柱狀氣液分離器數(shù)值模擬

柱狀氣液旋流分離器數(shù)值模擬柱狀氣液旋流器具有體積小、處理能力大、有效分離小體積氣泡、分離速度快、分離效果穩(wěn)定等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)油氣田采出液的特點，確定旋流分離方案，檢測分離氣體效果。采用混合模型對多相流動進(jìn)行處理，得出了氣液兩相流場的分布規(guī)律和分離特性。本文以常規(guī)氣液分離器為研究對象，進(jìn)行計算仿真。利用:FD方法，采用流體力學(xué)分析軟件FLUENT對分離器內(nèi)部流場進(jìn)行了研究和分析。離心式氣液分離器是依據(jù)離心分離原理實現(xiàn)相間的分離，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、重量輕、應(yīng)用方便等優(yōu)點。旋流分離器作為一種新型的凈化處理裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高、處理量大、經(jīng)濟(jì)效益好，成為氣液兩相分離研究的新課題和新熱點。文中用流體動力學(xué)軟件Fluent對旋流分離器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，在模擬過程中，采用k-epsilon（2eqn）方程來模擬氣相旋流流動。模擬結(jié)果表明，旋流分離器內(nèi)部流場呈旋轉(zhuǎn)分布，分為內(nèi)、外兩個流場，在不同流動區(qū)域，氣體壓力場、速度場分布成規(guī)則變化；液滴的運(yùn)動較為復(fù)雜，帶有隨機(jī)性；總體運(yùn)動軌跡的形狀與氣相流場的分布趨于一致。1幾何模型數(shù)值模擬采用的氣液旋流分離器模型如圖1所示，軸向筒長1.6m（不包括兩端的出口長度），入口直徑60mm，氣體出口直徑60mm，液體出口直徑60mm，分離器主體筒徑為300mm。圖1重力式旋流分離器實體模型圖2旋流器網(wǎng)格圖2數(shù)學(xué)模型的建立及基本方程為了建模需要，對分離器內(nèi)部流場進(jìn)行了理想簡化，做出如下假設(shè)：理想邊界假設(shè)：認(rèn)為分離器內(nèi)腔壁是物理意義上的光滑無粘壁，即粘度系數(shù)為零。穩(wěn)定性假設(shè)：在分離器工作過程中流態(tài)為定常流。動量守恒假設(shè)：在流體流動過程中流體瞬時的角動量守恒。分散向粒子模型：假定氣體均為球狀，并在旋流分離的過程中不發(fā)生破碎。

相混合假設(shè)：假定流體在入口處分散相均勻分布于連續(xù)相液體中。并在分散相粒子濃度低于10%時，忽略分散相粒子間力的作用。能量、質(zhì)量假設(shè)：在旋流分離過程中認(rèn)為質(zhì)量是守恒的，不存在傳質(zhì)現(xiàn)象。為了反映出流體流動的本質(zhì)，假定流體是各向異性的，流動是定常的、不可壓的?？紤]到旋流器內(nèi)部流體的流動可視為軸對稱流動，在柱坐標(biāo)系下，將速度矢量分解為切向速度u、徑向速度u和軸向速度。，當(dāng)Reynolds應(yīng)力與應(yīng)變率的本構(gòu)方程滿足Boussinesq假設(shè)t r z時，其控制方程為：d（rpu）dxrDv）八1） 連續(xù)性方程L+一=0oz dr2） 動量方程Vz方向動量方程p—(ruv)+p—(ruv)p—(ruv)+p—(ruv)=—r(g+g)dz zz dr rz dzdzdvzrzdzd+—drdp dc 、f+ (2g+g-g)Svz dz dzzzdv I+1drz dz Irdrr(g+^rzv^方向動量方程d+—d+—drr(g+grz |+Srpv2+ t-rSvrT-吐+￡〕S+grz)壽pv2+ t-rvt方向動量方程p—(ruv)+p—(ruvp—(ruv)+p—(ruv)=—r(gdzztdrrt dz+grOd+—drr(g+grOI—|+'1d( )dvtS= r(g —g)vtrdr rO zO dr(g+go)v pvvr2 r--rdrSo)湍動能K方程1—(ruK)+1—(1—(ruK)+1—(ruK)=1—rdzz rdrrIrdzrfg+VJdz1d+ rdrrfg+VJdr+Sk其中，Sk=其中，Sk=G—p￡0湍動能耗散率e方程:1；。")+1:。")]=1:]r[g+gZ]?

