乳化器内部流场的数值模拟与分析

　　乳化液的稳定性是衡量乳化液性能的一个极其重要的指标,试验研究表明,不同的油水乳化装置所配乳化液的稳定性有很大的差异,结构不合理的油水乳化装置所配乳化液中的乳化油滴较大,静置时易层化析油.乳化液是液压支架的工作介质,液压支架液压系统的待机时间率是非常高的,稳定性差的乳化液难于起到应有的润滑作用,甚至恶化润滑效果,加剧了液压系统各元件的磨损.所以设计结构合理的油水乳化装置是非常必要的[1].

　　乳化器就是专门设计的一个油水乳化装置,本文对其内部流场进行三维数值模拟.其物理模型如图1所示[2, 3].

　　1　数学模型的选择

　　乳化器是用来配制乳化液的专用油水乳化装置,油相对于水相流场的作用勿容置疑.所以模拟中选择欧拉多相流模型,并为油水两相分别建立一组RenormalizationGroup (RNG)k-ε湍流方程求解运算.因为k-ε模型用于强漩流或流线弯曲程度大的流动时会出现一定失真,而RNGk-ε湍流模型是对k-ε模型进行修正后的模型,可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度大的流动.由于该模拟中不涉及热交换,故设所有流体及壁面温度皆为恒温300 K,即忽略能量方程*, [4, 5].

　　2　乳化器内部流场的数值模拟

　　2·1　乳化器计算模型的建立及网格划分

　　乳化器的物理模型如图1所示.在模拟中所关心的只是油水乳化的流场情况,而计算模型的建立以及网格的划分对计算结果的收敛速度快慢有很大的影响,为了提高计算机的运算精度和减少数据存储,在不影响两相流场的情况下,这里对乳化器的物理模型进行了适当的简化.对于乳化器,在内存允许的条件下使用了充分多的网格总数(318 234个),如图2所示[6~10].

　　2·2　物性参数和边界条件的设置

　　在乳化油-水两相流场的模拟中,连续相即基本相为液态水,其密度和黏度值各为998·2 km/m3和0·001 003 km/ (m·s).离散相为乳化油,其密度和黏度值各为850 kg/m3和0·143 65 km/ (m·s).操作压力为大气压(101 325 Pa),不计重力加速度.壁面条件为无滑动,绝热.因为主要关心油水的乳化过程,所以只以所配制的浓度为4%的浮化液为例进行模拟.其边界条件的设置:清水进口速度为0·5, 0·8 m/s;乳化油进口速度为0·2 m/s.

　　2·3　模拟结果及分析

　　2·3·1　运算策略

　　首先不考虑乳化油相,不加入油相分离方程,仅运算N-S方程与湍流方程,在稳态下迭代得到一个收敛的基本相———水相流场的结果,然后加入油相分离方程引入乳化油相,再转到非稳态,奔腾4处理器迭代约960次达到收敛,得到了最终的流场分布.收敛的标准是所有方程的残差小于1×10-3.