Structure optimization of trough liquid distributor in the sloshing condition
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摘要: 二级孔槽式液体分布器具有分布质量高、操作弹性大等特点, 但对水平度的要求极高, 为提高其在海上晃动工况下的适应性, 需要对传统结构进行优化。基于各种晃动形式对孔槽式液体分布器的液体分布性能影响的相关研究, 采用Fluent模拟软件对受晃动影响更为严重的二级槽进行流体力学数值模拟, 找出晃动条件下二级槽的液体分布质量下降的原因, 提出相应的结构优化措施并模拟验证。结果表明: 增大二级槽入口两侧孔口的直径和增加竖直隔板, 可以有效提高孔槽式液体分布器在静止和晃动条件下的液体分布质量; 增加缓冲挡板, 可以提高静止条件下的液体分布质量, 但会进一步恶化晃动条件下二级槽的流量均布。优化后的孔槽式液体分布器能够更好地适用于海上晃动平台或浮式生产储油卸油装置的生产需求。Abstract: The two-trough liquid distributor is advantageous with high-quality distribution performance and big operational flexibility, but its requirement on levelness is extremely strict. In order to increase the adaptability of trough liquid distributor to offshore sloshing conditions, therefore, its traditional structures shall be optimized. In this paper, the studies on the effects of various sloshing forms on the liquid distribution performance of trough liquid distributor were reviewed. Then, Fluent software was adopted to carry out fluid dynamics numerical simulation on the secondary trough which is more affected by the sloshing. Accordingly, the reasons for the liquid distribution quality deterioration of secondary trough in the sloshing condition were figured out, and the corresponding structure optimization measures were proposed and verified by means of simulation method. It is indicated that the liquid distribution quality of trough liquid distributor in the conditions of stillness and sloshing can be improved effectively by increasing the diameter of the orifices on both sides of the inlet of secondary trough or adding vertical baffles. If buffer baffles are added, the liquid distribution quality in the stillness condition can be improved, but the flow uniformity of secondary trough in the sloshing condition will be deteriorated further. The optimized trough liquid distributor is better adaptive to offshore sloshing platforms or floating production, storage and offloading devices.
