碟式離心機因其高轉速、高效率、大處理量等優點，在石油、化工、醫療和環保等領域被廣泛使用，其碟片間流場內沉降分離過程是影響碟式離心機分離性能的關鍵。碟式離心機碟片間的薄層多相流動主導著碟式離心機性能。

對于碟片間薄層流場的流動特性，國際上不少學者利用理論計算和試驗嘗試探究其流動規律。本文研究主要針對離心力場下薄層流場內的兩相沉降過程，以多相流理論為基礎，建立碟式離心機碟片間隙內流場及多組碟片間薄層流場的三維流動模型，并以CFD模擬，通過理論計算懸浮液內顆粒的受力情況及沉降速度，結合數值模擬分析多組碟片間薄層流場內兩相流動性；通過對比輕、重相的相對流動性，研究了離心力場下薄層流場內重相在連續相的沉降過程。研究結果對優化碟式離心機結構、提高離心機的性能、拓展離心機新的應用、實現技術突破，具有重要的意義。

1 離心力場下薄層流動模型及可行性驗證

1.1 碟式離心機轉鼓內薄層流動模型

碟片間薄層流場結合了超重力沉降和淺池原理，即懸浮液中的顆粒在離心場下作沉降運動，其生產能力正比于沉降面積。此流動過程的優勢是利用碟片將沉降池均分為若干薄層流動場，以此降低離心機內懸浮液的沉降高度，在一定的離心機高度下增加碟片數，從而增加沉降面積，進而加速懸浮液在離心場下的沉降過程，有效地提高了離心機的離心分離性能。

通過CFD模擬研究轉鼓內薄層流場，并做假設如下：

（1）轉鼓內充滿液體且流動穩定；

（2）液相為連續不可壓縮流體；

（3）固相為密度均勻等粒徑球形顆粒，且運動過程中不發生絮凝、破碎和變形；

（4）不考慮重力；

（5）不考慮沉渣擠壓作用帶來的熱影響。

使用ANSYS15.0前處理軟件ICEM建立5層碟片間兩相流動區域及轉鼓成渣腔的三維流動模型，進料口與定距筋條作網格局部加密處理，以提高結構化網格質量。

1.2 流動模型的邊界條件

根據OCM305標準碟式離心機分離處理5號噴氣燃料油（RP-5），相關標準依據國內航空使用的重煤油標準。碟式離心機轉鼓內的主要結構及重煤油的相關物理特性見下表：

研究碟式離心機碟片間兩相流動場，由于無需考慮渦黏性各項同性假設，湍流模型比雷諾應力模型更加精準。在碟片間兩相流動場中，物料受離心作用處于高速旋轉運動且其流場為強制渦。因此模擬中采用RSM湍流模型，其計算原理是質量守恒方程、動量守恒方程、應力運輸方程。碟片間兩相流動屬于多相流動，采用Eulerian模型能夠精準地研究碟片間兩相流動性及其分離性能。計算模型對兩相間的相互作用，計算模型中不僅包含了不同相間的相對運動，而且不同相間相對運動的速度大小不同，因此計算模型能夠比較全面地分析碟片間兩相流動過程。

1.3 數值模擬的可行性驗證

對碟式離心機的理論分析和模擬研究均是建立在一定的假設基礎上，與實際分離情況并不完全吻合，需要進行數值模擬的可靠性驗證，驗證試驗能夠充分考慮到理論、模擬中忽略到的相關影響因素，因此是研究中不可或缺的一部分。由于碟式離心機轉鼓內碟片間薄層流場的復雜流動性，一般儀器均無法對轉鼓內部流動進行準確的實時測量。

因此通過對含水煤油的試驗模擬，根據全自動微量水分測定儀測出進出口的水分含量，并計算出離心機的分離效率，計算結果對轉鼓轉速及進料量對分離效率的影響進行討論，根據試驗結果來驗證數值模擬方法的可靠性。

測試在相同進料量下，不同轉速的分離效率。由測試結果可知，碟式離心機的分離效率與轉速成正比，模擬與試驗的分離效率值有所偏差，且轉速越大偏差值越小。存在偏差的原因在于試驗物料含雜雜質，且不是單一粒徑，轉速較小時小粒徑的重相較難進行離心沉降分離，而隨著轉速增加，模擬與試驗的偏差值逐步減小，兩者的平均偏差為26.6%，在試驗誤差范圍內，證明了數值模擬具有較好的可靠性。

測試在同一轉速下，不同進料量的分離效率。由測試結果可知，碟式離心機的分離效率與流量成反比，碟式離心機的進料量越大，分離效率越低；模擬與試驗的分離效率值有所偏差，且進料量越大偏差值越大。物料的軸向進料速度對碟片間薄層流場的沉降有所干擾，進料量越大越不利于物料的離心沉降分離。存在偏差的原因在于試驗過程中流量計數值波動較大，數值模擬中主要取流量的平均值進行計算。當碟式離心機處理量較小時，其模擬與試驗的偏差值也較小，兩者的平均偏差為18.7%，在試驗誤差范圍內，進而表明了數值模擬的可靠性。