rdzzrdrrrdzV/°Jdz1+rdrrVg+g?Jdr￡其中s廣；"-c2P。）Sv)fSv)fSvv)+―廣+旦1—t+口—t——tSJ、&Jr0[SrrJ上述各式中各向湍流黏度可以表示為：K四,,=C日=CCp—式中p——流體密度；H——分子黏性系數(shù)；七——各向湍流黏度;七——湍流黏度各向異性系數(shù)，1.0Czz=1.0,C=0.002,C=1.0,C°=1.0,C°=0.00135,Cgg=1.0,C=0.09，氣=1.3,Q=3湍流模型1.0目前描述湍流流動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型還不成熟，但有些數(shù)學(xué)模型即便簡單，也可以在一定程度上使人們避免做大量的實驗研究工作。旋流分離中強(qiáng)旋湍流數(shù)值模擬主要采用標(biāo)準(zhǔn)K-E模型、RNGK-E模型、代數(shù)應(yīng)力模型和雷諾應(yīng)力模型以及離散相模型等。標(biāo)準(zhǔn)K-E模型是基于各向同性的湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)K-E模型對切向速度的數(shù)值預(yù)報夸大了蘭金組合渦中的似固核范圍，抹煞了似固核外的位渦區(qū)；對軸向速度的數(shù)值預(yù)報未給出中心回流區(qū)。RNGk-e的基本思想是把湍流視為受隨機(jī)力驅(qū)動的輸送過程，再通過頻譜分析消去其中的小尺度渦，并將其影響歸并到渦黏性中，以得到所需尺度上的輸運(yùn)方程，這使RNGk-e模型更適應(yīng)于具有旋轉(zhuǎn)流動的流場計算，提高了對旋轉(zhuǎn)流動的預(yù)報結(jié)果。同時，RNGk-e模型中的系數(shù)由理論公式計算得出而不是依靠經(jīng)驗確定，因此其適應(yīng)性更強(qiáng)。RNGk-e模型雖較標(biāo)準(zhǔn)k-e模型有所改進(jìn)，但仍然存在較大缺陷。要在更大程度上改善對旋流器中強(qiáng)旋湍流的預(yù)報結(jié)果，有必要完全放棄k-e模型，轉(zhuǎn)而采用基于各向異性湍流的代數(shù)應(yīng)力模型或雷諾應(yīng)力模型。雷諾應(yīng)力模型（RSM）是基于各向異性的湍流模型，此外，雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程中的對流項和產(chǎn)生項可以隨流線曲率或旋轉(zhuǎn)而自動調(diào)節(jié)，從而具有更強(qiáng)的描述復(fù)雜湍流的能力?？紤]到水力旋流器內(nèi)部為強(qiáng)旋流動，具有各向異性的特點，故本文選用雷諾應(yīng)力模型。經(jīng)量綱分析，整理后的雷諾應(yīng)力方程為：S（ ）S（一）—pU'U'?！錟UU'?=D+p+?+eSt ijSx kijijijijijk方程中左端兩項分別為應(yīng)力隨時間的變化率和對流項，右端四項分別為：S分子黏性擴(kuò)散項為D=—ijSxkf旦SUU7]S分子黏性擴(kuò)散項為D=—ijSxk— i—jQSx\kk）

