28、流体分离与气泡行为的数值模拟研究

流体分离与气泡行为的数值模拟研究

在工业和科研领域，流体分离以及气泡的行为研究具有重要意义。本文将围绕标准水力旋流器的分离性能以及气 - 液系统中气泡的自由上升和同轴合并过程展开探讨。

标准水力旋流器的模拟研究

标准水力旋流器常用于海上高浓度固体砂分离系统，通过数值模拟和实验室实验，分析了入口流量对空气核、压力、轴向速度和分离效率的影响。

空气核分布

利用数值模拟方法从宏观角度理解空气核的形成过程。模拟结果显示，当时间(t = 0s)时，流体在压力作用下沿壁面进入水力旋流器。在(t = 0.75s)之前，由于旋流器内有空气，随着流体进入，原有空气被挤出，此时内部流场未完全形成，液相从底流出口排出，空气主要从溢流出口排出。(t = 0.75s)之后，旋流器内大部分空气被排出，流体的三维运动随旋转半径减小而加速，静压转化为动压。当半径减小到一定阈值，静水压力为零，形成负压区，外部空气会返回溢流和底流出口。当(t = 1.25s)时，形成相对稳定的轴向贯通空气核，表明水力旋流器中空气核形成所需时间为(1.25s)，且工况稳定。

以下是空气核形成过程的简单示意流程：

graph LR
    A[t = 0s，流体进入] --> B[t < 0.75s，空气被挤出]
    B --> C[t > 0.75s，空气大部分排出，压力转化]
    C --> D[t = 1.25s，形成稳定空气核]

压力分布

标准水力旋流器的压力降是由涡旋能量消耗、固体砂阻力和流体壁面摩擦