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Keywords:
- trough liquid distributor /
- sloshing /
- Fluent /
- numerical simulation /
- structure optimization
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海上晃动工况对吸收塔及其内件性能提出更高的要求[1]。液体分布器作为最重要的塔内件之一, 其分布性能直接影响预处理过程中气液的传质交换作用[2-4]。优良的液体分布器能够形成高质量的液体初始分布, 更加有利于填料性能的发挥, 使整个塔器内的气液传质过程更加充分[5-11]。二级孔槽式液体分布器具有分布均匀、操作稳定等优点, 被广泛应用于陆上工厂[12-15]。但传统的孔槽式液体分布器在安装时对水平度十分敏感, 要求孔槽两端避免形成过大的液面落差[16-17]。
海上晃动形式包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡6个自由度[13]。唐建峰等[18]研究了晃动对排管式液体分布器均布效果的影响, 认为横摇、纵摇对其孔口流量分布影响较大; 少数研究者[19-20]利用模拟与实验相结合的方法对晃动条件下孔槽式液体分布器的性能展开研究, 发现纵摇影响一级槽的流量均布, 横摇影响二级槽的流量均布, 且横摇对分布器整体的影响程度大于纵摇的影响程度。基于此, 针对二级槽在横摇条件下的分布效果进行模拟, 提出结构优化措施, 模拟验证其优化效果和适用程度, 为制造适用于海上晃动工况的大型孔槽式液体分布器提供参考。
1. 模型建立
1.1 物理模型
建立直径1.2 m孔槽式液体分布器模型(图 1), 进料经过一级槽的初步分离, 按各二级槽需求的流量流到二级槽内, 最后从二级槽的出流孔流出, 完成最终的液体分布工作。为确保液面稳定, 一级槽横截面积与6个二级槽横截面积之和基本相等, 且由一级槽流入二级槽孔的面积与对应二级槽流出孔面积之和相等。
1.2 边界条件及参数设置
利用Fluent软件, 对二级槽采用压力求解器进行瞬态模拟, 湍流模型选取标准的k-ε模型, 近壁处采用标准的壁面函数, 多相流模型选用捕捉气液界面效果较好的VOF模型。设置进口为速度进口, 给定进口速度; 所有出口设为压力出口, 表压为0。通过导入UDF实现二级槽从平衡位置开始做余弦运动, 压力速度耦合采用Simple算法, 初始时刻设置槽内液面为稳定工作时的液面高度[21-23]。
1.3 性能评价指标
为衡量液体是否分布均匀, 选取分布不均匀系数Mf作为评价指标, Mf越大, 液体分布质量越高。Mf的计算公式为:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2018/9/href="yqcy-37-9-1048-E1.png")
(1) 式中: N为计算所需的孔槽式液体分布器出口总个数, 此处取12;Qoi为i孔口的出口实验流量, kg/s; Qo为各孔口的平均出口流量, kg/s。
1.4 模型准确性验证
1.4.1 网格独立性验证
为平衡计算成本与计算精度之间的关系, 需要对网格进行独立性验证[24]。以孔槽式液体分布器的出口流量不均匀度为指标, 分别对网格数为80 000~1 000 000之间的数值模型进行检验(图 2)。结果表明: 随着液体分布器计算模型网格数的递增, 各出口流量的不均匀度逐渐趋于稳定, 可见计算结果不随网格数的变化而改变。同时, 随着网格数增加, 数值计算过程中所占计算机资源增加, 计算成本增大。因此, 综合考虑计算成本, 模拟孔槽式液体分布器宜采用网格数为800 000的模型。
1.4.2 准确性验证
