度快、信息全、仿真能力强，因此，以流场湍流数值模拟为主研究旋流式分离器结构，具有重要的工程应用价值。
1 旋流式分离器之结构及工作原理
旋流式分离器是利用旋转流体产生的离心力使密度不同的各相流体分离的设备。一般来说，旋流式分离器结构细长，主要由圆筒段、大椎段、小椎段和尾管段组成其结构如图1所示。圆筒段上部有一到两个混合进料口。其形式多为切向进口或螺旋线甚至是阿基米德螺线进口。对于某些具体情况而言，其空间比较小，为保证其分离效果，只能去掉尾管段和小椎段。并减小大椎段之角度（通常为 ）。
2 数值方程
由于分离器内部流体流动为强旋转且湍流度很高，所以各项同性涡粘假设(标准 )不适用。而应采用RSM（Reynolds Stress Model）或RNG （Renormalization Group Model）。如果只计算基本流场，则需考虑其近壁的压力梯度大，导致剪切应力很大，所以选择用RNG 模型即可。RNG
為二方程模型而RSM为七方程模型。几何模型和网格相同时，RNG 模型计算时所占CPU资源约为RSM模型的75%，内存约为80%左右。所以使用RNG 可以提高计算速度。另外考虑到分离器近壁边界层剪切应力较大，故添加网格边界层，并激活壁面方程，以增加计算结果的准确性。
其中: 为可压缩流体的密度；k 为湍动能； 为扩散率；
为动力学粘性系数；Gk为由均匀流速度梯度导致的湍动能增量；Gb为浮力导致的湍动能增量；Ym为可压缩湍流中脉动扩张对整体扩散率的影响； 和 分别为k和 的普朗特数； 和 分别为k和 的用户自定义源项； ； ； ；
； 。
壁面方程：
考虑到分离器工作时均匀流雷诺数较大，且壁面附着、冲击及分离等现象明显，浮力、重力共同作用，所以在模拟时选择非平衡壁面方程（Non-Equilibrium Wall Functions）。其方程如下：
由于使用壁面方程,所以在近壁区域内虽然使用网格边界层,但没有划分过细。
入口使用速度入口，以保证其流量。出口使用压力出口以防止其计算过程中出现回流。求解器选用三维双精度稳态离散基于压力的求解器。使用泊松方程进行压力迭代，并非适当降低了动量控制方程的亚松驰因子。迎风格式一阶千分之一精度收敛。
3 各种不同结构对其流场影响比较
3.2 入口形式对流场的影响
为使旋流式分离器内部流场沿轴线旋转。多相混合物进入分离器入口有很多种形式。本文对单侧切向入口、双侧切向入口、内环线入口、外渐开线入口分别进行模拟，其它条件尺寸保持不变。以探求入口形式对分离内部流场的影响。其结构如图2所示。
图1：标准旋流式分离器结构 图2：各种旋流式分离器入口结构
结果及分析
图3 单侧切线入口迹线图 图4 双侧切线入口迹线图
图5 单侧切线入口速度分布 图6 双侧切线入口速度分布
各种入口之计算结果如图3至10所示。由计算结果可知：单侧切向入口模型中迹线紊乱，沿径向分布没有规律可言，且入口不同位置的流体质点在分离器中的转动圈数差别极大。所以，以此形式作为入口对流场不会起到很好的效果。这主要由于流体在进入分离器后速度方向变化过大,导致其与壁面撞击并形成分离流。使得其流场紊乱。不利于两相流的分离。其惟一的优点在于便于设计和加工。双侧切向入口模型的流场比单侧入口模型要好些。各质点转动圈数差别没有单侧入口模型那么大。其优点在于速度沿径向分布严格对称（是四种模型中最好的速度分布，其它三种多少都有些不对称）,这有利于轻质相聚集体之轴线与分离器之轴线重合,提高分离器工作的稳定性。由于有两个进料口，在流量相同时，入口速度为单一入口的一半，所以其内部流体进入分离器后与壁面撞击时的冲量就小得多。两个入口对称、同旋更加有利于流场的稳定。