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《管柱式气液旋流分离器速度分布数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、2006年3月中国石油大学胜利学院学报Mar.2006第20卷第1期JournalofShengliCollegeChinaUniversityofPetroleumVol.20No.1管柱式气液旋流分离器速度分布数值模拟魏洪(中国石油大学成人教育学院,山东东营257061)[摘要]用计算流体力学原理和方法,以SIMPLE算法为基础,对分离器内部两相流速度分布进行了数值模拟,计算得到了管柱式气液旋流分离器内流体流动的速度分布。计算结果、理论分析及实验现象相吻合,证明了模型和计算的正确性,在两相模拟中,模拟出
2、了分离器下方速度反向区与理论分析相一致。把切向速度作为径向位置的线性函数、旋流强度作为分离器截面位置的函数是可行的。这对评价分离器的分离性能和结构设计具有重要的意义。[关键词]气液分离;旋流分离器;速度分布;数值模拟[中图分类号]TE832[文献标识码]A[文章编号]167325935(2006)0120017203管柱式气液旋流分离器是依靠旋流离心力实现气液两1物理模型相分离的新型气液分离装置,它是带有倾斜切向下入口和气体及液体出口的垂直管(图1),既没有可移动部件,也无需内图2为管柱式气液旋流分离器网格
3、系统图。几何模型采部装置。气液混合物由切向入口进入旋流分离器后形成的旋用设计实验用分离器时的实际模型,分离器内径为100mm,流产生了比重力高出许多倍的离心力,由于气液相密度不倾斜入口角度为27°,液相段长度为1.15m,气相段长度为1.同,所受离心力差别很大,重力、离心力和浮力联合作用将气0m。网格技术采用GAMBIT工具中的Cooper技术,除去入体和液体分离。液体沿径向被推向外侧,并向下由液体出口口段外分离器其余部分均生成六面体网格,而入口部分生成排出;而气体则运动到中心,并向上由气体出口排出。影响分
4、体网格。这样可以提高计算速度,同时也节约计算机内存。离器分离效果的因素很多,如分离器结构、工况、介质等,由于实验条件的限制,单纯依靠实验研究来进行优化是不现实的。在现有的实验条件下,想要获取分离器内复杂的水力流动特性,其投资是很昂贵的。但可以运用高性能计算机结合计算流体力学(CFD)模拟软件对复杂几何体内的流体流动进行数值模拟,研究分离器内流体的流动规律,预测分离器的分离效率,则可节省开发费用,缩短开发周期。笔者对分离器内部入口下方段速度分布进行了数值模拟研究。图2管柱式气液旋流分离器网格模型系统图2实验通
5、过对设计出的管柱式气液旋流分离器进行室内实验(实验是在中国石油大学(华东)多相流实验环道上进行的),观察到入口段以下有很强的旋涡生成,而且中心处气相向上流动所产生的气流芯(气芯)很明显(如图3所示),这表明入口下方段流体速度分布在中心处应该具有一个向上流动的图1管柱式气液旋流分离器示意图反流区,而且速度分布存在一个向下方向的衰减。[收稿日期]2005-11-09[作者简介]魏洪(1972-),男,四川仁寿人,中国石油大学成人教育学院助理工程师,硕士。17第20卷中国石油大学胜利学院学报2006年第1期式中,
6、uH为某轴向位置切向速度;r为径向位置;Tm、B分别与切向速度最大时刻、最大速度径向位置有关。径向速度大小相对于切向、轴向速度而言要小2～3个数[5]量级,它对分离器内部流场影响很小,因此没有对径向速度预测作进一步研究。4模拟结果与分析3对如下工况(液相流量:Ql=2möh、vsl=0.17823mös;3气相流量:Qg=150möh、vsg=13.36755mös)进行数值模拟,模拟结果如下。图3分离器入口下方气芯变化图(1)模拟显示了分离器内部流动是很复杂的,它包括三3控制方程个速度分量:切向速度、轴向
7、速度以及径向速度。图4为通过分离器中心并垂直于切向入口的平面上切向速度分布图(入3.1基本控制方程口下方段)。入口处切向速度迅速衰减,并在轴向方向上持续5(QUj)连续方程:5x=0,到分离器底部,但是,后来的切向速度衰减不同于入口区那j5(QUiUj)5p55Ui5Uj么强烈,vt=0时近似位于旋涡中心,流动以旋涡中心近似呈动量方程:=-+L+-Qu′iu′j.5xj5xj5xj5xj5xi对称分布,并且非常接近于分离器中心。式中,Ui,Uj(i,j=1,2,3)为时均速度分量;xi(i=1,2,3)为坐
8、标分量;p为流体的时均压力;L为流体的动力粘度;Q为流体密度;u′iu′j为未知Reynolds应力分量。3.2分离器入口下方段各方向速度分布理论分析3.2.1旋涡强度[1,2]Erdal于2001年提出一个旋涡强度计算式,即0.350.70.13Mt20.931Mt4-0.16z8=0.67Re(I)exp-IRe.MT2MTd式中,MtöMT为入口处切向动量流量占总动量流量的百分比;I为入口几何因子;Re为雷