,一8(——壓力應(yīng)變項為^=-C1P￡J'U:-( 2A一.kj3j-C( 2A一.kj3j-C2p--p8黏性耗散項為8——p8^ij3ij上式\ 湍動黏度；k 湍動能；8 湍動能耗散率；8 Kronecker符號;剪力產(chǎn)生的P忽略，這樣就形成了封閉的雷諾應(yīng)力方程組。ij4邊界條件離心式氣液分離器內(nèi)的氣液兩相流動屬于氣體稀相流動，故將液體相看成連續(xù)相，而將氣體看成分散相，數(shù)值模擬采用混合模型。數(shù)值計算時運(yùn)用分離的隱式求解方法雷諾應(yīng)力模型。同時，考慮離心式氣液分離器內(nèi)流體的強(qiáng)旋流動，對壓力的離散采用PRESTO!(PressureStaggeringOption)法，對動量方程采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，速度與壓力耦合采用SIMPLE算法，連續(xù)性方程的收斂準(zhǔn)則為10-5。以流體的物理模型為計算對象，故約束流體的所有固體邊界上，都必須定義邊界條件。研究中需要涉及到壁面邊界和進(jìn)出口邊界。在Fluent計算中，邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口邊界：根據(jù)已知的流量直接給出入口截面法向的時均速度值和氣相得體積分?jǐn)?shù)，以及相應(yīng)的湍流參數(shù)(包括湍流強(qiáng)度，水力直徑)。出口邊界：出口按照湍流流動充分發(fā)展處理，采用出流出口邊界條件。固壁邊界:壁面為無滑移邊界條件，默認(rèn)壁面粗糙度為0.5，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理邊界湍流。5流場數(shù)值模擬結(jié)果分析1修罰‘1*粗牝瓣焉罰席Q&i-O5.1靜壓力場分析

1修罰‘1*粗牝瓣焉罰席Q&i-O氣-液旋流分離器內(nèi)部流場分為內(nèi)旋流和外旋流兩部分。外旋流，垂直于軸的橫截面靜壓分布如圖1,分布性狀比較規(guī)則，基本呈現(xiàn)軸對稱性，在入口與溢流管的交界空間內(nèi)存在偏差，但偏差不大。由圖2可以看出，在同一截面處相同半徑處的靜壓力大致相等，這說明軸向壓力變化不大。內(nèi)旋流靜壓的分布在同一截面的相同半徑處也相同，呈環(huán)狀分布，相對于外旋流，內(nèi)旋流的靜壓較低。在軸截面上，靜壓力的分布如圖2所示，分布大致呈現(xiàn)軸對稱性，在外旋流中，壓力分布的整體趨勢是在兩側(cè)比較大，內(nèi)測比較小，在內(nèi)旋流部分，有負(fù)壓出現(xiàn)?？倝貉剌S向變化比較小，由于強(qiáng)制渦的出現(xiàn)，總壓分布云圖出現(xiàn)一定的擺動。5.2流場速度分布分析圖3速度跡線圖由圖3可以看出，氣液旋流分離器是靠離心力來進(jìn)行分離的。氣液兩相流沿切線方向進(jìn)入分離器，氣-液旋流器的切向速度是多相分離的關(guān)鍵下面就進(jìn)行速度對分離效率的影響研究。5.3切向速度對分離效率的影響研究分離器工作時可由流量計算出進(jìn)口速度。在這里假設(shè)氣體和液體均相進(jìn)入旋流器，速度相同。取三個不同的流量，分別為150m￥d,300m3d,600myd，其他參數(shù)（包括氣體體積分?jǐn)?shù)）均相同，得到不同流量的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖。由上圖可以明顯的看出切向速度對分離效率的影響，速度越小，離心力也較小，導(dǎo)致分離效率不高；速度越大，離心力也較大，分離效率越高。但是速度不能太大，因為軸向速度影響到流體在旋流器內(nèi)的滯留時間，速度太大勢必減小液相顆粒在流場的滯留時間，不利于分離。150m4O204M^029-01407(3014A014(XlB-UrlA(X)nmA(XkMM3琢013990-013^99-013碰0139&>013物土39SB-UI300m3f00^-01ZCOe-UI150m4O204M^029-01407(3014A014(XlB-UrlA(X)nmA(XkMM3琢013990-013^99-013碰0139&>013物土39SB-UI300m3f00^-01ZCOe-UI700^01r(woirooe-oirCOe-UI7O)n0lrooe-oiFOOisOlA<)915016996碩U99e-UI6009C0&-O8googol9COODl