基于蒙特卡洛算法的旋风分离器优化设计.pdf

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1、第34卷第7期(2015．07)(规划设计)基于蒙特卡洛算法的旋风分离器优化设计赵敏’马立业杨肖石江淼柯桥’许杰’1中国石油大学(北京)2中石化石油工程设计有限公司北京分院摘要：为了提高旋风分离器的分离效率，基于蒙特卡洛算法建立了旋风分离器优化设计的数学模型。采用雷诺应力模型数值模拟旋风分离器内的强旋湍流流动，使用随机轨道模型单相耦合模拟固相颗粒的运动轨迹，从而计算分离效率。通过给定气体处理量、密度、黏度与颗粒范围等初始条件，进行旋风分离器优化设计。计算结果表明，蒙特卡洛算法能够对旋风分离器筒体直径、入口高度、

2、入口宽度、内筒直径、内筒插入深度、直筒长度、总长度与排料口直径等参数的最优解进行快速搜索，实现旋风分离器高效分离的目的。关键词：旋风分离器；优化设计；蒙特卡洛算法；雷诺应力模型；分离效率doi：lO．3969／j．issn．1006—6896．2015．7．015继俄罗斯、加拿大之后，我国是拥有世界上第式中：M——入口总质量流量；三大煤层气资源量的国家，其储量与常规天然气的——人口颗粒固体质量相含率；总量相当。随着我国对能源需求的不断增加，石油——分离出的颗粒质量流量。与常规天然气资源的逐渐枯竭，加大对煤层气资

3、源此问题的约束条件为：人口宽度小于简体直的开采力度，必将成为我国能源领域的发展趋势。径，入口高度小于内筒插入深度，内筒插入深度小而气固两相分离工艺是储存、运输及使用之前的一于直筒长度，直筒长度小于总长度，排料口直径小个重要环节，旋风分离器在气固两相分离工程中应于简体直径等尺寸约束关系。另外，用户可添加其用最为广泛，对其进行优化设计，提高分离效率具他合理约束条件，例如给定各尺寸的范围。有重要意义。在旋风分离器仿真模拟的早期，贾复对于给定的一套初始条件与设计参数，通过对等利用Lewellen构造的强旋转简化层流模型

4、对旋旋风分离器内气固两相流动进行数值模拟，从而获风分离器内流动进行解析计算，但是模型过于简得其分离效率。由于固体颗粒对气体流动的影响较化，计算误差很大。随着湍流模式理论的发展，湍小可以忽略，可使用单相耦合计算颗粒的运动轨流模型逐渐被广泛应用于旋风分离器仿真模拟。蒙迹。下面分别给出气相、固相的计算模型。特卡洛法又称统计模拟实验法、随机模拟法，是试1．1气相湍流计算模型验数学的一个分支。它利用随机数进行统计实验，旋风分离器内气体的连续性方程、动量方程、以计算得到的统计特征值作为待求问题的数值解，雷诺应力输运方程与耗

5、散率方程的张量不变形式1是求解工程技术问题近似解的一种数值计算方法1。如下：因此，采用此方法建立旋风分离器优化设计模型，连续性方程以期用于工程实践。：0(1)cl1旋风分离器优化模型动量方程该研究将给出一个旋风分离器的优化设计方案，此方案能够在气体处理量、密度、黏度与颗粒=一赛+毒(篝+警]]+专(-pu~uj)c2范围等初始条件下提供筒体直径、人口高度、入口式中：——瞬时速度；宽度、内简直径、内筒插入深度、直筒长度、总长度与排料口直径等设计参数，从而实现高效分离。U——湍流脉动速度。雷诺应力输运方程1此问题的

6、目标函数为⋯：M×100％⋯：D+p++(3)ame(mmm'ra(h-L-'t：p：／／_、wv．yqtdmgc．cOm)一35—第34卷第7期(2015．07)(规划设计)图1蒙特卡洛法优化过程[2】LewellenWS．Asolutionforthee—dimensionalvortexflowswith4结论strongcirculation[J]．JournalofFluidMechanics，1962，14(3)：采用蒙特卡洛算法对旋风分离器进行了优化设420-432．[3】张枫念．用蒙特卡洛法对非

7、线性零部件的优化设计[J】_传动技计，在求解优化模型过程中，对气相复杂湍流流动术，2009，23(3)：16—21．进行数值模拟。由于旋风分离器内气体强烈旋转，[4]陶文铨．计算传热学的近代进展[M]．北京：科学出版社，采用了能够描述各向异性的雷诺应力模型对方程进2000：243—252．行封闭；由于固体颗粒对气相流场的影响较小，采[5]陶文铨．数值传热学[M]．2版．西安：西安交通大学出版用随机轨道模型对固体颗粒的运动轨迹进行单向耦社，2001：337—340．[第一作者简介]赵敏：在读硕士研究生，就读于中合

8、求解，节省了计算时间。通过算例证明了蒙特卡国石油大学(北京)动力工程专业，现主要从事天洛方法能够对旋风分离器设计参数的最优解进行快然气长输管道的研究工作速搜索，为煤层气的气固两相分离工艺提供了一种13261472200、zhaomin旋风分离器的优化方法。—petroleum@163．corn收稿日期2015—04—20参考文献【1]贾复，张蝶丽．简化旋风分离器的流场计算[J】_力学学