并且这种入口形式易于设计和加工,但它要求空间比较大且系统相对复杂,至少要保证两个进料口的流量一致。至于内环线入口模型，其效果与单侧切线相似，流场混乱，效果不好，不复述。主要是由于入口导流部分占用分离器上部空间，使其原来的圆柱形流域变成不规则柱体，进而导致流场混乱。且设计、加工均比较复杂。其唯一的优点在于结构更加紧凑，故对于空间狭窄的系统还是有些使用意义的。经计算表明外渐开线型入口形式也是比较好的。其入口导流部分完全在基圆外侧。使得分离器顶部保持了完整的圆柱形。并且其导流部分曲率与基圆接近，这可以减少流体进入分离器后的速度变化和与壁面的撞击，防止分离流的生成，有利于流场的稳定。通过观察其迹线图可知：其流场比较规则。入口处所有位置的质点在分离器中的旋转圈数差别相对较小。并且和双侧切向入口一样其内部迹线在旋筒下半部仍有明显旋转。
图7 内环线入口迹线图 图8 外渐开线入口迹线图
图9 内环线入口速度分布 图10 外渐开线入口速度分布 3.2 出口方向对分离器流场的影响
图11 同正型迹线图 图12 同偏型迹线图
在入口形式确定后，我们还要探究出口形势的影响。本文列举了四种形式的出口。如果出口流向与入口流向相同则定义为“对”，流向想反则定义为“同”；如果出口轴线与分离器轴线相交则定义为“中”否则定义为“偏”。这样对于确定的入口就有了四种形式的出口：同正、同偏、对正和对偏。其结果如图11-14所示。由计算结果可知，在没有任何其它内部结构的情况下。四种出口形式差别不是很大。相对而言，偏置型略好于正置型。同向型略好于反向型（“对”）。
图13 对正型迹线图 图14 对偏型迹线图
3.3 挡盘对流场的影响
对于以上各种结构而言，有一个共同的问题就是迹线沿径向分布规律性比较差。为改善此项性能可以考虑使用挡盘，即在分离器中加装一个薄圆盘（厚度可忽略）。圓盘轴与分离器旋筒之轴重合。其位置在出料口上方，接近出料口。加装挡盘后，会在挡盘上下形成大尺度低速涡旋结构。其轴与分离器之轴垂直。这就使得大部分流体沿壁面下旋达到出口。对于外渐开线型入口，配合四种出口，均模拟了其加装挡盘之后的流场其结果如图15-18所示。由计算结果可知，挡盘对分离器内部流场有明显的改善作用。迹线沿径向分布规律明显，尤其是对同正型和对正型。加装挡盘后分离器内轴线附近几乎没有迹线。这非常有利于轻质相于此聚集，进而有利于分离。并且上排下排均可，降低了设计难度。另外，加装挡盘后四种形式的出口差别更不明显。
图15 对偏型迹线图 图16 对正型迹线图
图17 同偏型迹线图 图18 同正型迹线图
单侧切向入口、加装挡盘的单侧切向入口和加挡盘的外渐开线型入口的经实验验证，其结果与计算的规律相同。
4 结论
1、比较各种入口形式而言双侧切向进口和外渐开线型进口时比较可取的。如果空间和系统其它条件允许的话，尽量使用双侧切向入口。应为其形式简单，易于设计和加工。如果不能保证两口进料且流量一致，则应考虑外渐开线型入口。
2、出口形式对分离器流场影响有限。尤其是在加装挡盘之后，其影响更不明显。
3、挡盘对分离器内部流场有明显的改善作用,有利于分离。但其与旋筒之间间隙的面积应大于分离器进出口的面积，否则会使分离器整体压损增加。
参考文献
[1]Svarovsky L.Hydrocyclones. London:Holt,Rinehart and Wiston,1984:1～5.
[2] 魏新利、张海明、王定标、吴金星、刘宏.水力旋流器流场的数值模拟研究.热科学与技术.第4卷,第2期.2005年6月.
[3] 龚达盛．影响水力旋流器分离性能各参数概述.甘肃冶金.第30卷第1期55～57页.2008年2月