油气分离器内整流元件分离流场的数值模拟.pdf

2 0 1 0年 7月 第 2 5卷第 4期 西安石油大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f X i a l l S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n J u 1 ．2 0 1 0 Vo l _ 2 5 No ． 4 文章编号 1 6 7 3 - 0 6 4 X 2 0 1 0 0 4 - 0 0 3 2 - 0 4 油气分离器 内整流元件分离流场的数值模拟 邓志安， 贾 琳， 孙 洁， 丁 馨 西安石油大学 石油工程学院 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 摘要 为探讨分 离器内整流元件的性能优劣， 应用标准 K一￡模型和多相混合模型， 对油气分离器内 整流元件分 离流场进行 了三维数值模拟． 通过比较含有 4种不同整流元件的分 离器内部流场 中速 度矢量和各相体积分数分布， 并与没有整流元件的分 离流场进行对比， 得到 了不 同构件 的整流特 性． 研究结果表明， 整流元件具有稳定流场、 降低流速 、 抑制涡流的优 点， 其 中田字型板整流元件效 果最优 ， 横向平行板次之 ， 而同心圆筒板整流元件的整流效果较差． 关键词 油气分 离器； 整流元件 ； 流场 ； 数值模拟； 中图分类号 T E 8 6 8 文献标识码 A 油气分离器是石油 、 化 工等行业普遍使用 的气 液分离设备． 长期以来， 人们对油气分离器的设计是 基于宏观的认识和经验 的设计方法， 主要以分离器 设计规范和教科书所给定的计算公式为依据 ， 而对 油气分离器内流场的微观运动机理研究甚少 ， 尤其 是对分离器 内整流元件的作用机理更是缺乏深入的 研究 ， 造成对分离器 内整流元件 的设计停 留在感性 认识阶段 ， 而对其整流效果 的优劣却没有从机理和 流场分析的角度去研究 ， 从而造成设计 的分离器往 往效率较低 ， 不能真正满足现场 的要求． 文献 [ 1 ] 用 流体力学理论对分离器流场 内液滴的聚结进行了探 讨 ， 给出了液滴聚结模型⋯ ， 但仅仅指 出了内流场 设计 的发展方 向． 传统的分离器的结构优化， 通常采用“ 理论分 析 一 初步设计 一多样机对 比实验” 的模式． 由于实 验条件的限制， 单纯通过实验来研究分 离器的性能 周期长 、 费用高． 近年来数值模拟技术不断发展 ， 不 仅彻底改变了传统 的分离器结构优化设计方法 ， 而 且资金投入少 ， 计算速度快 ， 不受试验测试手段 的限 制， 可以全面深入揭示分离器内流场的流动规律， 大 大缩短研发周期 ， 具有重要的工程应用价值． 采用数 值模拟技术研究分离器内流场可揭示各种内部构件 对流场内不 同区域的影响 引， 但 目前对分离器 内 整流元件的模拟研究报道较少 ， 本文应用 F l u e n t 6 ． 2 软件对不同整流元件的油气分离器内流场进行三维 数值模拟 ， 分析 比较不 同构件对流场的整流特性 ， 为 油气分 离 器 的结构 设计 和选 型 提供 一 定 的参 考 依据． 1 几何模 型 数值计算采用的重力式分离器模型如图 1 所 示． 其几何参数为 轴 向筒长 1 ． 8 m 不包括两端 的 封头 ， 内径 3 8 4 mm， 人 口内径 3 2 I I l m， 气体 出口内 径 1 0／l l m， 液体出口内径 1 5 m m ． 由于仅对整流元件 进行研究 ， 计算模型相对于实 际分离器作 了一定的 简化 ， 计算模型没有实际分离器两端的封头设计 图 1 重力式分离器模型 模拟计算采用 4种整流元件 ， 模型如图 2所示． 