陈 伟，冯健美，韩济泉，彭学院

（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049）

1 引言

在喷油压缩机系统油气分离器以及其它气液分离器中，入口设计常常采用碰撞分离进行初步分离，以分离出大粒径液滴，提高分离器整体分离效率。本文提出在轴流式油气分离器入口处安装挡板构件，以对进入分离器的油气混合物进行初步的碰撞分离，使进入后续离心分离段的油气混合物含油量降低，提高离心分离效率，进一步提升轴流式油气分离器的分离效率。图1为带挡板的轴流式油气分离器主剖视图，油气混合物从分离器入口进入分离器后，经挡板第一步碰撞分离出大粒径油滴，随后气流由外侧环形空间进入旋流叶片，经离心分离后气体从出口排出。

图1 带挡板的轴流式油气分离器主剖视图

目前已有学者对分离器入口挡板进行了研究。张静[1]等人研究了不同相对曲率的挡板对分离器入口局域流场流体力学性能的影响，结果表明，随着挡板相对曲率的降低，挡板受到的冲击力下降，入口局域阻力下降，凹柱面能够限制射流的扩展，凸柱面有利于射流的扩展。对圆形射流冲击平板的研究表明[2-3]，若冲击间距在入口管直径d的2~10倍范围内，径向和法向最大时均速度会随着冲击间距的增加而降低，并且最大脉动速度也会降低，射流半宽值增加。在过去几年中，已经进行了各种轴流式旋风分离器的研究。例如，Zhiyi Xiong等[4]优化了涡流探测器的配置，以提高分离效率并降低旋风分离器的压降，发现回流锥和螺旋间隙配合具有最佳的分离性能。Ta-Chih Hsiao等[5]评估了轴流式旋风分离器的颗粒收集效率，其具有以50lpm气溶胶流速操作的8种不同几何构型。该研究表明，轴向流动模式的最佳配置受涡流探测器长度的影响很大。郭颖等[6]对不同导流锥和排尘结构参数下的纯气流流场及颗粒浓度场的分布特性进行了对比分析。研究表明：在一定范围内采用减小导流锥下端内径、采用排尘侧缝的单锥排尘结构有利于旋风管内颗粒物的分离。张庆国等[6]采用CFX数值模拟对轴流导叶式旋流管内部的流动特性及不同旋流数对旋流管分离性能的影响进行了研究，结果表明：径向流速是影响分离效率的重要因素，旋流管的径向流速峰值会随旋流数的增加而降低，液体携量也降低。Luis D.Peréz Guerra等[7]人对弧形导流叶片的流通面积以及叶片出口的切向速度进行了推到，并且得到了计算公式。R.Thundil Karuppa Raj等人[8]研究了导叶角度和叶片数对漩涡强度的影响，发现漩涡会产生压力梯度，且会形成内循环区。Hobbs[9]模拟了导流叶片的几何参数对分离效率以及压降的影响，发现出口角度越小，分离效率就越高，但同时压降也会越大。黄龙等人[10]利用数值模拟研究了叶片扭转角度对分离性能的影响，发现扭转角越大，分离效率就越高，压降也越大。

冲击间距和挡板的结构对流场的分布起决定性作用，对碰撞分离效率影响较大，合理的挡板结构设计有利于提升轴流式油气分离器分离效率。为了比较不同结构的挡板对粗分效率的影响，本文建立了平面挡板、90°挡板和180°挡板3种类型的数值模拟模型，并对这3种类型的分离器在不同冲击间距以及入口流速下的流场、压力损失和油滴运动轨迹进行了模拟分析。

2 物理模型

本文的研究对象为带挡板的轴流式油气分离器入口碰撞分离段，因此在建立物理模型时对分离器进行了简化，省去了旋流叶片，使整个分离器内部没有离心分离，只进行初步的碰撞分离，图2为优化的物理模型主剖视图以及本文所研究的3种不同结构挡板的入口局部视图，本文研究了30 mm、40 mm、50 mm和60 mm 4种不同的冲击间距L以及7.2 m/s、10.8 m/s和14.5 m/s 3种不同的入口速度。

3 网格划分

对所研究的带挡板的轴流式油气分离器流域进行网格划分，采用切分和分区划分网格的方法，如图3所示，除弧面挡板区域外，其余部分均为六面体网格，整体网格的扭曲度均低于0.8，大部分网格扭曲度在0.5以下，有效提高了网格质量，保证了计算精度。

以带有180°挡板的分离器流域模型进行了网格无关性验证，划分了3种不同密度的网格，网格数量分别为55万、97万和185万。通过对比计算结果发现，3种密度的网格压损差异不超过5%，可以认为继续增大网格数对最终的计算结果没有影响，因此本文选择的网格数为55万。

