0 引言

船舶尾轴尾管装置有水润滑和油润滑2种。在实际营运中，油润滑结构或多或少都有油的泄漏，特别是当螺旋桨运行时有较大的振动或海损原因导致尾密封装置失效时，尾管中的滑油大量外泄，污染了水域环境，造成了经济损失，这是油润滑尾轴尾管装置致命的缺陷。而水润滑轴承由于具有无污染以及制造维修简单等特点，目前得到越来越广泛的应用^{[1 -2]}。由于直接采用江水(或海水)润滑，水中难免含有泥沙杂质，这对轴承及轴颈的磨损不利。CCS的《钢制海船入级规范》（2015修改通报）中明确提出：船舶应该安装供应水处理系统，对用于润滑的供应水进行过滤和分离净化，至少清除比重大于1.2和直径大于80 μm的悬浮颗粒物^[3]。目前船舶市场此类产品的供应商仅有瓦锡兰和加拿大的Thordon公司，为进一步加强船舶配套产品的国产化，因此亟需开展此类研究。

旋流器是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备，对用以尾轴轴承冷却和润滑的冷却水（通常是海水）按密度差异去除其中固体颗粒，提高轴承运行的安全性、可靠性，具有结构紧凑、分离效率高、使用寿命长等优点^[4]；是国外水润滑轴承净水装置的主流应用型式。相关研究表明，柱形旋流器因无锥断，具有磨损小，处理能力大的特点，适合作为工程产品^{[5 -6]}。降低能耗是提升产品经济性的有效手段，由于旋流器内部流动产生负压，在腔内形成空气柱，不产生分离作用，增加能耗，因此消除柱形旋流器内部空气柱成为提高供水系统经济性的可靠手段。

本文根据水润滑轴承供水系统的产品特点，设计柱形旋流器，研究在其集砂腔内布置挡板对其流场的影响，为产品的设计提供参考依据。

1 数值模拟

当混合液由旋流器的入口切向进入后，产生强烈的旋转运动，轻相和重相存在着密度差，所受离心力、向心浮力将导致流体曳力的大小不同，受离心力沉降作用，大部分重相经旋流器底流口排出，而大部分的轻相由溢流口排出，从而达到分离的目的。本文计算采用相同的外形结构，一个内部加装挡板，另一个为去掉内部挡板结构的旋流器，此文称其为“无挡板旋流器”。

1.1 计算模型

相关研究表明，由于旋流器非稳态不可压缩的流动特点，因此采用以雷诺平均运动方程为基础，考虑湍流各项异性的效应的雷诺应力模型（RSM）。计算空气与液体的接触面采用多相流模型中的流体体积模型（Volume of Fluid Model，VOF），该模型假设2种或多种流体互不相溶，通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟^[7]。对流项离散格式选择的是在复杂网格条件下具有良好收敛性的2阶迎风格式，压力插补格式采用的是PRESTO格式压力-速度耦合算法采用的Simple算法。

1.2 网格模型

网格作为模型与分析的载体及几何模型的表现形式，其质量直接影响计算的精度和收敛性。考虑到旋流器内部的流场属于气液构成的高速旋转准自由涡状态的复杂流场，选用的RSM湍流模型对网格划分要求十分苛刻。为提高网格质量和缩短计算时间，采用结构化网格对旋流器进行网格划分，并进行网格无关性验证，最终网格划分情况如图所示，底部安装挡板的旋流器网格单元数量239 197，节点223 147，无挡板旋流器的单元数为242 505，节点数为228 823。通过网格质量检查显示，网格质量良好。

