崔偉， 欽沛， 張引弟， 劉凱*

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司， 烏魯木齊 830011； 2長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，淡水資源已經(jīng)不能滿足人類、農(nóng)業(yè)和商業(yè)的需求。目前海水淡化技術(shù)被視為一種有效增加淡水資源總量的方法，其中反滲透海水淡化(reverse osmosis, RO)技術(shù)作為一種高效的海水淡化方法目前已經(jīng)被全世界廣泛采用[1-2]。然而RO技術(shù)最主要的缺點(diǎn)是在工作過(guò)程中需要消耗大量的能量，其電能消耗可達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本的40%。作為一種高效的能量回收設(shè)備，旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置(rotary energy recovery device, RERD)可以將RO系統(tǒng)中高壓濃鹽水的壓力能回收并傳遞給新鮮海水，從而降低RO系統(tǒng)的能量消耗和運(yùn)行成本。

旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置在壓力能回收過(guò)程中，由于新鮮海水和濃鹽水在孔道內(nèi)會(huì)直接接觸從而形成摻混現(xiàn)象，造成高壓出口側(cè)的新鮮海水濃度增加。目前孔道內(nèi)部的摻混現(xiàn)象主要通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)孔道內(nèi)摻混區(qū)的形成與旋渦的周期性脫落密切相關(guān)。方勇等[3]基于三維數(shù)值模擬研究了進(jìn)、出管管徑對(duì)摻混率的影響。Liu等[4]數(shù)值模擬研究了孔道內(nèi)摻混區(qū)的形成過(guò)程，觀測(cè)到在兩股流體的接觸面會(huì)形成液體活塞，并指出轉(zhuǎn)速和進(jìn)流速度會(huì)影響摻混區(qū)的形成過(guò)程。Yin等[5]研究了操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)因素對(duì)進(jìn)流長(zhǎng)度和摻混率的影響?；裟浇艿萚6]通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)研究了具有傾斜式孔道的旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置的內(nèi)部流場(chǎng)和回收效率。王越等[7]建立解析計(jì)算模型，對(duì)裝置內(nèi)部的泄漏規(guī)律進(jìn)行了研究。Liu等[8]提出了一種基于旋轉(zhuǎn)式配流盤結(jié)構(gòu)的壓力能回收裝置，通過(guò)PIV(particle image velocimetry)可視化實(shí)驗(yàn)方法觀測(cè)到孔道內(nèi)進(jìn)、出口區(qū)域的旋渦。

目前已有的研究中對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究較少，旋渦的形成和發(fā)展過(guò)程與摻混區(qū)之間的關(guān)系尚不明確。為此，在Liu等[8]的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，通過(guò)建立二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模型，對(duì)孔道內(nèi)部的流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和摻混特性進(jìn)行了研究，分析了操作參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，以揭示旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置孔道內(nèi)部流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布特性。

1 模型及參數(shù)

旋轉(zhuǎn)式配流盤結(jié)構(gòu)的壓力能回收裝置的工作原理如圖1所示，采用孔道固定不動(dòng)而配流盤旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)配流盤旋轉(zhuǎn)時(shí)孔道會(huì)經(jīng)歷高壓區(qū)、密封區(qū)和低壓區(qū)3個(gè)工作階段[9]，其壓力能回收過(guò)程與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置一致[8,10]。

圖2為旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備的二維模型示意圖。在此模型中，孔道數(shù)量N= 12，孔道分布圓直徑D= 70 mm，孔道直徑d= 15 mm，孔道長(zhǎng)度L= 150 mm，配流盤覆蓋孔道個(gè)數(shù)為5根，配流盤轉(zhuǎn)速為n= 500 r/min。高壓濃鹽水進(jìn)口和低壓海水進(jìn)口定義為速度入口，高壓濃鹽水入口流速為VH=5 m/s, 低壓海水入口流速VL= 5 m/s，升壓海水出口和泄壓濃鹽水出口定義為壓力出口，升壓海水出口壓力PH= 6 MPa，泄壓濃鹽水出口壓力PL= 0.2 MPa。高壓濃鹽水濃度CBin= 3.5 %，低壓海水濃度CSin= 1.8 %。二維數(shù)值計(jì)算基于以下假設(shè)：①流體在孔道中徑向速度為零，即vr= 0；②在旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備的壓力能回收過(guò)程中，忽略流體溫度的變化，即假設(shè)流體不可壓且黏度不變；③配流盤和轉(zhuǎn)子端面間、轉(zhuǎn)子和套筒間不存在間隙泄露，即壓力能回收過(guò)程中不存在壓力泄漏問(wèn)題。

圖1 旋轉(zhuǎn)式配流盤結(jié)構(gòu)的壓力能回收裝置Fig.1 Redesigned structure of rotary energy recovery device

①～為孔道編號(hào)圖2 旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備二維模型Fig.2 Two-dimension numerical model of RERD

采用CFD軟件FLUENT 14.5進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)(湍動(dòng)能-耗散率)(k-ε)模型，詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型和控制方程的介紹請(qǐng)參見文獻(xiàn)[11]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 設(shè)備內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

