波纹板除雾器除雾叶片的数值模拟.pdf

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1、第40卷第5期化工机械625波纹板除雾器除雾叶片的数值模拟马铭泽+王建军金有海(中国石油大学(华东)化学工程学院)摘要基于响应曲面法。以叶片间距、液滴直径和流速为自变量，分离效率为因变量，采用Box．Be．hpken(BB)设计，研究各自变量和其交互作用对波纹板除雾器分离效率的影响，并得到二次多项式回归方程预测模型。关键词波纹板除雾器数值模拟BB设计中圈分类号TQ051．8文献标识码A文章编号0254-6094(2013)05-0625-03随着天然气的大量开采，这种清洁、高效的新能源已逐渐成为重要支柱性能源之一，但是天然气中含有大量的固相和

2、液相杂质，这些杂质直接或间接地对天然气的运输和使用带来极大的危害¨一o。为了减小甚至消除这些不利因素，大批学者对天然气杂质的去除做了深入研究H“J。查阅文献资料可以发现，大多数是利用旋流装置对天然气的杂质进行离心分离，这种分离虽然效率很高，但其过程中的压降损失较大，给天然气的运输带来一些问题和不便。因此，一种新型分离设备就体现出它的优势，波纹板以其结构简单、清洗方便及压降小等优点而被广泛使用。笔者重点考察波纹板的分离效率和影响因素，并与旋流分离装置进行对比。采用响应曲面法来分析波纹板的结构、操作参数和其交互作用对它的分离效率的影响，在此基础上

3、得出能预测波纹板除雾器分离效率的模型，该模型对以后的波纹板除雾器结构优化具有指导意义。1模型建立1．1响应曲面设计首先选择合适的响应曲面方程，然后根据实验结果进行响应曲面分析，得到最初的响应曲面方程。随之根据不同响应因素的显著性大小，分析方程中对目标函数产生显著影响的因素。根据上述原理，笔者选择二次响应曲面方程，并考虑所有的一次项、二次项和两两交叉项。响应曲面方程可表示为⋯：I^y=风+二晟Xi+∑．JBi．iXl2+二卢iJX；乃+e(Xl，五，⋯，X‘)I‘1‘o-I‘，(1)其中，y为目标函数或称响应；置为自变量；芦；、JB¨、卢；。分

4、别代表一次、两次、交互作用项的回归系数；I

5、}为影响因数的数量；e为误差，有两个误差源，即实验误差和拟合不足误差，后者包括高阶项和交互项。考察波纹板间距日、液滴直径d和流速”对分离效率的影响，采用Box．Behnken(BB)设计法进行优化，表1给出了响应曲面模型中变量的范围。表1响应曲面模型中变量的范围1．2CFD模型1．2．1模型假设在实际条件下，气流流过波纹板的弯曲通道时，它的流动是一种三维、非定常、可压缩的粘性流体的流动。但由于现今的计算机处理量还不能}马铭泽，男，1988年6月生，硕士研究生。山东省青岛市，266580。626化工机

6、械2013年对实际条件下的纳维一斯托克斯公式进行求解，因此，在误差允许的条件下对模型作适当的简化：a．由于进入除雾器弯曲通道内的气流速度较小，因此可以把这种气体视为不可压缩性气体处理；b．由于弯曲通道的高宽比很大，因此可把波纹板中的流场简化为在二维平面上的流场；c．考虑到在理想状况下，气体流动的各参数与时间无关，因此可将气流流动视为定常流动。1．2．2模型建立采用

7、

8、}咕湍流模型的封闭N—S(Navier—Stokes)方程。连续性方程：罢+罢：0(2)a互a’，N-S方程：塑+警+等=一塑+上(粤+百a2uOtaxReax)(s)a茗a，，

9、I‘a，，J、竺+生+型=一塑+一1I[护a2votOyOxOyRe专)(4)＼a髫‘d，，，k-8方程：去c础，+毒cp鸭，2毒【(p+鲁)鸶】+p。差(差+垫axilI一胪(s)告(础)+去㈨¨=去№+；／z∥,’lc3茹e：卜尘㈨O眈u‘[协Ou__A，+丝ax,1-c2／kp譬(6)一‘pt缸，、眠+。卜L2pToo’k-6方程中湍流粘度肛。的计算式为：“=印t2／e式中的常数值CI,=0．99，C。=1．44，C2=1．92，or‘=1．0，盯。=1．3。2结果分析运用CFD模拟计算BB设计法中的每个设计点的分离效率，可以得到二次多

10、项式回归方程预测模型为：Y=1．92751+0．20354H一0．057715d一0．12073口一0．00076Hd一0．000173Hv+0．003dr+0．00006H2+0．001d2+0．0014v2(7)回归方程的方差分析结果表明，试验结果与o．9953(表2)，日、tI、d和交互因素lid、d2、dv对波二次多项式方程预测模型非常吻合，R2的值为纹板除雾器的分离效率影响显著。表2响应曲面二次多项式预测模型方差分析影响波纹板除雾器分离效率的各因素和其交互作用的响应曲面如图1所示。由图1a可以看出叶片间距和粒径对分离效率的交互作用影

11、响，随着叶片间距的减小，分离效率明显增大，但小于液滴粒径对分离效率的影响。这主要是由于随着粒径的增大，其惯性力增大，其速度松弛时间t也增大，根据速度松弛时间t的公式