不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟.pdf

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1、194化工机械2012年不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟王尊策¨张井龙1徐艳1计彦斌2(1．东北石油大学机械科学与工程学院；2．大庆钻探工程公司钻井二公司)记攘要根据计算流体动力学(CFD)的方法，应用Fluent软件对动态水力旋流器内部油水两相流场进行数值模拟，考察了不同入口流量及转筒转速下旋流器内速度场与油水两相的分布情况。结果表明：动态水力旋流器内切向速度呈双涡结构(准自由涡与准强制涡)；轴向速度明显小于切向速度且不存在零速度包络面，油相集中于旋流器轴心形成油核，随着流量及转速的增加，各相速度琢中心油核浓度均增加。关键词动态水力旋流器油水两相速度场数值模拟中

2、图分类号TQ051．8+4文献标识码A文章编号0254-6094(2012)02-0194-05动态水力旋流器由静态水力旋流器发展而来，是极具潜力的一种高效油水分离设备，自20世纪90年代中后期引入我国后，已得到了迅速的发展。与一般分离设备相比，它在适应性、灵活性与分离效率方面有着特有的优势¨1。随著计算机硬件技术及计算流体动力学(CFD)仿真技术的日趋成熟，数值模拟日益成为研究液一液分离用水力旋流器的一种重要方法。笔者利用Fluent软件，基于代数滑移模型(ASM)和RNCk-e湍流模型对油水分离用动态水力旋流器内部油水两相流场进行了数值模拟，得到了其内部速度场与油、水两相的分布情况

3、。1基本控制方程与湍流模型动态水力旋流器内的油水分离问题，实质上就是油一水互不相溶两相流的问题，所以在计算中必须引入多相流模型。两相流滑移模型(ASM)是一种简化的多相流动模型，特别适用于在重力、离心力或其他体积力作用下粒子或液滴的分离计算。由于旋流器主要依靠离心力促使油水分离，因此采用该方法描述低浓度的轻相分离过程较为合理。混合两相流模型的连续性方程：3‘÷(九)+÷(p。％．．)=o(1)oL口^i混合两相流模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得，它可表示为：告(p。uo+去(p。n“心。)=一考+静。(等+等)+p函+‘+毒(a护挑。岷。怕以u‰，“‰)(2)油相

4、体积分数方程：“％。、u％；——油相、水相漂移速度。导(。以)+÷((XopoU=．i)：一未(。op。％。。)(3)采用Reynolds时均法对上述非稳态方程进式中pm——翌皇妻璧，fm2(a护。+d护w)5应力的计算，一般采用jB。u。。in。。q假设，引入未知乃——竺琶孳翌乏。，数：。。：；妥箱≤爵嘉。磊模型计；．：=。。某菇方裹建u¨——质量平均速度，‰，r=(d以u叫+孬i蔷⋯oR⋯NG～k-,。⋯。篓套杀磊：：二莲主葬嘉蓑五ap-扯“)／am；强旋流或者有弯曲壁面的流动出现失真问题的改+王尊策，男，1962年3月生，博士生导师，院长。黑龙江省大庆市，163318。第39卷第

5、2期化工机械195进模型，用于水力旋流器流场模拟，是一种较为理想与经济的模型。用于两相流的计算，要将单相流的RNGk-e模型扩展至两相流湍流模型。基于混合两相流模型的RNGk-8模型具体表达式如下：流体湍动能k方程㈨：告cp∽+毒cp。u。t，2毒(坠O"k差)+Gin,k—p。s(4)流体耗散率F方程：告cp㈡+毒cp。u。s，2毒(I-t，af。,一誊)+}c≯叫一c轨}(5)式‰岫矾(-+层甜G蚶叫等+等)等；p。。=o。k2／6；a2e=C2。+号等掣，叼=Sk／6，S=厄瓦；瓦=丢(等+O眠Um,j，I。另外，参数C=0．0845，Cl。=1．422，C2。=1．68，or^

6、=盯。=0．75，叼o=4．38，卢=0．012。2几何模型与网格计算用动态水力旋流器结构如图1所示，旋流器主直径D=58mm，三片直板式叶栅结构。图1动态旋流器分离段结构示意图动态水力旋流器内部结构复杂，几何形状不规则，同时存在着静止与旋转的部件。笔者主要对动态水力旋流器分离段内部流场进行研究，因此在建立几何模型时忽略了入口腔及底流腔等部位，并对导流锥结构形式进行了合理的简化。采用贴体坐标对简化后的动态水力旋流器划分网格，分区域生成混合网格，即六面体与少量五面体网格。且使网格分布与计算域的几何形状相一致，这样能较好地捕捉边界特征，从而更好地给出边界信息。图2为计算网格的划分，网格数为

7、5．71×105个。图2动态旋流器网格划分3计算结果及分析计算中选取分流比10％，含水浓度90％，分别研究转筒转速为1500r／min情况下，入口流量Q为2．0、3．0、3．5m3／h与入口流量Q为3．0m3／h情况下转筒转速为1350、1500、1650r／rain时旋流器内部的速度场分布与油水两相分布情况。为了便于考察计算结果，再计算区域内取3个截面(图3)，分别为z=200、400、600mm(旋流器入口处。=0)。IⅡⅢ图3截面选取示意