圖3為旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備在轉(zhuǎn)速n=500 r/min，VH=VL= 5 m/s時(shí)內(nèi)部濃度分布圖，海水和濃鹽水在孔道內(nèi)的接觸區(qū)域存在明顯的摻混現(xiàn)象，即液柱活塞[12]。隨著配流盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，液柱活塞在孔道內(nèi)隨著流體的流動(dòng)而上、下運(yùn)動(dòng)，濃度場(chǎng)的分布形式與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)型壓力能回收裝置的較為相似[13]。

圖4為內(nèi)部流場(chǎng)的渦量和流線圖，配流盤向左運(yùn)動(dòng)，又因?yàn)樵诖硕S數(shù)值模擬中模型具有周期性邊界條件，每根孔道會(huì)依次經(jīng)歷圖中各種位置，故將孔道按圖2編號(hào)順序，介紹孔道內(nèi)的旋渦的形成、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)和衰退的過(guò)程。

當(dāng)孔道處于①位置時(shí)(高壓區(qū))，孔道恰好完全進(jìn)入高壓流體進(jìn)口，此時(shí)流體從孔道的上端向下端流動(dòng)。在高壓進(jìn)口流體流動(dòng)和配流盤運(yùn)動(dòng)的共同作用下，孔道上端的流體出現(xiàn)順時(shí)針旋渦。隨著配流盤不斷向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)孔道處于⑤位置時(shí)，孔道上端的順時(shí)針旋渦的結(jié)構(gòu)尺寸沿著順流方向不斷發(fā)展，渦量不斷增大。這一現(xiàn)象與Liu等[8]通過(guò)PIV可視化實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的結(jié)果基本一致。

當(dāng)孔道處于⑥位置時(shí)，此時(shí)孔道處于密封區(qū)，孔道內(nèi)流體在慣性力的作用下保持運(yùn)來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向向下端流動(dòng)?？椎郎隙说捻槙r(shí)針旋渦的渦量因流體的黏性消耗而減小，但旋渦的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步擴(kuò)大。

當(dāng)孔道與低壓流體出口接觸時(shí)，即⑦孔道位置(低壓區(qū))，流體從孔道的下端向上端流動(dòng)。上端的順時(shí)針旋渦在流體推動(dòng)的作用下開始排出孔道，渦量開始減小且旋渦結(jié)構(gòu)尺寸縮小。隨著配流盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)孔道處于位置時(shí)，上端的順時(shí)針旋渦基本消失。

從上述的旋渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律中可以發(fā)現(xiàn)，旋渦是孔道內(nèi)流體流動(dòng)過(guò)程中形成的重要流體結(jié)構(gòu)，旋渦的形成和演化過(guò)程會(huì)對(duì)壓力能回收過(guò)程和質(zhì)量傳遞過(guò)程產(chǎn)生重要影響。為了揭示旋渦結(jié)構(gòu)與流體流動(dòng)和摻混過(guò)程的影響關(guān)系，考察了不同操作參數(shù)對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。

圖3 旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備內(nèi)部濃度分布Fig.3 Salinity distribution in RERD

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響

為了考察操作參數(shù)中配流盤轉(zhuǎn)速對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，在入口流速設(shè)定為VH=VL= 5 m/s條件下，轉(zhuǎn)速由500 r/min增加到2 000 r/min。

圖5為不同轉(zhuǎn)速下渦量分布。隨著轉(zhuǎn)速的變化，孔道兩端的旋渦結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。當(dāng)配流盤轉(zhuǎn)速為500 r/min和1 000 r/min時(shí)，孔道在靠近濃鹽水側(cè)區(qū)域[圖5(a)藍(lán)色線框]的渦量為負(fù)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速由500 r/min增加到1 000 r/min時(shí)，旋渦的方向仍然為順時(shí)針?lè)较?，但旋渦的結(jié)構(gòu)尺寸和渦量隨之減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到1 500 r/min和2 000 r/min時(shí)，孔道在靠近鹽水側(cè)區(qū)域的渦量由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，說(shuō)明旋渦的方向由順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針?lè)较?。隨著轉(zhuǎn)速增加到2 000 r/min，渦量變大、渦旋強(qiáng)度增加。由此可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，孔道內(nèi)的旋渦的運(yùn)動(dòng)方向和渦旋強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。

圖6為轉(zhuǎn)速與孔道中旋渦形成長(zhǎng)度的變化關(guān)系。旋渦形成長(zhǎng)度Ls的定義為：在渦量圖中，孔道在⑥位置時(shí)(密封區(qū))孔道內(nèi)靠近鹽水側(cè)旋渦的最大軸向結(jié)構(gòu)尺寸[14]。從圖 6可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速由500 r/min增加到1 000 r/min時(shí)，旋渦形成長(zhǎng)度不斷減?。划?dāng)轉(zhuǎn)速由1 000 r/min繼續(xù)增加到2 000 r/min時(shí)，旋渦形成長(zhǎng)度逐漸增大。旋渦形成長(zhǎng)度的變化規(guī)律結(jié)合圖5的渦量分布可以發(fā)現(xiàn)，在旋渦運(yùn)動(dòng)方向隨著轉(zhuǎn)速增加而出現(xiàn)反轉(zhuǎn)變化的同時(shí)，旋渦結(jié)構(gòu)尺寸也隨之出現(xiàn)先縮小后增大的變化過(guò)程。因此，在這四組轉(zhuǎn)速工況中，存在最佳的轉(zhuǎn)速即500 r/min，使得旋渦結(jié)構(gòu)尺寸最小。

