张海春， 周圆圆， 龚 斌， 吴剑华， 张 静

(1.长春中车轨道车辆有限公司， 吉林 长春 130052；2.沈阳化工大学 辽宁省化工新技术转移推广中心， 辽宁 沈阳 110142)

车辆清洗是提高轨道服务质量的一项重要措施.洗车污水的浊度较高，含有大量的较细泥沙颗粒.一般要对沙水进行重力分离，以达到污水排放标准.分层器是一种应用广泛的沙水重力分离设备，通常会在分层器入口添加防冲击结构，吸收流体介质的动能，改善分层器内已分层物料流场的分布状况.在非均相重力分离的实际应用中，进料口处设置挡板可以明显减小流场内的回流面积，增大有效流动区域，提高分离效率，这为分层器的设计和运行提供了参考[1].挡板的最佳位置是在回流区域，可用来破坏回流区，提高分层器的运行效率[2].在入口布置一块径向挡板和两块轴向挡板，以三块挡板构成的出口截面作为分层器主流场入口，其流动状态对分离效率至关重要.张静等[3]运用模拟的方法对挡板局域内冲击射流受挡板曲率和冲击间距的影响进行分析，预测了滞点压力和冲击力，并利用速度场解释了局域压力场成因.然而，对于挡板局域和分层器内关联的重要环节——挡板出口截面没有进行详尽分析.

冲击射流具有独特的流动现象.Cooper[4]、Craft[5]和Ashforth-Frost等[6]对冲击射流的流动结构进行了精确的实验测量和数值计算，发现在剪切层和喷嘴入口附近产生漩涡，其形成与射流出口雷诺数、是否受限和冲击高度相关.Ozmen等[7]利用热线风速仪研究发现，近壁面径向湍流强度存在两个峰值，径向挡板径向压力系数分布与冲击宽度相关.毛军逵等[8]通过烟线流动可视化方法研究了柱面挡板，其中，凹柱面随冲击雷诺数Re的增加，在冲击滞止区域两侧形成稳定的旋流结构，高压区逐渐增强；而凹柱面上的流动不稳定性降低并易形成回流[9-10]. Madarame 等[11]研究表明，对于向上平面射流撞击自由面的自感振荡，脉线法是CFD模拟的有效验证方法和可视化补充.Torré等[12-13]利用脉线法表示冲击射流轨迹，实验和CFD结果吻合度较高，使用统计分析建立的相关性表明，对于横流模型中的射流，脉线法能很好地描述射流轨迹.

针对挡板局域范围内冲击射流受限流动，本文采用脉线法与CFD模拟相结合，对挡板局域示踪剂浓度及出口截面上流场分布特性进行分析.通过示踪剂对冲击射流轨迹的可视化演示，探讨挡板作用下受限冲击射流流动特性.分析凹柱面(K>0)、平面(K=0)、凸柱面(K< 0)三种挡板形式对挡板局域受限射流出口截面上流体力学性能的影响，为立式圆筒体分层器内非均相分离提供基础研究数据.

1 数值模拟

1.1 物理模型

为分析挡板形式对挡板内及出口局域示踪剂浓度场的影响，本文的物理模型参照文献[3]所示结构，附加示踪剂加料管，如图1所示.示踪剂加料管为壁厚1 mm圆管，出口与主流体入口平齐.分层器抽象模型具体结构参数见表1.其中，挡板相对曲率定义为

表1 分层器抽象模型结构参数

图1 分层器抽象模型简图

K=d/2R.

(1)

1.2 网格分布

本文是在文献[3]的基础上作进一步研究，网格方案、边界条件及模型选择均沿用该文献的结论.立式分层器内流场整体划分边长为8 mm的四面体非结构化网格.利用四面体网格边上增加节点的方法，对入口局域长×宽×高=120 mm×120 mm×120 mm的正方体区域进行网格加密.对平挡板结构进行网格无关性研究表明，未加密、一次加密、二次加密网格与三次加密网格的入口中心线上速度偏差分别为14.7 %、5.4 %、2.3 %.选择二次加密网格作为网格划分方案，三种挡板结构水平对称面上网格分布及对应单元网格体积如图2所示.计算域内总网格为240～279万，细化区域单元网格体积范围在0.338～2.47 mm3.

图2 网格分析

1.3 模型选择及边界条件

研究介质为不可压缩流体水(ρ=998.2 kg/m3，μ=1.003×10-3Pa·s)，湍流雷诺数范围为Re=3 000～11 000，定性尺寸为入口管直径d=30 mm.采用Realizablek-ε湍流模型对研究对象进行模拟计算.入口为均匀速度入口，所有壁面为光滑无滑移壁面，圆筒体上下截面设置为压力出口边界，上下截面表压分别为100 mm(979.2 Pa)和1 000 mm(9 792.3 Pa)水柱.