2 结果分析

提取计算时间为2 s时的数据，U为轴向速度，V为径向速度，W为切向速度。1, 2分别为有挡板、无挡板旋流器。纵截面为旋流器中心面，横截面为距顶面0.25 m处。

2.1 速度分析

切线速度符合组合自由涡运动规律：

${{{U}}_{{t}}}{{{r}}^{{n}}}={{{U}}_{{kt}}}{{{R}}^{{n}}}={C}\text{。}$

式中：r为运动流体的旋转半径；U_t为此处切线速度；R为旋流器半径；U_kt为为此处切线速度；n为指数；C为常数。

在正常分离时水力旋流器中$\displaystyle\frac{2}{3}{{{r}}_{0}}$为分界面；r₀为溢流管半径。${{r < }}\displaystyle\frac{2}{3}{{{r}}_{\rm{0}}}$属于强制涡运动；r > $\displaystyle\frac{2}{3}{{{r}}_0}$属于自由涡运动；r=$\displaystyle\frac{2}{3}{{{r}}_0}$属于强制涡向自由涡过度状态^[8]。过渡状态具有最大切线速度，会沿径向产生最大的压力降、最大的离心力和最大的切应力。它们将主导水力旋流器的分离作用。

图 3中无挡板旋流器的切向速度大于底部有挡板旋流器的切向速度，且符合组合自由涡运动规律。根据相关文献，水力旋流器的分离效果主要取决于强制涡运动，因此提高强制涡的比例，降低自由涡的比例有利于提高分析效率^[9]。底部有挡板旋流器的切向速度随着半径的增加不断增大，直到壁面，自由涡比例几乎为0，有利于提高分离效率。

轴向速度决定了流体介质在溢流和底流的分配，如图 4所示，随着半径的增加减小，轴向速度值由正到负，即由向下的运动，变为向上的运动，零速包络面就是旋流器运动流体速度为0的轨迹，它把流体的轴向速度分成两部分：沿空气柱界面向上运动和沿器壁运动的向下运动，与之相对应的就是内旋流和外旋流。

图 5中的2种旋流器的轴向速度大小和分布规律相差不大。挡板对旋流器的轴向速度分布影响较小。

一般研究规律表明，径向速度接近空气柱界面时达到最大值，随后又急剧降低。底部有挡板旋流器的径向速度的方向基本由器壁指向轴心，绝对值大小变化不大，而无挡板旋流器的径向速度绝对值变化较大，速度方向变化明显，能够产生反混现象，对分离效果有严重影响。

速度方向的改变说明流动中存在循环流，在这循环流空间无内迁流体发生。有利于改善旋流器的技术性能，适当减小这一空间有利于降低旋流器能耗和加速其分离过程。

2.2 压力分析

压力降（亦即沿径向的水头损失）是计算生产能力、选择泵功率和研究能耗的主要依据，同时对其分离粒度和分离效率有重要影响。静压力是流体分子凌乱运动造成的压力。几何中心对称分布，静压力随径向距离增加而增加，中心静压最小。

空气柱的产生是由于旋转产生负压吸进外部空气而形成的，多数学者认为，空气柱的存在有弊无利，空气柱内不发生分离现象，消耗的能量对分离过程没有任何贡献，所占的空间减少了溢流口的流动面积。同时空气柱的大小与位置波动加剧了流场的不稳定性，对颗粒的规律性进行了破坏，造成混反导致分离效率下降。因此减少空气柱的体积，有利于降低能耗，提高分离效率。图中可见，底部有挡板旋流器只有在底流管内存在负压，但并没有形成空气柱。由实际的总压数值可以得出，底部有挡板旋流器的压力降小于无挡板旋流器。

数值模拟的正确性需要试验验证，压力降的大小是衡量旋流器的能耗的重要指标，因此选择对比试验与仿真的压力降，使用底部有档板的旋流器进行试验测量得压降为0.7 bar，与数值模拟数据吻合，证明数值模拟的正确性。

3 结语

本文采用Fluent对内部有无挡板的两种旋流器进行数值模拟，分析边界条件设置相同，结构差别仅在底部有无挡板，因此数值分析结果的差别在于挡板引起的变化，经过上述分析可以得到以下结论：

1）内部有挡板旋流器的自由涡比例几乎为0，有利于提高分离效率

2）挡板的作用在于破坏空气柱的形成，能够有效降低能耗。