为了验证上述模型的准确性, 开展了孔槽式液体分布器实验研究[25-26]。实验装置(图 3)主体包括孔槽式液体分布器、晃动平台、泵、收集与计量装置、流量计、截止阀、水槽等。实验流程如下: 将水槽注满水, 开启泵使液体在整个系统内循环, 通过回流管路阀门和流量计下方的阀门调节流量, 采用流量计测量实验流量, 采用液体收集与计量装置计量二级槽出口流量。
实验介质为水, 实验所得流量是累积流量, 模拟所得流量为瞬时流量。以晃动周期10 s为例, 实验取的是前2.5 s的累积流量; 模拟取初始时刻(0 s)、1/8周期(1.25 s)、1/4周期(2.5 s)的瞬时流量。为了将模拟值与实验值进行对比, 将模拟值作如下处理: ①将0 s与1.25 s、1.25 s与2.5 s的流量平均值分别作为0~1.25 s、1.25~2.5 s时间段的流量平均值; ②利用所得各时间段的流量平均值计算前2.5 s的累积流量。
孔槽式液体分布器的一级槽与二级槽结构一致, 但二级槽受晃动影响更为严重, 因此取最长二级槽进行研究。考虑到二级槽下方存在两排流动状态相似的孔口, 为了方便研究, 对二级槽各孔口进行编号(图 4)。
取进液量30 m3/h、周期10 s、横摇5°工况下孔槽式液体分布器二级槽各孔口的实验值与模拟值进行对比(表 1，
表 1 孔槽式液体分布器二级槽各孔口模拟流量值与实验流量值对比
2. 优化方法
将受横摇晃动影响更为剧烈的孔槽式液体分布器的最长二级槽作为优化对象, 依据分布不均匀系数Mf, 检测二级槽改造前后的分布质量变化。
2.1 增大孔口直径
传统的孔槽式液体分布器在设计时对所有的孔口采用相同的孔径, 但由于其上加载的液体横向速度较大, 位于二级槽入口两侧的孔口流量较其他位置偏小, 为了提高入口两侧孔口流量, 可增大孔径。其优化原则为: 假设各孔口平均穿孔流速不变, 利用各孔口流量与平均流量的差别、孔口流量与孔径的关系来确定增大后的孔口直径, 计算公式为:
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2018/9/href="yqcy-37-9-1048-E2.png")
(2) 式中: do、d′分别为增大前、后的孔径, mm; Q′为各孔口的平均流量, kg/s; Qo为增大前孔口的流量, kg/s。
在优化前, 二级槽上孔口直径均为11 mm, 其中二级槽入口两侧的5#、8#孔口流量降低程度最为严重, 孔口流量为0.1 kg/s, 所有孔口平均流量为0.128 kg/s。根据式(2), 可以得出5#、8#孔口增大后的直径为12.4 mm。对增大孔径后的二级槽进行数值模拟, 分别得到静止和横摇5°工况下二级槽各孔口流量(图 5)。可见, 在静止工况下, 增大孔径后的二级槽上5#、8#孔口流量增加, 6#、7#孔口流量下降, 使得入口附近的孔口流量更加平稳, 2#、11#孔口流量下降幅度较大; 在横摇5°工况下, 增大孔径后的二级槽各出口流量波动较优化前的流量波动小。
对孔径增大前后的分布不均匀系数Mf(表 2)进行计算: 在静止和横摇5°工况下, 增大孔径的二级槽均比未增大孔径的二级槽分布性能好。其中, 横摇工况下分布性能提升效果十分明显, Mf降低幅度为28.75%。因此, 增大二级槽入口两侧的孔径可以有效提高分布器的分布质量。
表 2 增大孔径前后二级槽上各孔口流量分布不均匀系数对比
2.2 增加缓冲挡板
根据图 4, 二级槽入口下方遭受进液冲击作用区域的液面波动较为明显。为减缓进料的冲击作用, 在二级槽中间区域设置缓冲挡板(图 6), 缓冲板距离槽底L1=60 mm处。正常工作时缓冲挡板位于液面以下, 其作用是减小二级槽进液的冲击效果且不造成液体飞溅, 使得槽内液面波动减轻, 从而提高二级槽整体分布均匀程度。
对添加缓冲挡板的二级槽开展进液量为40 m3/h的静止和横摇5°工况的数值模拟, 与优化前的二级槽内液面进行对比(图 7、图 8)。在静止工况下, 增加缓冲挡板的二级槽对进液有明显缓冲作用, 入口下方的5#~8#孔口液面更加稳定, 但挡板上液体有轻微溅起现象, 形成碎浪; 在横摇5°工况下, 增加缓冲挡板的二级槽的入口下方液面更高, 且液体破碎情况由于晃动的加入有所缓解, 但由于加入缓冲挡板, 在晃动过程中, 挡板对进液有导向作用, 使得二级槽最低端堆积了更多液体, 最高端的液面更低, 加剧了整个槽内的液面高度差异, 增大了其不均匀程度。
