CN107132041A - 一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 - Google Patents
一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107132041A CN107132041A CN201710517376.3A CN201710517376A CN107132041A CN 107132041 A CN107132041 A CN 107132041A CN 201710517376 A CN201710517376 A CN 201710517376A CN 107132041 A CN107132041 A CN 107132041A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- msub
- msup
- separation
- liquid separator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M13/00—Testing of machine parts
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Cyclones (AREA)
Abstract
本发明公开了一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法，包括以下步骤：1)采用液滴动力学理论建立旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型；2)根据旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，其中，旋叶气液分离器模拟实验设计准则为：该方法确定出旋叶气液分离器模拟实验的设计准则。
Description
技术领域
本发明属于旋叶气液分离器实验设计技术领域，涉及一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法。
背景技术
旋叶气液分离器是一种轴向进气的离心式分离器，主要由中心柱和外壁上固定的螺旋叶片组成，用于除去来流气液混合物中的游离液相，在核能、化工、石油等工业领域应用广泛，其性能主要通过分离效率来评价。由于工业中许多旋叶气液分离器的流量等工作参数高，直接通过原型实验分析影响分离器性能的因素及其规律，需要极高的代价，因此需要进行旋叶气液分离器模拟实验，然而现有技术中没有确定旋叶气液分离器模拟实验设计准则的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法，该方法确定出旋叶气液分离器模拟实验设计准则。
为达到上述目的，本发明所述的旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法包括以下步骤：
1)采用液滴动力学理论建立旋叶气液分离器内液滴的临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型；
2)根据旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，其中，旋叶气液分离器模拟实验设计准则为：
其中，Reg为来流气相雷诺数，Reg＝ρgjgRo/μg，Np为无量纲密度，Np＝ρg/ρl，Ger用于表征起旋器的结构特性，Geh用于表征圆筒的结构特性，Ger＝Ri/Ro，Geh＝Hsep/Ro，Sw为旋流数，Sw表征螺旋叶片作用下流体旋流强度，Sw＝tanθ，(Ri+Ro)/2用于表征螺旋流体在圆筒内的特征半径，ρg为气相密度，ρl为液相密度，μg为气相动力粘度，jg为气相表观速度，Ri为起旋器中心柱半径，Ro为圆筒半径，Hsep为起旋器下游分离筒高度，θ为螺旋叶片与轴向的夹角。
旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型为：
dpc＝{B[1-(r/Ro)2/7]7}1/8
其中，dp为液滴粒径，dpc为液滴临界分离粒径，dpc(max)为液滴临界分离粒径最大值，为液滴粒径分离效率，η为液滴总分离效率，Fm(dp>dpc(max))为粒径大于dpc(max)的液滴占液滴总质量的百分比，fm(dp)为粒径为dp时液滴质量百分比概率密度函数，B为决定分离器工作特性的分离系数。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法在具体操作时，采用液滴动力学理论构建旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型，然后再构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，操作简单、方便，能够指导实际生产。
附图说明
图1(a)为旋叶气液分离器的结构示意图；
图1(b)为旋叶气液分离器的截面图；
图2为本发明推算得到的液滴粒径分布fN(dp)及对应的液滴质量百分比分布fm(dp)示意图；
图3为本发明计算得到的原型最大临界分离粒径dpc(max)及与模型结果的对比图；
图4为本发明计算得到的原型总分离效率η及与模型结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
当保证旋叶气液分离器分离系数B中的各个准则数相等，旋叶气液分离器入口液滴粒径分布规律相同，模型与原型分离效率相等，两者满足完全相似的模拟条件。实际中，将相似理论用于旋叶气液分离器模型实验研究时，受到旋叶气液分离器的结构参数、流动参数及工质物理性质的相互限制，各准则条件不能完全保证相似；开展原型模拟实验研究时，通常忽略影响较小的准则条件，只考虑起关键影响作用的准则条件，使模型与原型满足近似相似的条件，因此在近似相似条件下，模型与原型分离性能的差异决定于分离系数B的大小。
本发明所述的旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法包括以下步骤：
1)采用液滴动力学理论建立旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型；
2)根据旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，其中，旋叶气液分离器模拟实验设计准则为：
其中，Reg为来流气相雷诺数，Reg＝ρgjgRo/μg，Np为无量纲密度，Np＝ρg/ρl，Ger用于表征起旋器的结构特性，Geh用于表征圆筒的结构特性，Ger＝Ri/Ro，Geh＝Hsep/Ro，Sw为旋流数，Sw表征螺旋叶片作用下流体旋流强度，Sw＝tanθ，(Ri+Ro)/2用于表征螺旋流体在圆筒内的特征半径，ρg为气相密度，ρl为液相密度，μg为气相动力粘度，jg为气相表观速度，Ri为起旋器中心柱半径，Ro为圆筒半径，Hsep为起旋器下游分离筒高度，θ为螺旋叶片与轴向的夹角。
旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型为：
dpc＝{B[1-(r/Ro)2/7]7}1/8
其中，dp为液滴粒径，dpc为液滴临界分离粒径，dpc(max)为液滴临界分离粒径最大值，ηdp为液滴粒径分离效率，η为液滴总分离效率，Fm(dp>dpc(max))为粒径大于dpc(max)的液滴占液滴总质量的百分比，fm(dp)为粒径为dp时液滴质量百分比概率密度函数，B为决定分离器工作特性的分离系数。
为了检验本发明，我们对核电站蒸汽发生器中旋叶气液分离器的工作性能进行了分析，具体操作过程为：
一、根据模拟相似准则条件确定开展模型实验研究的结构参数及工况参数；
以核电站蒸汽发生器中旋叶汽水分离器为原型，模型实验按几何相似、工作压力相似，入口气相流速、液相相含率与原型相等的模拟条件开展，额定工况负荷下得到；
(jg)model＝5.43m/s
(βl)model＝0.094
二、根据步骤1)得到的液滴分离效率通用计算模型并结合模型实验的数据推算实验工况参数下液滴粒径的典型分布；
以粒径呈正态分布为例，额定工况负荷下模型分离效率为99.08％，则最大临界分离粒径dpc(max)和液滴粒径概率密度函数fN(dp)分别为：