为了与实验做对比研究，对Re=7 000(uin=0.234 m/s)条件下进行示踪剂扩散数值模拟.其中，水循环入口中心位置设置直径为1.0 mm的圆截面作为示踪剂入口，在稳态单相流计算过程中，该圆截面设置为壁面，数值计算的收敛极限设置为10-4.稳态计算收敛结束，模型修改为非稳态两相流混合模型.基础相和第二相(示踪剂)均为不可压缩水，直径为1.0 mm的圆截面修改为速度入口，速度为0.234 m/s，第二相含率为1.第二相离散采用二阶迎风格式，时间步为0.001 s，最大迭代次数20次，每隔1 s保存一个计算结果.

2 实验验证

2.1 实验装置

为减小分层器出口对流体流动的影响，将图1结构放置于1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm方箱体中，上下留出100 mm空间，如图3(a)所示，使流体出口设置在圆筒体上下截面上，对挡板局域流体影响最小.为节约成本，三种形式径向挡板利用UPBOX 3D打印机制作，并增加护板，挡板与护板如图3(b)所示.在安装三种径向挡板时，通过护板保持出口截面宽度b=35 mm，而且保证径向挡板受流体冲击时位置稳定.

2.2 实验流程及方法

实验流程由水循环系统、示踪剂添加系统、拍摄系统3部分组成，如图4所示.水循环系统中，先在箱体中注满水，再启动循环泵，阀门全开以排净循环系统中空气.调整阀门，控制入口流量.在方箱外侧局域出口对应位置，下轴向挡板外表面均贴附亚光白纸，降低背景对拍摄的影响，为后处理提供最佳图像.同时，出口侧上轴向挡板和护板侧面贴附刻度尺[如图3(b)]，为定量判定示踪剂分布提供辅助参考.

图4 实验流程装置

选择酸性墨水蓝溶液作为示踪剂.示踪剂添加系统由示踪剂容器、蠕动泵、输送管线组成.水循环系统流量稳定后，启动蠕动泵，流量控制在10 mL/min，与模拟示踪剂速度保持一致，水循环系统流量计测量误差为5‰.一定时间后可见示踪剂流出，关闭蠕动泵，等待拍摄.

拍摄系统由两个摄像机及数据采集系统组成，相机1得到Z轴法向面图像，相机2得到X轴法向面即挡板出口截面图像，由软件控制两个摄像机同步.先启动摄像机，再启动蠕动泵，连续拍摄.对拍摄图像取数值模拟对应时刻进行后处理.

2.3 模拟与实验比较

图5对入口Re=7 000，t=1 s，2 s，3 s，4 s四个时间点的实验和CFD模拟的示踪剂浓度分布作出描述.从X轴法向面图像可以看出：示踪剂经历了喷出t=1 s→撞击径向挡板t=2 s→向上下轴向挡板流动，受轴向挡板限制沿平挡板表面向圆筒体壁面流动t=3 s→遇壁面再向入口流动，与入口流体汇合再流向径向挡板t=4 s.从三种类型挡板t=4 s图像可以看出：挡板内流体以入口水平对称面为基准形成上下两个对称的旋流结构，在挡板冲击区流动趋势相同，壁面射流区差异不明显.浓度分布规律与文献[3]对速度场的研究结论一致.

图5 挡板出口截面示踪剂浓度分布(Re=7 000)

图5中多个时间点示踪剂浓度分布云图与CFD模拟结果类似.运用matlab对实验图像进行处理，不同浓度所占面积的数值模拟与实验数据吻合程度达到90 %，从侧面说明了该模拟方案对挡板内流场预测的可行性.

3 挡板形式对出口截面流动特性的影响

挡板出口截面是流体在挡板内流动与分离器内流动的分界面，该截面上的流动特性直接决定了分离器内流体的流动特性.现针对不同结构挡板进行数值模拟分析，深入探究出口截面上流动参数的差异，为分离器入口挡板设计提供理论依据.

3.1 静压力

对三种形式径向挡板出口截面静压力进行分析，定义静压力系数为

(2)

图6描述了挡板形式对出口截面静压力系数分布的影响.在出口截面上，以水平对称面为基准形成上下两个对称的负压区域.通过比较发现：随着径向挡板曲率减小，负压中心向上下两侧轴向挡板趋近.其中，K=0.1的Cp≤-0.1区域面积最大，占出口截面总面积的69.3 %；K=0面积最小，Cp≤-0.1区域面积占总面积的48.4 %；K=-0.1的Cp≤-0.1区域面积占总面积的57.5 %.出口截面压力低于设备入口压力的主要原因是流动受上下轴向挡板的限制，形成对称旋流结构，出口截面上两个对称的低压区成为回流形成的主要诱因.

图6 静压力系数分布(Re=7 000)

3.2 回流比

在立式圆筒体分层器中，物料在径向挡板的作用下，进入罐体后形成壁面射流.挡板出口截面上速度分布决定了罐体内壁面射流流动结构，是分层效率的关键因素.不同形式挡板内冲击射流的差异决定了出口截面上的流场特性.