图2 物理模型及入口结构局部图

图3 网格划分示意图

4 数值计算方法

由于本文所研究重点为入口参数的影响，故模型中去掉了旋流叶片，从而分离器中流场没有强烈的旋流，因此本文的数值模拟计算中气相流场计算采用k-epsilon模型。液滴相的体积分数小于10%，可以忽略液滴体积分数对气相流场的影响，因此采用离散相模型（DPM）对液滴的运动轨迹进行跟踪模拟，DPM模型选择非耦合计算，即不考虑液滴和流场之间的相互影响，在模拟计算时先计算连续相气相流场，然后加载离散相，直接计算液滴的轨迹。采用的方程离散格式如表1所示。边界条件设置为速度入口边界以及压力出口边界，入口气流速度为7~13 m/s。出口设置为压力出口，压力设置为4bar，为保证计算精度，模型中排气管的长度是排气管当量直径的十倍长。同时，在用DPM对油滴轨迹进行跟踪模拟的时候，分离器内壁面设置为捕捉（trap），出口处设置为逃逸（escape）。

5 结果分析

5.1 流场分布

图4为3种不同结构分离器在入口速度的7.2 m/s时的入口局部流场图，从图中可以看出，带有180°挡板的分离器在分离器下部会存在特别强烈的旋涡，这会导致流体能量的损失，同时会使大量油滴在分离器下部悬浮，再次被气流携带。而其他两种结构形成的旋涡不是特别强烈，更有利于油滴的分离。

表1 控制方程的离散格式

5.2 压力损失

图5为带有3种不同结构挡板的分离器在冲击间距为30 mm时不同的入口速度下的压力损失，从图中可以看出带有平面挡板的分离器以及含有90°挡板的分离器压力损失差别很小，而含有180°挡板的分离器压力损失明显高于其他两种，这是由于含有180°挡板的分离会形成强烈的旋涡，导致流体能量损失增加，从而压损增大。

图6为带有3种不同结构挡板的分离器在入口速度为10.8 m/s时不同冲击间距下的压力损失，可以看出随着冲击间距的增加，3种结构的分离器压力损失都在降低，这是由于冲击间距增加导致气流碰撞到挡板上的速度降低，从而损失减小。同时，带有180°挡板的分离器随着冲击间距的增加，压损下降幅度明显大于其他两种结构，这是由于冲击间距增加后，带有180°挡板的分离器底部形成的旋涡会减弱，从而压损明显降低。

图4 3种结构在入口速度为7.2 m/s时的局部流场图

图5 3种结构在冲击间距为30 mm时不同入口速度下的压力损失

图6 3种结构在入口速度为10.8m/s时不同冲击间距下的压力损失

5.3 最小分离粒径

本文采用离散相模型（DPM）对油滴的运动轨迹进行跟踪模拟，得到3种结构分离器在不同入口速度下能够分离出的最小油滴粒径。以带有180°挡板的分离器，冲击间距为30 mm，入口速度为7.2 m/s为例，改变射入的油滴粒径，得到不同粒径油滴的运动轨迹，如图7所示。可以看出，当油滴粒径超过26μm时，将没有油滴从出口管逃逸。

图8为3种不同结构分离器在冲击间距为30 mm时3种入口流速下的最小分离粒径，从图中可以看出带有90°挡板的分离器最小分离粒径远小于其他两种结构的分离器，分离效果最好。带有180°挡板的分离器最小分离粒径较大，碰撞分离效果不明显。

图9中显示了3种结构的分离器在入口速度为10.8 m/s时不同冲击间距下的最小分离粒径，可以看出不管冲击间距如何变化，带有90°挡板的分离器能够分离出的最小油滴粒径都远小于其他两种结构。同时，带有平面挡板的分离器随着冲击间距的改变，最小分离粒径没有变化。

图7 各粒径油滴轨迹

图8 冲击间距为30 mm时不同入口速度下的最小分离粒径

图9 入口速度为10.8 m/s时不同冲击间距下的最小分离粒径

6 结论

本文提出了在轴流式油气分离器入口设置碰撞挡板以使其增加初步的碰撞分离，提高分离效率，并对带不同结构的挡板以及不同的冲击间距的分离器进行了数值模拟，分析了压力损失以及最小碰撞分离粒径，结果表明：

（1）在相同的冲击间距下，3种结构形状的挡板在碰撞分离段所能分离出的最小油滴粒径，均随着入口速度的增大而不断减小，分离效率提高，但同时在分离器入口段所产生的压损也随之增加。

（2）在入口速度不变的情况下，随着冲击间距的增加，3种结构形状的挡板在入口段所产生的压损均呈现下降的趋势，180°挡板下降幅度最大。在不同的冲击间距下，平面挡板以及90°挡板所能分离出的最小油滴粒径基本不变，180°挡板所能分离出的最小粒径会随着冲击间距的增加有小幅度的增加。

（3）从数值模拟流场图中可以看出，180°挡板会使得分离器底部形成较为强烈的旋涡，导致流体能量损失，压力损失增加，同时会导致部分油滴悬浮在分离器下部，又被随后的气流重新携带，降低分离效率。在3种结构形状的挡板中，90°挡板在碰撞分离段所能分离出的最小油滴粒径要明显小于平面挡板以及180°挡板，同时压力损失也相对较低。因此，在本文所研究的3种结构形状的挡板中，90°挡板有着最优的碰撞分离性能。