【正文】 面在于動(dòng)態(tài)水力旋流器具有較強(qiáng)的離心力場。當(dāng)分流比變化時(shí)，動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離性能沒有太大的變化。當(dāng)軸向速度較小時(shí)有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[14]。當(dāng)然，動(dòng)態(tài)水力旋流器也存在以下缺點(diǎn)：（1）外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，造成固體顆粒在邊壁的積聚，易產(chǎn)生污垢；（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)必須依靠電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源[15]。圖29 溫度與分離效率關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)溫度在20~70℃時(shí)，分離效率逐漸升高。最高轉(zhuǎn)速時(shí)，分離能力可達(dá)到最大，理論上效率應(yīng)最高，但由于整個(gè)裝置的人口壓力及壓力降急劇增加，振動(dòng)加劇，因此此時(shí)效率達(dá)不到最高。對于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過高的處理量將會(huì)產(chǎn)生過大的壓力損失，同時(shí)也使液體進(jìn)入旋流器的速度過高，有可能使液滴破碎，不利十分離。實(shí)際運(yùn)行時(shí)來自入口的液體將由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此，根據(jù)物料平衡原理，應(yīng)有下式成立。高轉(zhuǎn)速時(shí)，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時(shí)，液體在旋流腔速度加快，停留時(shí)間變短，不利于分離，而使分離效率下降?？梢钥闯觯至鞅葘Ψ蛛x效率影響不顯著，分流比在8~12%時(shí)，分離效率達(dá)84%以上。圖212 分流比與分離效率關(guān)系曲線本文設(shè)計(jì)的水力旋流器的物性參數(shù)和操作參數(shù)：介質(zhì)溫度為50℃，處理量為12，分流比為10%，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速1460r/min。當(dāng)L長度足夠時(shí)，能保證液流在腔內(nèi)的分離時(shí)間為3~5s左右。轉(zhuǎn)筒長度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時(shí)間增加，使油滴有充分的分離時(shí)間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長度過長，則導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大，振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果[16]。當(dāng)D確定時(shí)，隨L適當(dāng)增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時(shí)間增加，使油滴有充分的分離時(shí)間，分離效果也就愈好。額定處理量確定時(shí)，液滴的存留時(shí)間由L確定。將式（31）變形可得== （33）存留時(shí)間T=~8s內(nèi)，故設(shè)計(jì)合理。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成油水混合液中油滴的嚴(yán)重乳化，進(jìn)而降低分離效率。葉片式旋轉(zhuǎn)柵通過葉片對來液進(jìn)行預(yù)加速，葉片個(gè)數(shù)過少，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場分布不均；葉片個(gè)數(shù)過多，則使液流的過流面積減小，壓力損失增加及液滴的剪切破碎程度加劇，不利于分離效率的提高。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見圖31，流量Q，液體流過旋轉(zhuǎn)柵的時(shí)間t，過流面積A。前面已經(jīng)選取D=110mm，因而試選取d=75mm，h=12mm。 旋轉(zhuǎn)柵葉片長度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體。則柵片長度計(jì)算有 （36）式中：——液流的軸向速度，m/s； t ——液流分子在旋轉(zhuǎn)柵上的加速時(shí)間，s。表34 旋轉(zhuǎn)柵長度對分離效率的影響柵片長度/mm分離效率%柵片長度/mm分離效率%100959085 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)選 溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計(jì)首先建立收油結(jié)構(gòu)的直圓管模型，該結(jié)構(gòu)模型簡單，其入口在流體力學(xué)中稱為Borda孔。根據(jù)分析，當(dāng)漏斗錐角為40176。圖32 溢流嘴內(nèi)表面形狀示意圖 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研究發(fā)現(xiàn)，其外表面同樣有收縮現(xiàn)象，下面介紹解決的設(shè)計(jì)辦法[18,19]。此方案的外錐面設(shè)計(jì)在穩(wěn)定局部渦流方面較為理想。此曲線為外橢錐體壁面。