2 薄層流場內顆粒的沉降速度

2.1 薄層流場內顆粒的受力情況

通過建立離心機轉鼓內薄層流場中分散相顆粒的分離模型，進一步分析薄層流場內分散相顆粒在離心力場下沉降分離的運動情況。由于薄層流場內的分散相顆粒粒徑很小（一般在3～15μm），可忽略慣性力的影響；由于薄層流場內分散相的濃度很低（一般不大于10%），可忽略顆粒間的相互作用以及其布朗運動；由于薄層的流場的流速很大（一般在5000～12000r/min），且邊界層的厚度相對較小，相對于中層大流速可忽略其邊界層對離心機內薄層流動的影響。因此研究碟式離心機內薄層流場內分散相顆粒，主要考慮其受到的離心力、重力、浮力、離心浮力、流體阻力作用。

經測試，分散相顆粒的離心力和阻力與其在薄層流場內徑向位置有關。

2.2 離心沉降速度的理論分析

在離心力場下顆粒做沉降運動，分散相顆粒由中性進料孔進去碟片間薄層流場后做加速運動，在連續相中所受阻力隨速度不斷增大，直到阻力與離心力相等時即達到重力沉降的飽和穩態速度。

2.3 離心沉降速度的數值模擬

碟式離心機轉鼓內流動分布符合旋轉流場的一般規律。物料在碟式離心機轉鼓內的離心沉降過程是在多組碟片間薄層流場內進行的，物料由中性孔進入碟片間薄層流場，由于輕重相所受離心力與密度差的影響，大部分輕相從碟片內端出口流出，重相從碟片外端出口流出，從而完成了在碟片間薄層流場內的離心沉降分離過程。

物料進入中心孔后做加速沉降運動，中心孔內中心線上顆粒所受的離心浮力、離心力與阻力平衡，其沉降速度為零；由中性孔往大端，顆粒所受離心浮力與離心力不斷增大，在離心力場下的沉降速度沿碟片間薄層流場朝外；由中心孔往內端，顆粒所受阻力大于離心浮力與離心力之和，在離心力場下的沉降速度沿碟片間薄層流場朝內。研究結果表明，中心孔內多層碟片間的進料逐層增多，碟片間薄層流場內物料的相對沉降速度往內、外端逐漸增大。

碟式離心機內轉鼓作逆時針旋轉運動，物料由中性孔進入碟片間薄層流場后做離心加速運動直到相對穩定速度，其相對穩定速度小于碟片旋轉速度；沿碟片旋轉方向，定距筋條前側物料沿筋條側壁面往碟片內端流動，定距筋條后側物料具有較好的跟隨性，其相對速度基本為零；相鄰兩個定距筋條中間區域薄層流場內，流體受水平剪切力作用，物料的相對穩定速度大于碟片旋轉速度。研究結果表明，物料由中性孔進入薄層流場內，在定距筋條外側物料流動相對滯后，在相鄰兩個定距筋條中間區域的物料流動超前于碟片旋轉運動。

3 薄層流場內輕重相分布情況

碟式離心機中性孔內重相體積分布由 層往上逐步升高；中性孔內中心線往碟片內端的重相體積分布較小于中心線往碟片外端。研究結果表明，碟式離心機中性孔內重相體積分布不均，中性孔上端重相體積分布較大，輕重相分界面較為明顯且徑向位置在中性孔中心線附近。

碟片間薄層流場內輕重相形成較明顯的分界面，碟片間薄層流場內向下表面往上重相體積分布逐步升高，大部分輕相沉積在薄層流場的下表面，重相堆積在薄層流場的上表面；碟片間薄層流場內由碟片外端往碟片內端重相體積分布逐步升高，大部分輕相從碟片內端流出； 層碟片間薄層流場內重相體積分布較大。研究結果表明，各層碟片間薄層流場內重相體積分布不均，大量重相進入 層碟片間薄層流場進行離心沉降分離，碟片間薄層流場內形成明顯的輕重相分界面，重相堆積在碟片下表面。

沿碟片逆時針旋轉方向，中性孔前后側的重相體積分布較小，往碟片外端的重相體積分布較大；定距筋條后側重相體積分布較小，定距筋條前側的重相體積分布較大；相鄰兩個定距筋條中間區域的薄層流場內，重相體積分布沿逆時針方向逐步減小，且碟片內端重相體積分布較小。研究結果表明，碟片間薄層流場內重相體積分布不均且輕重相分界面較為明顯，重相堆積在定距筋條前側，中性孔前后側重相體積分布較小，大部分輕相從碟片內端流出。

4 水滴粒徑對分離性能的影響

由于物料中液滴的粒徑大小不同，對碟式離心機分離效率的影響較大。在液滴粒徑為10～30μm的范圍內，分離效率隨液滴粒徑的增加而顯著增加。在粒徑達到30μm以后，離心機的分離能力達到了極限，輕相出口的重相體積分布不再隨粒徑增加而明顯增加。

5 結論

（1）轉鼓內徑重相的離心力和阻力與其在薄層流場內的徑向位置有關，多層碟片間的進料量自下往上逐層增大，碟片間薄層流場內物料的相對沉降速度由中性孔向端口逐步增大。

（2）靠近碟片外端口物料流動具有相對滯后性，定距筋條間區域的物料流動超前于碟片旋轉運動。

（3）碟式離心機中性孔內重相體積分布不均，中性孔內上端重相體積分布較大，輕重相分界面較為明顯且徑向位置在中性孔中心線附近。

（4）碟片間薄層流場內重相體積分布不均且輕重相分界面較為明顯，重相堆積在定距筋條前側，大部分輕相從碟片內端流出。

（5）各層碟片間薄層流場內重相體積分布不均，大量重相在 層碟片間薄層流場進行離心沉降分離。