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 3 - 0 5 基金项目中国石化集团公司科技攻关项 目“ 油气水砂四相分离技术研究” 编号 2 0 0 3 1 0 8 作者简介 邓志安 1 9 6 2 一 ， 男 ， 教授， 主要从事油气储运工程方面的研究． E m a i l d z a一 0 6 2 8 2 6 1 6 3 ． c o rn 邓志安等 油气分离器内整流元件分离流场的数值模拟 一3 3一 这些元件设置在距分离器 人 口截 面 4 5 0 mm处 ， 整 流板长 1 5 0 m m， 厚 1 m m， 板问距均为 2 0 m m． ● a 竖 向平行板 b 横 向平 行板 ● ● c 同心圆筒板 d 田字板型 图 2整流元件结构模 型 2 控 制方程 设 流 场 中流 体 质 点 的速 度 为 ， 则 质 量 守恒 方 程为 d i v 0 ； 1 动量守恒方程为 d i v O v v -d i V a d v i 一 V pF v ； 2 能量守恒方程为 d i v v p r -d i v 。 k -- g r a d T S 3 式中 p是流体密度； p是流体压力； F是作用于流体 的外力； 是流体的动力黏度； 是 l， 的分量； T 是流 体温度 ； 是导热系数 ； c 。 是流体比热容 ； s 是各相问 换热 量． 3网格划分及计 算格式 采用非结构化网格与结构化 网格相结合的方式 对加装了整流构件的分离器 内部流场进行离散化处 理． 其 中， 在整流板 区域和入 口及出 口区域 ， 由于几 何形状比较复杂 ， 采取 了非结构化 网格 中的四面体 单元对 其进 行划 分 ， 其 余 区域 则采 用 六 面体 单元 划分． 采用标准 K一￡模 型和多相混合模型模拟分离 器内流场 流动过程 ， 采用有 限体积剖分 的 S I MP L E 算法求解 ， 差分格式选取一阶迎风格式 ， 压力插补格 式 以标准格式为基础． 4 材料特性与边界条件 所采用的介质 为水和空气 ， 空气密度 为 1 ． 2 2 5 k g ／ m ， 黏度为 1 ． 7 8 9 41 0～ P a s ， 水 的密度 为 9 9 8 ． 2 k 9 ／ m ， 黏度为 1 ． 0 0 31 0～P a s ． 入 口设为 速度人 口边 界条件 ， 人 口速度 为 0 ． 8 1 m ／ s ， 气相 体 积分数为 5 0 ％； 出 口采用 出流 出 口边界 条件． 定义 纵向对称面为 s y m me t r y边界条件． 5 计算结果及分析 对图 2所示 4种整流元件进行了数值模拟 ， 并 对没有整流板情况下的分离器 内部流场进行了数值 模拟 ， 以此作为对 比， 此处仍采用分离器对称面处数 据作为主要研究对象． 5 ． 1 整流元件的速度矢量 图 图 3所示 为流体 在整流元件 区域的速度矢量 图． 从 图 3 a 中可看 出， 在无整流构件的分离器 中， 整个流场 中流体 的流动 比较混乱 ， 在分离器上部 的 气相区域 ， 靠近壁面处气体处于正向流动状态 ， 而且 速度矢量较大 ， 结合体积 云图来看 ， 此区域主要是单 纯的气相运动． 在离开分离器上部的近壁区后， 流场 中的流体开始 出现反向流动 ， 越靠近设备中心区域 ， 反 向流动 的流体 比例越高 ， 在设备 中心 区域 出现 了 涡流 ， 此涡流区连续分布在设备 中心区域 ， 贯穿在整 个设备的轴线上 ， 其流动方 向不仅沿设备轴向 ， 同时 在垂直于轴线平面上具有较大 的速度分量 ， 形成 了 三维流动 ， 从而增加 了该 区域 的湍流程度． 结合体积 云图 图 4 可知 ， 该 区域主要 以低含液 的气体混合 物为主． 在分离器 的下部 区域 ， 流场的流动基本呈现 正 向的一维流动 ， 流速 比较 均匀 ， 流动状 态 良好． 总 之 ， 在无整流构件 的分离器流场 中， 流体的整体流动 比较混乱 ， 且中心区域有较 大涡流存在． 图 3 b 至 图 3 e 都是分别加装 了整流板 的分离器 内部速度 矢量图． 从 图 3 b 看出， 由于整流元件的介入 ， 改变 了分离器 内部流场分布． 整流元件前 ， 分离器 内流场 较为混乱 ， 涡流 、 返混现象较严重 ， 在整流元件人 口 处尤为 明显． 经过整流元件后 的下游流场 ， 仅在流 出 的局部 区域有混乱 的流动状态 ， 且流速 自上而下逐 渐减小． 