根据优化前后二级槽各孔口流量变化曲线(图 9)可见: 在静止工况下, 增加了缓冲挡板的二级槽在位于入口下方的孔口流量明显增大, 但缓冲挡板两侧由于液体横向流速较快, 该区域的孔口流量减小; 在横摇5°工况下, 增加缓冲挡板的二级槽内高低端的各孔口流量差异增大, 这是由于缓冲隔板在晃动过程中对进液有导向作用, 从而增加了槽内的液面高度差异。
计算增加缓冲挡板前后的Mf(表 3)可见: 在静止工况下, 增加缓冲挡板有利于提高二级槽出口流量的均匀程度, Mf降低幅度高达24.41%;但在横摇5°工况下, 增加缓冲挡板明显降低了二级槽各孔口流量的均匀程度。因此, 孔槽式液体分布器在水平度较高的工况下运行时, 增加缓冲挡板有利于提高二级槽的分布质量; 在海上晃动工况下工作时, 增加缓冲挡板会降低二级槽的分布质量。
表 3 增加缓冲挡板前后各孔口流量分布不均匀系数对比
2.3 添加阻晃隔板
孔槽式液体分布器带有自由液面容器的防晃设计, 通过改变容器的外部形状或内部结构来实现, 即通过设计合理的存液外形来改变晃动参数, 或利用增加阻尼装置(防晃装置)来提高晃动阻尼[24]。在实际工程中, 通常在某些容器内部添加防晃挡板来减小液体晃动, 如在航天器推进剂储箱中设计防晃挡板, 常用的防晃挡板有对称圆环形挡板、非对称半圆形挡板以及对称纵向条形挡板等。下面对孔槽式液体分布器的二级槽增加不同形式的阻晃隔板, 分析不同隔板形式对二级槽的阻晃效果。
阻晃隔板的形式有水平、竖直两种, 现对二级槽结构进行优化, 分别增加水平阻晃隔板(图 10)和竖直阻晃隔板(图 11)。在二级槽晃动到最大幅度过程中, 液体向两侧堆积, 二级槽的1#、2#、11#、12#孔口上方液面波动最为剧烈, 因此将水平挡板安装在这4个孔口上方, 即位于二级槽最高液面上方L2=10 mm。将竖直挡板分别安装在2#与3#孔口之间、10#与11#孔口之间, 插入深度L3=170 mm, 竖直隔板中间的间距为L4=30 mm, 作为液体横向流动通道。
对增加阻晃隔板前后的二级槽进行进液量为40 m3/h的横摇5°工况的数值模拟, 得出二级槽在最大晃动角度处的液面分布情况(图 12)。与未优化的结构相比, 增加水平阻晃隔板的二级槽晃动到最大角度时, 其最低端的液面被隔板阻挡, 液面波动情况明显好转, 但液面在4#、5#孔附近出现较大不连续性; 增加竖直隔板的二级槽内由于横向流通面积减小, 槽内液体向最低端的堆积速度减慢, 形成的漩涡减小, 从而缓解了液面波动情况。
根据优化前后二级槽各孔口流量曲线(图 13), 并结合图 12液面波动情况可见: 增加水平隔板的二级槽液面波动情况得到明显好转, 但在较低端的孔口流量变化剧烈, 1#~3#孔口上方液体的增高趋势被水平隔板抑制, 从而在这部分孔口上方形成额外的液体压头, 造成1#~3#孔口流量增大, 且增加隔板后减小了液体流动的空间, 液体流动更加剧烈, 使得4#、5#孔口上方液体断裂, 造成该区域孔口流量减小; 增加竖直隔板的二级槽, 虽然液面波动的减缓程度不及增加水平隔板的情况, 但增加隔板后未带来额外液体压头, 整体流量的波动情况有所减缓。
计算得到增加水平、竖直阻晃隔板后的Mf分别为0.205、0.121, 将其与未优化前的Mf(0.154)进行对比可见: 增加水平隔板的二级槽由于额外压头和减小了液体流动空间, 因此整体分布质量下降, 而增加竖直隔板的二级槽分布质量有所提高。因此, 对于在封闭型液仓阻晃中适用的水平隔板, 不适用于带有进出液口的长形窄槽的阻晃优化, 而增加竖直隔板的二级槽结构起到一定的阻晃效果。
3. 结论
对于直径1.2 m的孔槽式液体分布器, 为提高其液体分布质量, 采用3种优化方法。
(1) 增大二级槽入口两侧孔口的孔径可以有效减小入口附近孔口流量的波动程度, 提高二级槽在静止和横摇时的分布质量。
(2) 增加缓冲挡板, 在静止工况下, 可以减小二级槽的液面波动, 使入口附近孔口的流量提升, 整体流量的均匀程度提高; 在横摇工况下, 会对进液有导向作用, 加剧液面的高低差异, 增大各孔口流量的不均匀程度。
(3) 在二级槽增加竖直隔板的阻晃效果比增加水平隔板的阻晃效果好。
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