三、将上述模拟实验工况参数下液滴粒径的典型分布作为初始条件代入实际旋叶气液分离器原型工况，计算实际旋叶气液分离器的分离效率；
计算原型最大临界分离粒径dpc(max)：
粒径大于51.4μm的液滴全部被分离，粒径小于51.4μm的液滴的粒径分离效率通过下式计算，计算结果见表1：
表1
如图2所示，已知液滴粒径概率密度函数fN(dp)，则对应的液滴质量百分比概率密度函数fm(dp)为：
相似条件下，原型与模型液滴粒径分布规律相同，将图2所示的液滴粒径分布信息作为原型工况粒径分布初始条件，代入原型参数，原型液滴总分离效率η通过下式计算：
其中，Fm(dp>51.4um)为粒径大于51.4μm的液滴占液滴总质量的百分比；Fm(dpi)为粒径为dpi时液滴质量占液滴总质量的百分比，为该粒径下液滴的分离效率，则为dpi粒径时的粒径分离效率。
四、对比实际旋叶气液分离器的液滴分离效率与模拟实验数据，得到实际旋叶气液分离器与模拟旋叶气液分离器的定量关系。
根据图3和图4可知，额定工况负荷下，模型最大临界分离粒径dpc(max)小于原型，总分离效率η大于原型约2.4％，模型分离性能优于原型。
Claims (2)
1.一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用液滴动力学理论建立旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型；
2)根据旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型构建基于分离系数B的旋叶气液分离器模拟实验设计准则，其中，旋叶气液分离器模拟实验设计准则为：
<mrow>
<mi>B</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
<mn>13.007</mn>
<mn>8</mn>
</msup>
<mo>&times;</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>Re</mi>
<mi>g</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>3</mn>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>N</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>5</mn>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>Ge</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>3</mn>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>Ge</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>5</mn>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>Ge</mi>
<mi>h</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>7</mn>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>S</mi>
<mi>w</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>10</mn>
</mrow>
</msup>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>8</mn>
</msup>
</mrow>
其中，Reg为来流气相雷诺数，Reg＝ρgjgRo/μg，Np为无量纲密度，Np＝ρg/ρl，Ger用于表征起旋器的结构特性，Geh用于表征圆筒的结构特性，Ger＝Ri/Ro，Geh＝Hsep/Ro，Sw为旋流数，Sw表征螺旋叶片作用下流体旋流强度，Sw＝tanθ，(Ri+Ro)/2用于表征螺旋流体在圆筒内的特征半径，ρg为气相密度，ρl为液相密度，μg为气相动力粘度，jg为气相表观速度，Ri为起旋器中心柱半径，Ro为圆筒半径，Hsep为起旋器下游分离筒高度，θ为螺旋叶片与轴向的夹角。
2.根据1所述的旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法，其特征在于，旋叶气液分离器内液滴临界分离粒径dpc、粒径分离效率及总分离效率η的通用计算模型为：
dpc＝{B[1-(r/Ro)2/7]7}1/8
<mrow>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msubsup>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
<mn>8</mn>
</msubsup>
<mo>/</mo>
<mi>B</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>/</mo>
<mn>7</mn>
</mrow>
</msup>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mn>7</mn>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>/</mo>
<msub>
<mi>R</mi>
<mi>o</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>></mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>c</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<msub>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>c</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msub>
</msubsup>
<msub>
<mi>&eta;</mi>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
</msub>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>m</mi>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>d</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，dp为液滴粒径，dpc为液滴临界分离粒径，dpc(max)为液滴临界分离粒径最大值，为液滴粒径分离效率，η为液滴总分离效率，Fm(dp>dpc(max))为粒径大于dpc(max)的液滴占液滴总质量的百分比，fm(dp)为粒径为dp时液滴质量百分比概率密度函数，B为决定分离器工作特性的分离系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710517376.3A CN107132041A (zh) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | 一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710517376.3A CN107132041A (zh) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | 一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107132041A true CN107132041A (zh) | 2017-09-05 |
Family
