管式离心机固液两相流场的数值模拟
赵春波 杨德武 张昌林
(1．沈阳化工学院，辽宁沈阳110142；2．沈阳市煤气总公司，辽宁沈阳110005)
摘要：简单介绍了管式离心机的主要技术状况、不足及FLUENT软件；在简化的基础上。从单一相连续方程入手建立了管式离心机内的固、液两相流动数学模型，通过计算网格划分和边界条件的确定，用FLUENT二维数值模拟了该机内的两相流流场及随时间变化的分离状况．得出了直观的机内不同截面上的速度分布及分离颗粒的体积分布云图。模拟结果符合该机的运行规律。为进一步深入研究奠定了基础。
关键词：管式离心机；两相流：数值模拟
中图分类号：TQO51．8+4；TQo18 文献标识码：A 文章编号：1005—8265(2007)01—0022-04
1 引言
管式离心机是一种高转速、高分离因数的分离机。通常适用于固体含量低于1％、固体颗粒小于5 p,m及固体与液体的密度差很小的悬浮液的澄清；也适用于轻液与重液的密度差小且分散性很高的乳浊液的分离。因其转速可高达10 00o一30 000 dmin，分离因数可高达10 00o一30 000，在各行业中应用非常广泛。比如：润滑油的净化、口服液的提纯、血液制品业、生物制品业、饮料业、制药行业、食用油业、煤焦油的净化等等。
管式分离机主要缺点是间歇操作。转鼓容积小。要频繁地停机清除沉渣．所以要通过加强分离理论研究和离心分离过程研究来强化管式离心机分离性能．从而开发出大型的离心分离机。但是理论研究不能让人直观的看到转鼓内流体流动状况．所以本文采用计算流体动力学(简称CFD)进行数值模拟，使研究结果可视、直观化。从而指导用户进行管式离心机的优化设计。
2 物理及数学模型的建立
2．1 物理模型的提出
当管式离心机中的管状转鼓在主轴的带动下高速旋转时 固液两相悬浮液由进液轴承座底部的喷嘴喷射入转鼓内。进入转鼓的悬浮液。在转鼓高速旋转所产生的离心力场的作用下。悬浮液产生分层。固相沉积在转鼓内腔的外部。由于进口速度的作用。液相向上流动至离心机顶部。通过出液口流出，微量的固相沉积在转鼓的内壁上。为便于计算与讨论，将其内流场分析简化为二维轴对称模型。
2．2 离心机两相流场数学模型的建立
对于多相流的分析．可以将每一相作为目标进行处理。不考虑相间作用。允许多相以不同的速度运动和相互贯穿。假设混合物中有n相，其中分散相为颗粒，其物理量用下标P表示，连续相为液体，其物理量用下标c表示。基于连续相和分散相的混合体，可以得出多相流的连续方程和动量方程。设第k相的体积分数为：
从图3可以看出：
(1)混合物刚进入转鼓内径向速度有较大变化，表明此处离心力已经发挥了作用，利于固液分离。在经过一段后径向速度为负且波动不大．表明转鼓中液相平缓地向轴心迁移并从溢流口流出；在近壁区为正．表明流体中的固相颗粒在离心力的作用下向鼓壁迁移。
(2)两相在径向方向上存在速度差。因此随分离过程的进行．液相集中在中心，固相分布在鼓壁，这也说明径向速度差的存在是两相分离的前提。
4．3 轴向速度
不同时段固相x=-0．51截面上固相沿y轴的轴向速度分布如图4与图5所示。
从图4与图5的比较可以看出：固相轴向速度分布范围及趋势符合管式离心机内的流场分布的基本规律。在底端时轴向速度为零，随着轴向距离的增加，轴向速度逐渐增大，大约在y=0．69处达到最大值后，速度逐渐减小，在顶端时轴向速度为零。
4．3 体积云图
计算得出的体积云图如图6所示。从图6可以看出相的分布规律为：密度大的固相分布在外围，密度小的液相分布在中心。这是因为流体随转鼓内壁旋转时，密度大的固相所受离心力大．密度小的液相所受离心力小，一段时间后，两相自然分层。该结果直观地反映了管式离心机的分离效果。
5 结论
图6 体积云图
采用多相流及雷诺应力模型对管式离心机内湍流两相流场进行了二维数值模拟．可得以下结论：
(1)通过模拟可直观地看出，两相流体进入离心机并在离心力作用下。经一定时间后开始分层。液相聚集在中心。从排流口流出，固相分布在器壁处。
(2)模拟出的不同截面上径向速度分布和固相在不同时段的轴向速度分布符合理论基本规律．说明用FUIENT软件模拟管式离心机内流场流动状况的方法是可行的。可以进一步深入研究。
符号说明：
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