CN116273509B - 一种低剪切动态起旋元件的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低剪切动态起旋元件的设计方法，所述低剪切动态起旋元件包括：转毂以及沿所述转毂周向均匀分布的若干叶片，所述叶片包括依次连接的进口段、中间段和出口段，所述中间段分别与所述进口段、所述出口段相切。该元件可以实现低剪切和低扰动的动态起旋，避免因流体切向速度迅速变化而导致的分散相液滴破碎。同时还可以根据待分离物料的特性有效控制旋流强度，有效提升离心或动态旋流分离设备的适用性和稳定运行区间。
Description
技术领域
本发明涉及一种低剪切动态起旋元件的设计方法，属于油水旋流分离技术领域。
背景技术
去除密度较小的轻质组分是污水处理工艺中重要环节之一，旋流分离工艺因具有操作简单、轻质相可以回收利用等优点，被广泛应用在石油、石化、造纸、食品、电力等工业污水处理中，尤其是石油石化领域的含油污水处理。根据起旋方式的不同，可将旋流分离设备分为静态水力旋流器和动态旋流分离器两大类。静态水力旋流器内流体形成旋流的能量来源于流体的压差，因此工艺上要求配套增压泵，且静态水力旋流单管处理量小、最优操作参数区间窄。更为重要的是，高压流体在经切向入口或轴向导流叶片快速形成旋流过程中，流体对壁面或叶片的冲击及流体内部的剪切作用会造成轻质分散相剪切破碎，增加后续相分离的难度。
动态旋流分离器利用电机直接驱动，无需经增压泵先增压再将势能转为动能，因此能效更高、鲁棒性好，且可以通过控制旋流强度来适应工况条件的变化。目前，动态旋流分离器的起旋元件有转鼓和旋转叶栅两类。采用转鼓作为起旋元件的动态旋流分离器原理样机有法国TOTAL CFP和NEYRTEC公司联合开发的动态旋流分离器、美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）开发的管状结构井下离心分离机（CDOWS）等，共同特点是轴向尺寸较大的转鼓不仅带动流体产生旋流，还充当分离腔室，因此分离过程中旋流强度不变。但是，采用转鼓式起旋元件的动态旋流分离器结构较为复杂，工程应用中维护难度大，且转鼓尺寸限制了单体设备的最大处理量。以旋转叶栅驱动流体产生旋转的动态旋流分离器，分离过程在静止的机筒中完成；相对转鼓结构的起旋元件而言，其尺寸更加紧凑，分离器的结构亦较为简单。美国Enviro Voraxial Technology（EVTN）公司研发的轴向涡流分离器、东北石油大学开发的复合型水力旋流器以及美国Baker Hughes公司提出的智能紧凑型分离器等动态旋流分离设备均采用旋转叶栅型起旋元件。轴向涡流分离器的叶栅为中空渐变螺旋形，分离器单管处理量大，最大处理量达1000m3/h以上。2019年，美国Schlumberger公司收购了EVTN公司的轴向涡流分离技术，改名为导叶型动态旋流分离器“Voraxial Impeller-Induced Cyclonics”，并应用于油田预分水领域。但是在动态起旋过程中，流体切向速度迅速增加，较大的流体速度变化率势相应产生的强剪切作用，会使进入分离器的轻质分散相液滴乳化，进而导致动态旋流分离器的分离效率降低。
综上分析可知，虽然鲁棒性好、单管处理量大的动态旋流分离器受到了广泛关注且前景看好，但动态起旋时，流体切向速度快速增加而产生的强剪切乳化问题一直没有得到解决。
发明内容
针对上述动态旋流分离器起旋过程中流体切向速度迅速增加而产生的剪切乳化问题，本发明提供一种低剪切动态起旋元件的设计方法，通过该方法设计的起旋元件可以实现低剪切和低扰动的动态起旋，避免因流体切向速度迅速变化而导致的分散相液滴破碎。同时还可以根据待分离物料的特性有效控制旋流强度，有效提升离心或动态旋流分离设备的适用性和稳定运行区间。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种低剪切动态起旋元件的设计方法，所述低剪切动态起旋元件包括：转毂以及沿所述转毂周向均匀分布的若干叶片，所述叶片包括依次连接的进口段、中间段和出口段，所述进口段、所述中间段以及所述出口段在所述转毂上的投影线为准线，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
采用三阶Bezier曲线对所述准线进行光滑连续设计，光顺之后的所述准线的方程为：
