摘要：通过CFD方法研究入口管长度、入口管倾斜度对气液旋流分离器溢流口气相体积分数、气相出口压力降的影响.结果显示，气相出口压力降变化与入口管长度的增加正相关.溢流管口气相体积分数则是随着入口管长度的增加呈现先降再升的趋势，最后保持在一个较稳定的水平.入口管倾斜度的增加，对于提高溢流管口的气相体积分数是可取的，但是以能耗的增加作为代价.综合考虑，若兼顾最大限度分离气相的目标和节能环保的要求，则入口管的长度应取100mm较为合适，入口管的倾斜度取10°为宜.
关键词：CFD；气液旋流分离器；数值模拟；入口管
旋流分离是一种多相流的分离技术，通常在旋流分离器中进行.在这一分离过程中，互不相溶的两种或多种物质在离心力的作用下，通过物质之间的密度差来实现分离，即密度小的物质，往旋流分离器的轴心方向运动，形成内旋流；密度大的物质则往壁面运动，形成外旋流，内外旋流最终通过不同的出口导向通道进行排出，完成分离的过程.气液旋流分离器是常见的旋流分离器的一种，因其分离效率高、设备体积小、能适合长周期运转等诸多优点，在石油化工、污染治理等领域得到广泛的应用.而入口管的结构参数对气液旋流分离器性能的影响不容忽视.而如果全部依靠实验来研究气液旋流分离器入口管结构参数的影响，则需要耗费大量的设备加工成本、实验测试成本和人力时间成本.[1-10]本研究通过 CFD（Computational Fluid Dynamics，即计算流体力学）手段，考查入口管长度、入口管倾斜度对气液旋流分离器溢流口气相体积分数、气相出口压力降的影响.这对于气液旋流分离器分离性能的提高和设备能耗的降低具有重要的参考价值.
1 数值计算
本研究所建立的气液旋流分离器的结构如图1所示，其尺寸大小、网格划分、边界条件、模型参数参照文献[11]中的设置.
图1 气液旋流分离器的结构参数示意图
2 入口管结构参数的影响
入口管结构参数变化带来的影响，主要是通过改变混合物在到达旋流分离区域之前的物理状态来实现的.本文从入口管长度和入口管倾斜度两方面着手，对入口管结构参数的改变对旋流分离造成的影响进行了研究.
2.1 入口管长度的影响
笔者主要通过对溢流口气相体积分数和气相出口压力降的分析，来研究入口管长度对气液旋流分离器分离性能的影响.溢流口气相体积分数主要体现气液两相分离的效果，而气相出口压力降则能体现气液旋流分离设备的能耗损失.
2.1.1 对溢流口气相体积分数的影响
如图2所示，在所有的操作条件保持不变的情况下，入口管长度的增加，等同于延长了旋流分离时间，此时溢流管口气相体积分数的变化趋势是先降后升.当入口管长度处在120～140mm区间内时，气相体积分数下降速度最快；100～120mm区间内最小，当入口管长140mm时出现最小值.当入口管长度继续增大时，气相体积分数开始上升，且上升的速度逐步放缓.至入口管长度为200mm，气相体积分数时稳定在92%附近，入口管长度在100mm和180mm时的气相体积分数值大小接近.
图2 溢流管口气相体积分数随入口管长度变化曲线图
综上所述，随入口管长度的增大，气相体积分数呈现先降后升变化趋势.从分离更多气相的目的出发，这里入口管的长度可以取100mm或180mm.
2.1.2 对气相出口压力降的影响
在相同的操作条件下，入口管长度的增加，则气液旋流分离所花费的时间也会增加，由图3可知，气相出口压力降也在一直上升.入口管长度处在120～140mm区间内时，气相出口压力降的上升速度最快；100～120mm区间内上升速度最慢.当入口管长度在140～200mm范围内变化时，气相出口压力降的上升速度大致接近，并在200mm出现最大值.
压力降的增加，表明能耗的增加.综上所述，从节能的角度出发，同时兼顾最大限度分离气相的目标之后，入口管的长度取100mm较为合适.
图3 气相出口压力降随入口管长度变化曲线图
2.2 入口管倾斜度的影响
入口管倾斜度的影响主要通过对溢流口气相体积分数和气相出口压力降的分析来进行.
2.2.1 对溢流口气相体积分数的影响
当其他操作条件保持一致时，入口管倾斜度增加有利于混合物的分层.随着入口管倾斜度加大，溢流管口气相体积分数的变化是先降后升.由图4可知，当入口管从水平位置倾斜3°时，溢流管口的气相体积分数下降，并出现最低值.6°～9°区间气相体积分数变化平稳.之后随着入口管倾斜度的不断增大，气相体积分数开始上升，9°～12°区间上升速度最快，并且在 12°时达到峰值；6°～9°区间次之.当入口管倾斜角度超过12°时，气相体积分数开始下降.
综上所述，随着入口管倾斜度增大，气相体积分数呈现先降后升变化趋势.从分离更多气相的目的出发，这里入口管的倾斜度以12°为宜.
图4 溢流管口气相体积分数随入口管倾斜度变化曲线图
2.2.2 对气相出口压力降的影响
如图5所示，气相出口压力降随入口管倾斜度的变化情况，大致与溢流管口气相体积分数的变化趋势接近，都是先升后降.当入口管的倾斜度在0°增加到6°时，压力降的大小逐渐下降， 其中 3°～6°区间下降最为明显，0°～3°区间次之，并且在倾斜度为3°时出现最小值.之后随着入口管倾斜度的持续增加，气相出口压力降的值开始快速上升，至倾斜度为12°时达到峰值.当入口管的倾斜度大于12°时，气相出口压力降开始下降.
压力降的多少，与能耗的大小正相关.综上所述，从节能的角度出发，同时兼顾最大限度分离气相的目标之后，入口管的倾斜度取10°较为合适.
图5 气相出口压力降随入口管倾斜度变化曲线图
3 结论
气相出口压力降变化与入口管长度的增加正相关.溢流管口气相体积分数则是先降再升，最后保持在一个较稳定的水平.在实际生产中，若入口管长度过长，也会造成安装检修上的不便.由对比可知，若兼顾最大限度分离气相的目标和节能环保的要求，则入口管的长度应以取100mm为宜.
增加入口管倾斜度，对二者的影响也是相近的，但溢流管口气相体积分数的变化趋势要较为温和些.总体上看，从旋流分离所要达到的效果来说，入口管倾斜度的增加，对于提高溢流管口的气相体积分数是可取的，但是是以能耗的增加作为代价的.由对比可知，若兼顾最大限度分离气相的目标和节能环保的要求，则入口管的倾斜度取10°较为合适.
