含不同构件重力式分离器内流场数值模拟

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1、万方数据石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2008年第36卷第2期．．专题研究◆含不同构件的重力式分离器内流场数值模拟。吕宇玲1何利民1王国栋2倪玲英1(1．中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院2．上海交通大学机械-4动力工程学院)摘要应用Fluent软件的标准K一占模型和多相混合模型，对重力式分离器的油水分离内流场进行了三维数值模拟，得到含有2种不同入口构件、4种不同整流构件和6种不同聚结构件的分离器内部速度矢量和流场，分析并比较了不同构件的分离特性。模拟结果表明，该方法可较好地模拟油水两相在分离器内部的流场和浓度分布；耙形入口

2、构件、圆筒整流构件、田字板整流构件、蛇形板相向聚结构件以及斜板交错搭接聚结构件具有较好的油水分离特性。关键词重力式分离器数值模拟油水分离入口构件整流构件聚结构件引言重力式分离器是油田上应用最多、最基本也是最重要的油气水分离工艺设备之一。它具有结构简单、操作方便、运行稳定以及维护费用低等优点。但是，分离器的工作过程是一种极其复杂的三维湍流、两相或三相运动，并且涉及到液滴间的相互碰撞作用，以及聚结和破碎现象的复杂流程，致使理论研究遇到了许多现代流体力学中尚未解决的难题，其应用历史虽然已有百余年，但发展情况却是理论研究始终落后于实践。近年来，多相流理论和计算

3、技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究【I。J，人们已经利用计算机对分离器的流场进行数值模拟。目前对分离器的数值研究较广泛。多是二维的流场模拟∞一引。但是对于含有复杂聚结构件的分离器来说，其流场明显地具有三维特性，因此需要发展三维的计算程序。笔者正是基于这种需要，采用Fluent软件中的标准，c一占模型和多相混合模型对分离器的油水分离进行三维数值模拟。得到了含有不同入口、整流和聚结构件油水两相分离器内的速度矢量和浓度场，分析并筛选出具有较好油水分离特性的人口、整流和聚结构件。为进一步研究分离器内部流场和油水分离特性提供了理论基础，为分离构件的开发和

4、筛选提供了理论指导，同时也给分离器内部流场的三维数值模拟提供了参考。模型及边界条件数值计算采用的分离器如图1所示。其几何参数为：轴向筒长1800mm(不包括左右2个球形堵头)、内径384mm、入口内径32mm，水出口和油出口内径分别为20mm和15mm。由于整个分离器为对称型，计算模型为实际分离器的一半。这样减小了模拟计算的工作量。另外，为了研究方便，根据功能不同把整个分离器分为5部分，分别是入口部分、整流部分、聚结部分、水相沉降部分和油相沉降部分。图1分离器结构图2为模拟计算时采用的2种入口构件，其内径和外径分别为32Inrn和42mm，布液孑L的孔

5、径均为10inln。图2a所示的倒T形人口构件下管段有14个均匀分布的布液孑L；图2b所示的耙形人口构件下部有2组共6个布液管，每1个布液管上部有13个·基金项目：国家“863”计划项目“深海立管中严重段塞流消除方法及配套分离系统研究”(2006AA092302)。万方数据2008年第36卷第2期吕字玲等：含不同构件的重力式分离器内流场数值模拟一13一布液孔，下部有7个布液孔。这2种人口构件的进液方式均采用李振林‘”1提出的底部进液。图2入口构件图3是模拟计算时采用的4种整流构件。整流板长度、厚度和板问距分别为150mill、1mill和20mill。

6、图4为模拟时采用的6种聚结构件。分离器内径为384min，上述6种聚结构件的外径均为344nlln。这样聚结构件和分离器内壁之间互不接触，中间有一个环形空间，油滴和水滴在其中浮升和沉降。图4聚结构件该程序采用文献[14]提出的基于有限体积剖分的SIMPLE类算法，差分格式选取为QUICK格式，压力插补格式以PRESTO格式为基础；采用Fluent提供的标准K，占模型和多相混合模型模拟分离器内流场；介质为水和白油，其中20℃时白油密度为870kg／m3，动力粘度0．15Pa·s；人El条件设为速度边界条件，人El速度为0．81m／s，停留时间设为5min

7、；油出口和水出口设为outflow出口；含油质量分数为20％。模拟结果及分析1．增加入口构件后的流场和入口构件筛选(1)入口部分的速度矢量和流线图5为增加倒T形入口构件后入口部分水平切面的速度矢量和竖直切面的流线。从图5a可看出在人口的左侧明显存在上下2个漩涡；从图5b可看出经过布液孔的流线反折1800后进入整流区，在左下部有1个明显的漩涡。尽管该人El构件有14个布液孔降低来流液体的流速，但是流体流过布液孔的速度是不均匀的，中间速度低、两边速度高，这样就导致了图上2个漩涡的出现。图6为增加耙形入口构件后入口部分竖直切面的速度矢量和流线。从图6a可看出

8、流场中基本上不存在涡流；从图6b可看出经过上部布液孔的流线转折900后进入整流区。该构件有上下