ID=59736586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710517376.3A Pending CN107132041A (zh) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | 一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107132041A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111272622A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-12 | 中国石油大学(北京) | 气溶胶质量浓度确定方法、装置及系统 |
-
2017
- 2017-06-29 CN CN201710517376.3A patent/CN107132041A/zh active Pending
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| LIU L等: "Scaling laws for gas-liquid flow in swirl vane separators", 《NUCLEAR ENGINEERING AND DESIGN》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111272622A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-06-12 | 中国石油大学(北京) | 气溶胶质量浓度确定方法、装置及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Brar et al. | The effect of the cyclone length on the performance of Stairmand high-efficiency cyclone | |
| Raoufi et al. | Numerical simulation and optimization of fluid flow in cyclone vortex finder | |
| Elsayed et al. | Analysis and optimisation of cyclone separators geometry using RANS and LES methodologies | |
| Liu et al. | Scaling laws for gas–liquid flow in swirl vane separators | |
| Houben et al. | CFD simulations of pressure drop and velocity field in a cyclone separator with central vortex stabilization rod | |
| Utikar et al. | Hydrodynamic simulation of cyclone separators | |
| Hasslberger et al. | Flow topologies in bubble-induced turbulence: A direct numerical simulation analysis | |
| Xu et al. | Numerical analysis of flow resistance reduction methods in cyclone separator | |
| Chen et al. | The use of axial cyclone separator in the separation of wax from natural gas: A theoretical approach | |
| Kumar et al. | Numerical investigations of the cone-shaped vortex finders on the performance of cyclone separators | |
| Li et al. | Multi-objective optimization of axial-flow-type gas-particle cyclone separator using response surface methodology and computational fluid dynamics | |
| Fan et al. | Numerical simulation on the performance of axial vane type gas-liquid separator with different guide vane structure | |
| Ma et al. | CFD simulation study on particle arrangements at the entrance to a swirling flow field for improving the separation efficiency of cyclones | |
| Masoumeh et al. | Performance evaluation of a new micro gas cyclone using simulation and experimental studies to capture indoor fine particles | |
| Chen et al. | Performance study of backflow type dynamic cyclone separator for coalbed methane | |
| CN107132041A (zh) | 一种旋叶气液分离器模拟实验设计准则的确定方法 | |
| Dehdarinejad et al. | Performance analysis of a gas cyclone with a dustbin inverted hybrid solid cone | |
| Montavon et al. | Mathematical modelling and experimental validation of flow in a cyclone | |
| Zhang et al. | Numerical study on a novel type of high gravity rotary gas-liquid separator | |
| Qiu et al. | Empirical and numerical advancements in gas-liquid separation technology: A review | |
| Ba et al. | Numerical simulation of the separating performance of hydrocyclones | |
| Valdez et al. | Experimental evaluation of a gas liquid axial cyclone separator | |
| Qaroot et al. | Discrete phase modeling of oil droplets in the gas compartment of a production separator | |
| Zhu et al. | Optimization and Assessment of the Comprehensive Performance of an Axial Separator by Response Surface Methodology | |
| Chandranegara et al. | CFD Turbulence Model of Tangential Cylindrical Cyclone for Droplets Removal from Gas Streams |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170905 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |