基于CFD的三相分离旋流器流场分析与结构优化.pdf

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1、744化工机械2010焦基于CFD的三相分离旋流器流场分析与结构优化’张玉洁料蒋明虎赵立新(东北石油大学)王军(大庆职业学院)徐磊(东北石油大学)摘要基于计算流体动力学(CFD)方法，采用FLUENT软件对三相旋流分离器进行了流场分析和结构优化。通过对该旋流器的脱气和除砂功能开展数值模拟分析，研究了不同结构参数对脱气和除砂效果的影响。研究发现，溢流管伸入长度、倒锥结构高度、入口截面面积以及出液孔高度等的变化对脱气除砂效果均有较大影响。关键词三相旋流器结构优化数值模拟中图分类号TQ051．8+4文献标识码A文章编号0254-6094(2010)06-0744-06目

2、前，国内油田集输系统中清砂方法主要是实现脱气除砂一体化的分离装置，为简化油田脱通过砂在各容器(如大型储罐)内的自然沉降来气除砂地面工艺提供借鉴。目前大多采用FLU一实现，然后不定期进行清除。清砂时，不但容器需ENT软件针对旋流分离器开展的流场模拟分析要停产，影响油田生产，且劳动强度大，影响操作与实验结果有较强的相似性和一致性¨”1，因此者的身体健康。近年来不进罐连续清砂技术(如笔者仍采用该软件进行分析。旋流分离技术)在石油工业中应用广泛：国外如1数学模型与物理模型Krebs石油技术公司90年代研制的用于清洗为了建模需要，对旋流器内部流场进行了理Shell公司布伦特

3、油田油井含砂的多相井口旋流想简化，做出理想边界及稳定性等假设。除砂器，Chevron公司研制的用于委内瑞拉Lake1．1基本方程采油平台上油井除砂的旋流器，都将旋流器在原在柱坐标系下，将速度矢量分解为切向速度油除砂中成功地应用¨J。我国在90年代初开始q、径向速度秽，和轴向速度％，当Reynolds应力与研究旋流器在原油集输系统中固液分离的应用，应变率的本构方程满足Boussinesq假设时，其控现已成功应用到原油除砂等工艺技术中旧1。但制方程为：总体来讲，在中转站实现采出液的气．液一固三相连续性方程一体化分离的研究还是一个空白。通常都是在中a(rpv。．a(rp

4、v，)，、，，、转站先分离气体，再在三合一容器的前后实现固一以ar液两相旋流分离。动量方程笔者力图通过三相旋流器的研制，开发出可也方向动量方程p击z(ru,v,)+p昙r(ruv,)=爿咖饥)警】+昙[r(／z+／z,,)警】+S％(2)·黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划项目(1155一NCET-003)。·}张玉洁，女，1964年3月生，博士研究生。黑龙江省大庆市，163318。第37卷第6期化工机械745s如=一0以p_p+去[(舡。+p—p。)ioqVz]+了1杀【r(肛+p。)警]q方向动量方程p啬(他t，，)+p昙(m肌)=未[r(It+ixr

5、,)警]+昙[r(tx+ixr,)鲁】+Js咋s。，=一面ap一型生等竺堕+未【(肛+弘。)if]13rJl+土r軎[r(3“+钆一肛。)警]+譬q方向动量方程p毫c他V。，+p杀cruru，，=毫【r(IX+la"re)警Z】+杀【r(IX+ixrO，警】+sqs玑=上r杀[r(p坩一肛胡)警】一半一p_v‘_vt—v_,面0(弘+p。)1．2雷诺应力输运方程模型经量纲分析，整理后的雷诺应力方程的张量形式为：詈(p丽)+毒(pG—v,'v／)～。也嘞协，(5)方程中左端两项分别为应力随时间的变化率和对流项，右端Po为剪力产生项，可以忽略，其余3项分别为：分孙陛扩

6、散项。。=去(鲁掣)压力应变项币。=一c。p专(瓦可一号协。)一c：卜扣。)黏性耗散项，，sq2亏哪q式中k为湍动能，占为湍能耗散率，6j，为Kro·necker符号，这就形成了封闭的雷诺应力方程组。1．3物理模型根据三相旋流器建立的数学模型，并针对三相旋流器的主体结构尺寸，利用Gambit进行物理建模。旋流器内的流体运动是非常复杂的，尤其是在边壁以及中心轴线附近更为复杂，所以在划分网格时将这两处的节点密度提高，从而更真实地反映流体的实际运动。由于旋流器结构不规则，采用贴体坐标划分网格，分区域生成结构化网格(网格以六面体结构为主，带有部分楔形网格)；且使网格分布与

7、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(3)(4)界信息，图1所示的是Gambit划分出网格的旋流器，网格个数为10万芹右。图l模型网格图2介质物性参数、数值解法及边界条件2．1介质物性参数进行模拟时使用介质的物性参数为：混合液的密度P=1250kg／m3，混合液的动力黏度弘=1．5mPa·S；气体的密度P=1．225kg／m3，气体的动力黏度肛=17．9i上Pa·s；固体的密度p=3000ks／m3，固体的动力黏度肛=17．2ixPa·s。2．2数值解法基于有限体积的方法，将控制方程转换为可以用数值方法求解的代数方程；方程的离散对对流

8、项采用二阶