其中，A为（0，0）；B（h 1sinφ in，h 1cosφ in）、C（t，L-h 2）和D（t，L），A、B、C、D为三阶Bezier曲线的四个控制点的坐标；m为Bezier曲线的参变量，h 1和h 2分别为叶片进、出口段的长度，L为叶片的轴面长度，t为两叶片间栅距；为进口安放角。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述进口段、所述中间段以及所述出口段的线形在任意一个分流面中均为互切的弧形曲线或二次曲线，各曲线的曲率中心位于同一侧。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述进口段的曲线与转毂轴面之间的夹角为进口安放角，工作时流体相对所述进口段线速度方向与所述转毂轴面之间的夹角为来流入射角γ，通过协调所述进口安放角/>与所述来流入射角γ，以减小起旋剪切。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述进口段线速度的计算公式如下：
其中，为进口段的线速度，/>为轴向分量，/>为流体相对叶片的相对切向速度。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，当来流的轴向速度保持不变时，那么在所述叶片的入口截面处，流体相对所述叶片的相对轴向速度为：
其中，为流体轴面速度；/>为叶栅进口处的过流面积；/>为进口流量。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，假设流体质点在以旋转轴线为中心的圆柱面上流动，以所述叶片为参考系，在所述叶片进口任一圆柱流面上，流体相对所述叶片的相对切向速度为：
式中，R i为所取圆柱流面的半径；为角速度。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述进口安放角等于所述来流入射角γ。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述出口段的曲线与转毂轴面的夹角为出口安放角，通过调整所述出口安放角/>来调节旋流转速。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，以所述叶片为参考系，在出口截面上，流体相对所述叶片的速度为：
+/>
式中，为出口截面上流体相对叶栅的切向速度；/>为叶栅出口处的相对速度；/>为流体相对所述叶片（101）的速度。
所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，优选地，所述出口安放角的取值范围为不小于-10°、不大于10°。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过协调进口安放角与来流入射角γ，以减小起旋剪切，当低剪切动态起旋元件的进口安放角与来流入射角相同时，确保进口段流体相对动态起旋元件的法向速度为零，实现了流体无剪切流入动态起旋元件；流体进入低剪切动态起旋元件后，在中间段渐变曲线作用下，流体的切向速度逐渐增加，起旋过程扰动低；最终通过控制出口安放角的角度，实现流出起旋元件的流体产生所需的旋流强度或离心力场，至此实现低剪切的动态起旋过程。
2、本发明中低剪切动态起旋元件的设计方法采用三段式设计思路，即分为进口段、中间段和出口段。其中，进口段有进口安放角，出口段有出口安放角，中间段以二次曲线将进口段和出口段线光滑相切连接，三段曲线所组成的准线经过三阶Bezier曲线对其进行连续光顺处理。低剪切动态起旋元件以尽量少的设计参数生成几何结构合理、叶型流线连续光顺的低剪切动态起旋元件。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的低剪切动态起旋元件的立体图；
图2为本发明该实施例提供的起旋元件的准线示意图；
图3为本发明该实施例提供的三阶Bezier曲线控制点的坐标示意图；
图4为本发明该实施例提供的起旋元件某一分流截面上的叶片展开图，其中a为起旋元件展开后第一个位置上的叶片展开截面，b为起旋元件展开后第二个位置上的叶片展开截面；
图中各标记如下：
100-低剪切动态起旋元件；101-叶片；102-转毂；103-旋转方向；104-转毂轴面；105-来流方向；106-进口段；107-中间段；108-出口段；109-准线；-进口安放角；/>-出口安放角；γ-来流入射角。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明针对现有的动态旋流分离器起旋过程中流体切向速度迅速增加而产生的剪切乳化问题，而提出一种低剪切动态起旋元件的设计方法，该元件的设计采用三段式设计思路，即分为进口段、中间段和出口段。其中，进口段有进口安放角，出口段有出口安放角，中间段以二次曲线将进口段和出口段线光滑相切连接，三段曲线所组成的准线经过三阶Bezier曲线对其进行连续光顺处理。低剪切动态起旋元件以尽量少的设计参数生成几何结构合理、叶型流线连续光顺的低剪切动态起旋元件。