是為了減小液流分離時(shí)形成的入口對稱收縮現(xiàn)象。排油口與排水口橫截面面積關(guān)系的設(shè)計(jì)對分離特性有很重要的影響。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，對同一溢流嘴也能有較好的分離效率；但轉(zhuǎn)速低于900r/min或超過2400r/min時(shí)，分離效率均有下降趨勢[16]。圖36 不同溢流嘴位置對分離效率的影響 收油錐的設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)水力旋流器排水端收油套結(jié)構(gòu)形式為有收油錐和無收油錐兩種。對小型動(dòng)態(tài)旋流器，建議可不用收油錐，因?yàn)橹蓖ㄊ浇Y(jié)構(gòu)可能更利于腔內(nèi)流場的穩(wěn)定[16]。旋轉(zhuǎn)柵做功來增加了液流的動(dòng)能，也就相當(dāng)于，在旋流器已經(jīng)工作的時(shí)候，傳遞給單旋體的能量主要用于液流動(dòng)能的增加。此處取系數(shù)K=，則：W （313）值得注意的是，旋流器工作首先要使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，然后才使混合液進(jìn)入旋流腔。其中，對于單旋體部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，有 （315）式中：——鑄鐵的密度，取8000； V——轉(zhuǎn)筒體的體積，m3。而本文設(shè)計(jì)的五臺組合式動(dòng)態(tài)水力旋流器，為了達(dá)到最好的功率傳遞效率，其位置在空間布置如圖38。 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 一級傳動(dòng)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算（1）確定計(jì)算功率計(jì)算功率是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的[20] （320）式中：——計(jì)算功率，kW；——工作情況系數(shù)，；——所需傳遞的額定功率，kW。（3）確定中心距a，并選擇V帶的基準(zhǔn)長度要確定V帶長度，首先要初選其長度，在進(jìn)行精確確定。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)傳動(dòng)比i=1，因此帶輪包角=180176。 ——單根B型V帶傳遞的額定功率，kW。（6）確定帶的初拉力 （326）式中：q——帶的單位長度質(zhì)量，kg/m。只有二、三級傳遞帶的根數(shù)和最小初拉力與一級傳動(dòng)不同，根據(jù)式（325）和式（326）有：二級傳動(dòng)帶根數(shù)： （327）取1根。V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)。圖310 孔板式V帶輪結(jié)構(gòu)示意圖圖311 實(shí)心式V帶輪結(jié)構(gòu)示意圖對于二級、三級V帶傳動(dòng)的主從動(dòng)輪與一級傳動(dòng)的從動(dòng)帶輪有相同基準(zhǔn)直徑和配合軸徑，因此有相同的結(jié)構(gòu)尺寸。 鍵的選擇及鍵連接強(qiáng)度校核平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，對于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵連接，其主要失效形式是工作面被壓潰。前面已經(jīng)計(jì)算的到，一級、二級、三級傳動(dòng)傳遞功率分別為 =、=、=，r/min，由式（332）得N 軸承的選擇及壽命校核本文設(shè)計(jì)的水力旋流器的轉(zhuǎn)筒做高速旋轉(zhuǎn)，故宜選擇球軸承，另外轉(zhuǎn)筒主要受軸向力，軸向力微乎其微，可以忽略不計(jì)，因此選用深溝球軸承。N。帶入式（333），有：kg 因此，總質(zhì)量kg，則軸承所受的總重力為：N （335）對3號單旋體受力如圖313所示，左右軸承豎直方向受力、有: （336）式中：、——分別為作用力之間的距離，m。得：N（負(fù)號表示力的實(shí)際方向與圖示方向相反）,N。為了計(jì)及這些影響，可對當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系，故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷應(yīng)為：N （340）式中：——載荷系數(shù)。 螺栓的選擇及其校核本文設(shè)計(jì)中，螺栓用來連接不同轉(zhuǎn)筒段，傳遞轉(zhuǎn)筒扭矩T，本文采用6個(gè)M10的螺栓在截面圓周上均勻布置。因?yàn)榇颂幨鞘辙D(zhuǎn)矩的螺栓組連接，根據(jù)作用在筒壁上的力矩平衡及連接條件[20]，應(yīng)有 （341）式中：——結(jié)合面的摩擦系數(shù)； ——第i個(gè)螺栓的軸線到螺栓組中心的距離，m； ——防滑系數(shù)，=~； T——轉(zhuǎn)矩，N則螺栓危險(xiǎn)截面的抗拉強(qiáng)度條件 （343）式中：——螺栓危險(xiǎn)截面計(jì)算拉應(yīng)力，MPa； ——螺栓許用拉應(yīng)力，MPa； ——危險(xiǎn)截面面積。根據(jù)密封油介質(zhì)，此處O形密封圈材料選擇丁腈橡膠[22]。按照介質(zhì)為原油，選擇其材料：靜止環(huán)為石墨，旋轉(zhuǎn)環(huán)為碳化鎢[22]?？偨Y(jié)全文，主要有以下內(nèi)容:理論分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器分離機(jī)理；分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運(yùn)動(dòng)行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對動(dòng)態(tài)水力旋流器分離性能影響很大。