图7描述了三种形式挡板出口截面上的法向速度分布，以水平对称面为基准形成上下对称结构.在径向挡板附近有明显的出流速度(ux>0)分布；在水平对称面两侧形成回流(ux<0).

图7 法向速度分布(Re=7 000)

在图7中可看出明显的回流范围，尽管回流速度相对较低，却增加了阻力和扰动，对后续流动有较大影响.同时，随着K值减小，回流区向径向挡板移动，对分层器内中心区域的扰动也增大.

图8对Re=3 000～11 000范围内不同形式挡板出口截面上回流面积比S(回流面积与出口截面积比)进行比较，K=-0.1的回流区域面积高出平板23 %，比K=0.1高出30 %.

图8 回流面积比例与雷诺数的关系

3.3 涡量

图9为不同形式挡板出口截面上的二次流流线.

图9 二次流流线(Re=7 000)

比照图5、6、7可以看出：在水平对称面两侧形成对称漩涡结构，漩涡的中心处示踪剂浓度(t=4 s)最低，局域静压力最低，并产生回流.

为评价出口截面上二次流漩涡的强度，对该截面的法向涡量进行计算，如图10所示.涡量定义为

(3)

由图10可以看出：忽略壁面影响，高涡量集中在靠近分层器壁面和上下轴向挡板区域，水平对称面附近涡量较低.高涡量区域随挡板曲率的减小而收缩，|ωx|≤2 s-1的区域相应扩大.K=0.1，0，-0.1三种挡板|ωx|≥10 s-1的面积分别占出口截面的30.0 %、25.3 %、18.3 %.

图10 涡量分布(Re=7 000)

图11为Re=3 000～11 000范围内三种形式出口截面涡量绝对值的均值比较.随着雷诺数的增大，不同形式挡板涡量绝对值逐渐升高.平挡板出口截面的涡量最高，凹柱面挡板略低于平挡板，凸柱面挡板远低于其他两种情况.K=0.1比K=0出口截面的涡量仅低2.3 %，而K=-0.1比K=0低19.8 %.

图11 绝对涡量平均值

3.4 湍流强度

挡板出口截面(分层器入口)流体的湍流强度是设备内流体扰动的前提条件.图12对Re=7 000条件下三种形式挡板出口截面湍流强度分布进行描述.湍流强度定义为

(4)

由图12可以看出：三种形式挡板出口截面上，径向挡板近壁面湍流强度较高，出口截面中心靠近分层器壁面处偏低.凹柱面相对其他两种挡板湍流强度分布更均匀，凸柱面最高和最低湍流强度差异最大.K=0.1，0，-0.1三种挡板I≥15 %的面积分别占出口截面的12.0 %、14.0 %、19.3 %.

图12 湍流强度分布

图13为出口截面上湍流强度均值计算结果.挡板形式对出口截面湍流强度均值影响较低，凹柱面板略高于其他形式挡板.雷诺数对湍流强度均值影响较大，Re=3 000～11 000范围内三种形式出口截面湍流强度随雷诺数线性增长.

图13 湍流强度均值

4 结 论

在立式圆筒体分层器入口处设置凹柱面、平板和凸柱面三种挡板，在Re=7 000、分别采用三种结构挡板的条件下，对示踪剂分布随时间变化进行实验与数值模拟，并进行比对分析.对分层器入口Re=3 000～11 000范围内的流场进行数值模拟，研究挡板结构对局域流场和出口截面流体力学性能的影响.具体结论如下：

(1) 示踪剂在挡板内流体以水平对称面为基准形成上下两个对称的旋流结构，挡板出口截面水平对称面两侧形成对称漩涡和对称的回流区域.

(2) 挡板出口截面漩涡中心的示踪剂浓度、静压力系数最低，并存在较低速度的回流；出口截面上水平对称面附近涡量较低，湍流强度较低.

(3) 凸柱面挡板出口截面上的回流面积比其他两种挡板高出很多，绝对涡量平均值却低很多，三种挡板出口截面湍流强度差异不大.

(4) 凹柱面挡板使出口截面上的回流面积最小，对湍流强度也起到了限制作用，相对平挡板涡量也略有下降.而凸柱面尽管导致涡量大幅度下降，但回流面积却大幅度上升.

符号说明：

CP—压力系数；

I—湍流强度；

K—相对曲率；

P—静压力，Pa；

Pin—入口静压力，Pa；

t—时间，s；

Vc—网格体积，m3；

ρ—密度，kg/m3；

uin—入口管内平均流速，m·s-1；

ux—出口截面法向速度，m·s-1；

uy—出口截面y轴速度，m·s-1；

uz—出口截面z轴速度，m·s-1；

ωx—出口截面法向涡量，s-1.