如图1所示，本发明所涉及的低剪切动态起旋元件100包括：转毂102以及沿转毂102周向均匀分布的若干叶片101，叶片101包括依次连接的进口段106、中间段107和出口段108，中间段107分别与进口段106、出口段108相切。
进口段106线速度的计算公式如下：
其中，为进口段的线速度，/>为轴向分量，/>为流体相对叶片101的相对切向速度。
当来流的轴向速度保持不变时，那么在叶片101的入口截面处，流体相对叶片101的相对轴向速度为：
其中，为流体轴面速度；/>为叶栅进口处的过流面积；/>为进口流量。
假设流体质点在以旋转轴线为中心的圆柱面上流动，以叶片101为参考系，在叶片101进口任一圆柱流面上，流体相对叶片101的相对切向速度为：
式中，R i为所取圆柱流面的半径；为角速度。
如图4所示，来流入射角γ为低剪切动态起旋元件100工作时，来流轴面速度与流体相对叶片101的进口段106线速度之间的夹角。
进口安放角为叶片101的进口段106的曲线与转毂轴面104之间所形成的夹角。进口安放角/>根据与来流入射角γ的关系确定。进口安放角/>与叶片101的进口段106相连。
通过协调进口安放角与来流入射角γ，以减小起旋剪切。当入口安放角/>不等于γ时，在以叶片101为参考系的相对运动中，流体将直接冲击到叶片101的边壁，因此在入口处流体会受到强烈的剪切作用；当γ=/>时，相对速度/>的矢量方向与叶片101平行，轴向方向上由切向速度的变化导致的剪切作用亦可以消除，从而实现低剪切动态起旋。根据速度矢量关系可以得到入口安放角/>，即安放角/>，/>为流体轴面速度，/>为流体相对叶片101的相对切向速度，这样流体相对叶片101的切向速度必然为“0”，避免了因叶片101和流体间较大的切向速度差而产生强剪切。当然，进口安放角/>不限于等于来流入射角γ，凡是采用进口安放角/>与来流入射角γ相协调的举措以减小起旋剪切的方法均属本发明保护范围。
出口安放角为叶片101出口段108的曲线与转毂轴面104所形成的夹角。出口安放角/>根据低剪切动态起旋元件100的转速与待分离物料所需的旋流强度确定。出口安放角/>与叶片101的出口段108相连。通过调整出口安放角/>来调节旋流转速。
以叶片101为参考系，在出口截面上，流体相对叶片101的速度为：
+/>
式中，为出口截面上流体相对叶栅的切向速度；/>为叶栅出口处的相对速度；/>为流体相对所述叶片101的速度。
忽略叶片101的厚度，假设叶片101的数量无穷多个，当叶片101的出口安放角为0°时，流出叶片101流体的切向速度与叶片101相同，那么：
=0。
在本发明的一些具体实施例中，出口安放角设置为0°，也可以根据所需旋流强度适当增加或减少，当出口安放角/>大于0°时，流出叶片流体的转速低于叶片转速，但是有利于减少分离过程中的压力损失，一般不大于10°；当出口安放角/>小于0°时，流出叶片流体的转速高于叶片转速，但是会造成压力损失，一般不小于-10°。当然，出口安放角/>不限于±10°，通过改变出口安放角/>调整旋流转速的方法均属本发明保护范围。
如图2、3所示，进口段106、中间段107以及出口段108的线形在任意一个分流面中均为互切的弧形曲线或二次曲线，各曲线的曲率中心位于同一侧。一些具体实施例中，中间段107为光滑连续的二次曲线，流体进入叶片101的中间段107后，其切向速度随中间段107叶片曲率的变化而以二次曲线的方式逐渐增加，流体切向速度的逐渐增加，大幅度降低了叶片101推动流体旋转产生的扰动。
进口段106、中间段107以及出口段108在转毂102上的投影线为准线109，采用三阶Bezier曲线对准线109进行光滑连续设计，光顺之后的准线109的方程为：
其中，A为（0，0）；B（h 1sinφ in，h 1cosφ in）、C（t，L-h 2）和D（t，L），A、B、C、D为三阶Bezier曲线的四个控制点的坐标；m为Bezier曲线的参变量，h 1和h 2分别为叶片进、出口段的长度，L为叶片的轴面长度，t为两叶片间栅距；为进口安放角。通过调整h 1和h 2的长度即可实现调整中间段107的曲率。由此可以用尽可能少的参数快速设计出连续光顺之后的准线109。
本发明所涉及的低剪切动态起旋元件100在工作时，流入低剪切动态起旋元件100的流体和叶片101一起沿旋转方向103以一定转速转动。进口段106处的进口安放角和来流入射角γ相等，可以使进口段106处的流体相对低剪切动态起旋元件100的法相速度为0，确保了流体无剪切的进入低剪切动态起旋元件100。
中间段107的曲率与流体速度变化率相贴合，不仅控制了进入叶片区流体的旋转速度，而且在最大程度上减小旋流形成过程中分散相颗粒受到的冲击，避免了动态起旋过程对流体的扰动。
流体沿出口安放角从出口段108处流出低剪切动态起旋元件100后，形成旋转流场或离心力场，至此完整实现低剪切动态起旋的过程。
