入口角度对油气分离器分离效率的影响

1 引言

油气分离器的分离效率是作为评价空压机的关键性指标，不仅影响润滑油的使用效率，更决定了压缩空气的纯净度，进而直接影响空气压缩机的应用领域和市场前景[1]。因此，只有不断探究制约分离效率的因素，不断优化油气分离器的结构，提升其分离效率，才能提高压缩空气的品质。

本文将基于CFD技术，采用PumpLinx软件对螺杆压缩机的油气分离器进行分析研究。将油气分离器入口角度从径向到切向共划分10个角度梯度，（即0～90°每10°为一梯度），建立相应3D模型，然后导入PumpLinx在一定的工况条件下进行模拟实验，并对得到的两相流的运动轨迹、速度分布、油滴颗粒的体积分布等特点，得出油气分离器入口角度对油气分离效率的影响。

2 物理模型

螺杆压缩机的运行过程中，空气混合物、在外力的作用下以一定的速度进入油气分离器。在工程实际中，油气分离通常采用两级分离。即经过离心分离和油细分离芯两次过滤。

本文主要研究入口角度对分离效率的影响，因此在对螺杆压缩机的油气分离器进行数值模拟计算时，对实际应用的油气分离器物理模型作了一定的简化简化后的结构如图1所示。其几何参数为：油气分离器总高为835 mm，油气罐内径为450 mm，入口内径76 mm，气液体出口内径63.5 mm。

3 控制方程

在油气混合物中，流动的控制方程包括连续方程、动量守恒方程和能量守恒方程

3.1 连续方程

3.2 动量方程

3.3 能量方程

式中 ρ——流体密度

——流体速度矢量

——应力张量

——重力

F——离散相粒子对气流的作用力

k——导热系数

E——总能

Sh——油滴通过对流换热和辐射换热向气流传递的热量[3]

4 数值模拟

4.1 网格划分及计算

在PumpLinx软件中新建一个实验界面，并输入油气分离器简化后的三维模型，由于简化后的油气分离器依旧不是规则几何体，所以在划分网格之前先将整个油气分离器分割为10个部分，然后在对其进行网格划分，由于建立了10个不同角度入口的油气分离器模型，所以划分得到的网格单元数量处于7431～11188之间，径向入口的网格划分如图2所示。由于PumpLinx采用的是笛卡尔坐标系，在导入模型后进行网格划分得到二叉树笛卡尔网格。此网格具有适应性强、精度高、数量准确、收敛性好等特点。

采用k-ε模型模拟，利用SMPLE算法求解，差分格式为迎风格式离散，离散后的线性方程解法为共轭梯度法计算。

4.2 边界条件

（1）首先选择湍流模块，并添加Streamline模块用以追踪两相流的动态过程；

（2）确定油气出入口，并给定速度为13.5 m/s、压力为7 MPa，密度设为理想气体状态方程（最小压力0.1 Pa、分子量28.97、缺省温度300 K）动力粘度设为常动力粘性系数，壁面均为光滑；

（3）在研究过程中不考虑蒸发影响以及粒子间的相互作用。

5 实验结果及分析

5.1 运动轨迹追踪及分析

图1 油气分离器剖面尺寸图

通过应用PumpLinx软件对从不同角度进入油气分离器两相流流场进行数值模拟计算，追踪不同角度进入油气分离器两相流的路径，得到从不同角度进入的两相流的轨迹追踪左视图，如图3所示（其中径向用0°表示、切向用90°表示）。

从图3中可看出入口速度越接近切向，流场的旋向越稳定，且越集中于油气分离器的芯部；这就有利于提升油气分离芯与流体平稳接触，提升其过滤效率且降低了涡流对油气分离芯的损耗。

5.2 速度矢量及分析

在应用PumpLinx软件对从不同角度进入油气分离器两相流流场进行数值模拟计算后，得到不同角度入口截面的速度矢量图，如图4所示。

根据入口处截面速度矢量图可以明显看出，各区域的速度分布情况，以及随着角度的偏移，速度的变化情况，其中在入口偏离角度40°以前整个流场的流动比较混乱，涡流返混现象严重，在偏离角度到达50°以后，流动方向逐渐一致，流动也趋于稳定。

再结合整体云图分析可以看出，偏离角度50°以前流场芯部的速度比较复杂，在偏离角度到达60°以后，流场的芯部的流动基本呈现出均匀的同向的平面流动，且稳定范围逐渐增大。反向的运动几乎完全被抑制，返混涡流的现象也从中部消失。

图2 油气分离器网格划分图

图3 两相流运动轨迹图

由此可得入口角度越接近90°即越接近切向，则油气分离器芯部的流场越趋于均匀、单向，则油气分离芯的分离效率也随之大大提升。因此随着入口偏角越接近切向油气分离效率越高。

图4 入口截面的速度矢量图

5.3 各相体积分布及分析

通过应用PumpLinx软件对从不同角度进入油气分离器两相流流场进行数值模拟计算，得到不同角度入口截面的Cells′Volumes图像，即在入口截面各相所占的体积分数分布图，如图5所示。

图5 不同角度入口截面的Cells＇Volumes图

根据不同角度入口截面的Cells′Volumes图像，通过对比对应各图中的色标尺可以看出，在绝大多数的图像中，随着偏离角度的增大，各相的体积分数有明显向芯部收敛的现象，对于图5中（e）、（f）、（h）也就是偏离角度为50～70°时出现的反常情况，经过分析可能是偏离角度的改变已明显影响开始影响油气分离器的内的流场分布，但是这是流场内粒子间的相互作用，出现返混，涡流等使得图像呈现异常，但从整体来看，随着偏移角度的增大各相的体积分数是逐渐向芯部转移，且在70°后表现明显。

通过进一步利用PumpLinx软件进行模拟仿真，可以直观的看到油气分离器内部的流动情况，即两相流体在油气分离器内做高速旋转运动且偏离角度越接近切向，旋转越均匀，且越集中于芯部，与实验相符，且符合实际，所以，改变油气分离器的入口角度可以明显影响油气分离器的分离效率

6 结论

采用数值模拟计算与实验模拟分析结合的方法，对油气分离器入口角度如何影响分离效率进行了研究，得到以下结论：

（1）利用PumpLinx软件进行仿真模拟，得到的相体运动轨迹追踪图以及入口处截面速度矢量图，根图像明显看出，随着油气分离器入口角度逐渐接近切向，相体的运动的也出现规则化，芯部集中化、速度呈现趋于芯部匀速单向的特点，提升这利于芯部与流体充分接触，进而提升整个油气分离器的分离效率；

（2）通过不同角度入口截面的Cells′Volumes图像可以看出随着入口角度接近切向，各相体积分数呈现向芯部收敛的趋势，同时也验证结论一。