通过数值模拟和实验研究油喷压缩机系统中旋风式油气分离器的油滴分离性能.docVIP

对油喷压缩机系统中旋风式油气分离器分离性能的数值模拟和试验研究 摘要： 通过对旋风式油气分离器中油滴破碎的关注对油滴的运动轨迹和分离性能进行数值模拟。分离性能也通过试验来研究，用马尔文颗粒粒度分析图1 3、数值模拟 已经在先前的许多旋风分离器的研究中被广泛接受的RSM模型，被用来描述漩涡流场。对于油滴的轨迹，使用单向耦合来应用DPM模型，而且因为在这项研究中油的体积浓度非常低，通常小于1%，所以可以假设分离相对连续相流场没有影响。气体流场的控制方程出自Elsayed和Lacor。 3.1、油滴模型 流场中油滴的控制方程如下给出 （1） 式中，和是气体和油滴的速度，和是气体和油滴的密度，g是重力加速度，是系数，是额外的力。右手边第一个式子描述的是每单位粒子质量的阻力，第二个式子是每单位粒子质量的重力。系数课通过下式计算 （2） 式中，是气体的动力粘度，是油滴的半径，是相对雷诺数，是阻力系数，它们可以通过下面的式子计算 （3） （4） 式中，，和是由Morsi和Alexander指出的介于一些雷诺数范围间的常数。 额外力包括热应力、布朗力和考夫曼升力。由于相对考夫曼升力其他的力都要小的多，所以近似等于考夫曼升力，而且可以表示为 （5） 式中，K=2.594，，和是变形率张量，v是运动粘度。 油滴的速度可以通过在离散的时间步长上的积分方程来预测。对速度进一步积分可得出位移并因而得出油滴的轨迹，当通过时间步长上的积分解出轨迹方程时，气体速度是平均气相速度。 3.2、油滴破碎模型 TAB模型用来计算液滴的破碎，选择由O’Rourke和Amsden开发的TAB模型是因为它适合旋风分离器的低韦伯量条件。 3.2.1、液滴变形 下式被用来描述TAB模型中的油滴破碎 (6) 式中，F是液滴的外力，x是液滴球形体（没有被破坏）的赤道上的位移，是液滴质量。等式的系数来自泰勒比拟 (7) 式中液滴（没有被破坏）的半径，是液滴的表面张力，是液滴的动力粘度。常量=，=8，=5的选择符合相关例子和理论。 假设当液滴变形达到液滴半径的一个临界比开始破碎，这个破碎的条件为x（=）。 3.2.2、子液滴的尺寸 通过使母液滴能量和子液滴的总能量相等确定子液滴的尺寸。 (8) 母液滴的能量包括表面能，振动和扭曲变形能。 (9) 表面能如下式给出 (10) 振动和扭曲变形能可通过下式计算 (11) 式中；K是变形和振动的总能量和基础模型能量的比值，值为。 假设子液滴没有变形和振动，因此，子液滴的能量可以表示为 (12) 式中，是通过使母子液滴能量相等而得出的液滴尺寸分布的沙德平均半径，设定y=1，。 (13) 对于沙德液滴尺寸分布，=0.7，是液滴半径分布中的最大值。 一旦液滴的尺寸确定后，子液滴的数量可通过质量守恒轻松的确定出来。 3.2.3、子液滴的速度 TAB模型允许一个垂直于母液滴速度的速度分量被强加于子液滴上。当发生破碎时，母液滴的赤道运动速度为。因此，子液滴有一个垂直于母液滴的速度，由下式给出 (14) 式中，是一个常量，值为1。 3.3、边界条件 在旋风分离器的进口使用速度进口边界条件。特别地，要指定垂直于进口表面的速度。根据压缩机系统的背压在旋风分离器的出口设定压力出口边界条件。在