本发明所涉及的低剪切动态起旋元件100包括进口段106、中间段107和出口段108三部分。其中进口段106处的进口安放角与来流入射角γ相等，因此进口段106流体相对低剪切动态起旋元件100的法向速度为零，确保流体无剪切顺畅进入起旋叶片101之间的流道区域；中间段107为二次曲线，通过叶片切线与转毂轴面104夹角的缓慢变化，控制进入叶片区流体的旋转速度，进而形成所需的离心强度；出口段108处的出口安放角/>根据低剪切动态起旋元件100的转速与所需旋流强度确定，当元件转速固定不变时，通过调整该夹角可以得到不同的旋流强度。整个起旋元件的准线109采用三阶Bezier曲线进行光滑设计，中间段107的曲率与流体速度变化率更加贴合，减小了旋流形成过程中分散相颗粒受到的冲击。该低剪切动态起旋元件100实现了离心分离设备的低剪切和低扰动起旋，防止动态起旋过程中分散相液滴的剪切破碎，大大增强了离心或旋流分离设备的分离性能，同时还可以根据待分离物料的特性有效控制旋流强度，提高了离心或旋流分离设备的适用性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种低剪切动态起旋元件的设计方法，所述低剪切动态起旋元件（100）包括：转毂（102）以及沿所述转毂（102）周向均匀分布的若干叶片（101），所述叶片（101）包括依次连接的进口段（106）、中间段（107）和出口段（108），所述进口段（106）、所述中间段（107）以及所述出口段（108）在所述转毂（102）上的投影线为准线（109），其特征在于，所述进口段（106）的曲线与转毂轴面（104）之间的夹角为进口安放角，工作时流体相对所述进口段（106）线速度方向与所述转毂轴面（104）之间的夹角为来流入射角γ，通过协调所述进口安放角与所述来流入射角γ，以减小起旋剪切；
所述设计方法包括如下步骤：
采用三阶Bezier曲线对所述准线（109）进行光滑连续设计，光顺之后的所述准线（109）的方程为：
其中，A为（0，0）；B（h 1sinφ in，h 1cosφ in）、C（t，L-h 2）和D（t，L），A、B、C、D为三阶Bezier曲线的四个控制点的坐标；m为Bezier曲线的参变量，h 1和h 2分别为叶片进、出口段的长度，L为叶片的轴面长度，t为两叶片间栅距；为进口安放角。
2.根据权利要求1所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，所述进口段（106）、所述中间段（107）以及所述出口段（108）的线形在任意一个分流面中均为互切的弧形曲线或二次曲线，各曲线的曲率中心位于同一侧。
3.根据权利要求2所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，所述进口段（106）线速度的计算公式如下：
其中，为进口段的线速度，/>为轴向分量，/>为流体相对叶片（101）的相对切向速度。
4.根据权利要求3所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，当来流的轴向速度保持不变时，那么在所述叶片（101）的入口截面处，流体相对所述叶片（101）的相对轴向速度为：
其中，为流体轴面速度；/>为叶栅进口处的过流面积；/>为进口流量。
5.根据权利要求3所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，假设流体质点在以旋转轴线为中心的圆柱面上流动，以所述叶片（101）为参考系，在所述叶片（101）进口任一圆柱流面上，流体相对所述叶片（101）的相对切向速度为：
式中，R i为所取圆柱流面的半径；为角速度。
6.根据权利要求2所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，所述进口安放角等于所述来流入射角γ。
7.根据权利要求1所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，所述出口段（108）的曲线与转毂轴面（104）的夹角为出口安放角，通过调整所述出口安放角/>来调节旋流转速。
8.根据权利要求7所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，以所述叶片（101）为参考系，在出口截面上，流体相对所述叶片（101）的速度为：
+/>
式中，为出口截面上流体相对叶栅的切向速度；/>为叶栅出口处的相对速度；/>为流体相对所述叶片（101）的速度。
9.根据权利要求7所述的低剪切动态起旋元件的设计方法，其特征在于，所述出口安放角的取值范围为不小于-10°、不大于10°。
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