圖7為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備出口摻混率的變化關(guān)系，其中摻混率M的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：CBin為高壓進(jìn)口濃鹽水濃度；CBout為低壓出口濃鹽水濃度；CSin低壓進(jìn)口濃鹽水濃度；CSout高壓出口濃鹽水濃度。

轉(zhuǎn)速由500 r/min增加到1 000 r/min時(shí)，摻混率降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到2 000 r/min時(shí)，摻混率出現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這一變化趨勢(shì)和圖 7中轉(zhuǎn)速與旋渦形成長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明旋渦形成長(zhǎng)度與摻混率存在緊密的聯(lián)系，即旋渦形成長(zhǎng)度越大，摻混率越大；旋渦形成長(zhǎng)度越小，摻混率越小。在最佳轉(zhuǎn)速工況下旋渦形成長(zhǎng)度最小，孔道內(nèi)質(zhì)量傳遞效率較差、摻混現(xiàn)象較弱。旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備應(yīng)在最佳的轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，從而獲得較低的摻混率、提高設(shè)備的壓力能回收效率[15]。

圖6 轉(zhuǎn)速與無(wú)量綱旋渦形成長(zhǎng)度的變化關(guān)系Fig.6 Relation between rotational speed and dimensionless vortex formation length

圖7 轉(zhuǎn)速與摻混率的變化關(guān)系Fig.7 Relation between n and M

2.3 進(jìn)流速度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響

圖8為轉(zhuǎn)速n=1 000 r/min時(shí)不同進(jìn)流速度下渦量分布。隨著流速的變化，孔道兩端的旋渦結(jié)構(gòu)發(fā)生改變：當(dāng)進(jìn)流速度為1 m/s和3 m/s時(shí)，孔道在靠近鹽水側(cè)區(qū)域的渦量為正值，此時(shí)旋渦以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦旋強(qiáng)度隨著進(jìn)流速度的增加而減小。當(dāng)進(jìn)流速度為5 m/s和7 m/s時(shí)，孔道在靠近鹽水側(cè)區(qū)域的渦量由正值變?yōu)樨?fù)值，旋渦轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，渦旋強(qiáng)度隨著進(jìn)流速度的增加而增加?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)流速度的增加，會(huì)導(dǎo)致孔道內(nèi)的旋渦的運(yùn)動(dòng)方向和渦旋強(qiáng)度發(fā)生改變。

圖9和圖10分別為進(jìn)流速度與孔道中旋渦形成長(zhǎng)度的變化關(guān)系和進(jìn)流速度與摻混率的變化關(guān)系。隨著進(jìn)流速度的增加，Ls縮短、摻混率減??；當(dāng)進(jìn)流速度由5 m/s增加到7 m/s時(shí)，Ls開始增長(zhǎng)、摻混率增加。結(jié)合圖8可以發(fā)現(xiàn)，旋渦運(yùn)動(dòng)方向隨著進(jìn)流速度增加而出現(xiàn)反轉(zhuǎn)變化的同時(shí)，旋渦結(jié)構(gòu)尺寸也隨之出現(xiàn)先縮小、后增大的變化過(guò)程。因此，在這四組進(jìn)流速度工況中，存在最佳的進(jìn)流速度即5 m/s，使得旋渦結(jié)構(gòu)尺寸和摻混率最小。這也進(jìn)一步說(shuō)明了旋渦形成長(zhǎng)度越大則摻混率越大，旋渦形成長(zhǎng)度越小則摻混率越小的相互關(guān)系。

圖8 不同進(jìn)流速度下渦量分布Fig.8 Vorticity contours at various inlet velocity

圖9 進(jìn)流速度與漩渦形成長(zhǎng)度的變化關(guān)系Fig.9 Relation between inlet velocity and vortex formation length

圖10 進(jìn)流速度與摻混率的變化關(guān)系Fig.10 Relation between inlet velocity and mixed ration

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)設(shè)備孔道內(nèi)部旋渦的形成和演化過(guò)程會(huì)對(duì)質(zhì)量傳遞過(guò)程產(chǎn)生重要影響。考察了不同配流盤轉(zhuǎn)速和進(jìn)流速度對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備在特定的進(jìn)流速度(配流盤轉(zhuǎn)速)下存在最佳的配流盤轉(zhuǎn)速(進(jìn)流速度)，使得設(shè)備孔道內(nèi)部的旋渦結(jié)構(gòu)尺寸最小。旋轉(zhuǎn)式能量回收設(shè)備應(yīng)在最佳的轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，從而獲得較低的摻混率，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備的壓力能回收效率的目的。