對動(dòng)態(tài)水力旋流器的收油錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳的收油錐錐角為9176。 Facilities,1993,5:8490.致謝本文是在導(dǎo)師楊建軍老師的精心指導(dǎo)下完成的。最后對一直關(guān)心、幫助、支持和鼓勵(lì)我的所有同學(xué)和親人表示真誠的謝意！附件1外文資料翻譯在水力旋流器中幾何參數(shù)對分離效率的影響摘要 這是一項(xiàng)旋流器中氣—液—固多相流動(dòng)的數(shù)值模擬研究。結(jié)果顯示，與預(yù)測大小分類大致相似的雷諾應(yīng)力模型和萊斯響應(yīng)的方法。關(guān)鍵字 CFD建模 LES 多相模型 拉格朗日模型 尺寸分類 水力旋流器尺寸符號表 ， ， 模型常數(shù) 升力系數(shù) 阻力系數(shù) 體積力 表面力 平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能G 重力k 湍流動(dòng)能 速度分量Vd 質(zhì)點(diǎn)速度P 壓力 速度波動(dòng)成分 尺寸成分希臘字母 密度 角速度 顆粒體積分?jǐn)?shù) 運(yùn)動(dòng)粘度， 分別對k和ε，的紊流普朗特?cái)?shù) 應(yīng)力張量 有效粘度 流體分子粘度 擾渦粘度 粘滯擴(kuò)散比 氣體體積分率1 介紹水力旋流器是借助由旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力用于各行業(yè)中分離兩種不同密度的成分。水力旋流器中的旋流性能卻很復(fù)雜。針對這一缺點(diǎn)，流體力學(xué)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型是非?？扇〉摹elsall[2]報(bào)道了水力旋流器內(nèi)的流態(tài)和流速剖面。任何CFD技術(shù)的基礎(chǔ)上—數(shù)值處理的ns方程，在1980年代早期慢慢應(yīng)用于旋流器分析。這些研究中大多數(shù)都只針對模擬水力旋流器中的水流，極少有人嘗試過預(yù)測分散相在分離器中的體積分?jǐn)?shù)分布。研究結(jié)果表明，不同尺寸和長度旋流器的流場是不同的，有不同的處理量。方案采用的壓力插值很快（壓力交錯(cuò)的選擇），這用于非常流行的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)特性預(yù)測。表1 75號水力旋流器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)原型尺寸旋流器直徑（mm）圓筒長度（mm）上溢口直徑（mm）錐管長度（mm）進(jìn)給入口直徑（mm）錐角（176。使用一種四階RungeKutta方案差分離散相配方得到微分方程組的數(shù)值解。網(wǎng)格獨(dú)立研究通過五種從750000到2000000范圍變化的不同網(wǎng)格密度與不同網(wǎng)格大小。在LES模型中，提供和RNG kε和RSM相同的網(wǎng)方案和操作條件。使用分別距離頂部60、120和175毫米的三個(gè)位置。圖8顯示三個(gè)模型的預(yù)測空心的形狀。在旋流器頂部的更大區(qū)域，芯管分離渦管向上和向下的漩渦，有許多相互作用妨礙渦流，也就是說，流場不復(fù)雜，因此，預(yù)測結(jié)果在這些區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合。在距離頂部175毫米的平面，LES和RSM模型的預(yù)測都不盡人意。壓降定義為進(jìn)、出口壓力差。記下出口液流中的每個(gè)粒子，旋流器的分離特性就決定了。這些計(jì)算是獨(dú)立于速度場的計(jì)算。由于粒子在進(jìn)口表面的不同位置，尺寸相同的粒子有不同的特征以及不同的輸出。采用隨機(jī)模型模擬湍流，消除了隨機(jī)狀況，得到完全收斂的結(jié)果。這種方法是最常用的評估水力旋流器的效率的辦法，本文中用它來與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較粒度分級。圖11曲線表明，LES和RSM計(jì)算能密切跟蹤尺寸分級曲線。第一，只有在錐體較低的小區(qū)域LES模型預(yù)測的流速剖面精度比RSM模型好，這些區(qū)域在分離過程可能不太有效。事實(shí)上，利用LES模型，連續(xù)相預(yù)測精度提高，而離散相分析流程不變。最后，在預(yù)測分離效率的情況下，伴隨著大的計(jì)算成本，關(guān)于LES模型的事實(shí)是其并不特別優(yōu)于RSM模型 ，所以，使用RSM模型來研究分離過程的有效參數(shù)是明智的。因?yàn)樵诟哌M(jìn)口流量、旋轉(zhuǎn)速度會(huì)極大提高，低壓力的核心將發(fā)展并將會(huì)有一個(gè)大于或等于下溢出口表面的橫斷面，而且只有空氣回流會(huì)被從下旋流轉(zhuǎn)到旋流器而液體流將達(dá)到零值。對于以上的討論，可以認(rèn)為優(yōu)化水力旋流器的性能， 可以找到一個(gè)最優(yōu)流量，它的粒子分離效率在一個(gè)廣泛的顆粒尺寸范圍達(dá)到它的更大值。結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10旋流器直徑（mm 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75圓柱長度（mm） 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75上溢口直徑（mm）25 25 25 25 25 25 25 22 25 28圓錐段長度（mm）50 50 50 5