在离开整流元件后的整个下游流场 ， 流动的 混乱现象得到明显改善 ， 流速趋于稳定且量值较 西安石油大学学报 自然科学版 a 无整流构件 C 竖 向平行板 一 b 横 向平行板 d 田字型板 图 3速度矢量图 a 无整流构件 c 竖向平行板 e 同心圆筒板 b 横 向平行板 d 田字型板 e 同心圆筒板 图 4 整流元件前后的各相体积分数云图 小 ， 仅为 0 ． 0 3 m ／ s 左右． 在截面上部区域 ， 流体的反 向流动现象得到有效抑制 ， 在设备中部区域 ， 原本混 乱 的涡流强度大大减 弱 ， 而且仅在靠近整流元件 出 口的局部区域 、 设备下部区域仍保持正 向流动． 图 3 c 中显示的是加装 了竖 向平行板组的整流构件 的 流体速度矢量图， 从其 中可 以看出， 流体经整流后 ， 在流场的下部出现了较高速度区， 约为 0 ． 8 m ／ s ， 其 方 向为斜向上 ， 而上部流体速度较小 ， 且流动方 向呈 横 向流动 ， 这和以前人们 的认识不 同． 其原 因是 由 于竖向平行板组采用 的纵 向流道 ， 流道 中的流体相 互独立 ， 且各流道内流体的内部作用力不完全相同， 造成 了流体流 出流道后出现横 向流动的状态． 图 3 d 一 图 3 e 显示的是 田字型板和 同心 圆筒板整 流元件区域 的流体速度矢量图， 从图中看 出， 相对于 横向平行板而言， 田字型板 的下游流场更加平稳 ， 速 度矢量沿轴线方 向， 没有出现横向流动状态 ； 在分离 器上部除有小部分流体存在反 向流动外 ， 大部分处 于正向流动状态 ； 在流场中部， 原本混乱的涡流强度 大大减弱 ， 设备下部区域仍保持正 向流动 ； 就流速而 言， 相对于横 向平行板 ， 大部分 流速在 0 ． 2 m ／ s ， 整 流效果明显． 从同心圆筒板整流元件的流体速度矢 量图看 ， 该元件整流效果并不理想 ， 具体表现在 在 流场的中上部， 出现了大量 的反 向流动和横 向流动 的流体 ， 而且在下游流场 ， 横向流动状态更加严重， 仅在流场下部近壁处 ， 有正向流动的流体 ； 在离整流 元件出口3倍于整流元件的轴 向范 围内， 流体流速 明显变大， 尤其是整流元件出口的下部流场 ， 流速约 2 m ／ s ， 如此悬殊的流体滑速差 ， 必将引起流场 的流 动不平稳 ． 这点从体积云图上也可看出． 因此 ， 从整 流后流体速度矢量图看， 田字型板整流元件效果最 优 ， 横向平行板次之 ， 而同心 圆筒板整流元件 的整流 效果较差． 5 ． 2 整流元件前后的各相体积分数 图 4显示了整流构件部分气 、 液相的体积分数． 瞄藤辨辩 一辅掣■一 瓣 黪 。 算 黪簿 瓣 龆躜一 群 譬 ， 赫 辫搿 稿瑶一 邓志安等 油气分离器内整流元件分离流场的数值模拟 从图 4 a 中可看出 ， 在无整流构 件的分离器 中， 单 纯 的气相和液相体积分数非常小 ， 而气 液两相 混合 物占据了最大部分， 这说明， 在没有加装整流板的分 离器内部 ， 由于气流的急剧扰动 ， 使得本来可以沉降 的液体颗粒夹带在气体涡流之 中， 导致大部分分离 器 内部空间分布着气液混合物 ， 不利 于重力沉 降分 离． 同时还可看到， 由于气体 的扰动 ， 在分离器 的轴 线区域 ， 出现了携液量较低的气液混合物 ， 并有流体 的局部返混现象， 这说明， 在分离器的横截面上， 气 体流速的分布严重不均， 在截面中部， 流速大大高于 其他区域． 图4 b 至图4 e 都是分别加装了整流 板的分离器 内部气 、 液相体积分数云 图． 从 图 4 b 看出， 整流元件前 ， 分离器截面下部液相体积较少 ， 经过整流元件后 ， 液相体积大大增加 ， 其中在平行板 上也存在液相的沉降， 说明有较多的液滴从气体混 合物中沉降下来， 整流效果较好， 这点从图3 b 中 也得到证实． 图 4 c 中显示的是加装 了竖向平行板 组整流构件的分离器 内部液相体积分数云 图， 从其 中可以看出 ， 竖 向平行板组对整流的效果很小 ， 甚至 有反作用 ， 这和以前人们 的认识不 同． 其原 因是 由 于竖向平行板组采用的纵向流道在水平方 向没有任 何整流作用， 但由于减少了流通面积， 使得流体的流 速变大 ， 从而增加 了气体的扰流 ， 这点从 图中也得到 证实． 图 4 d ～ 图 4 e 显示 的是 田字型板 和同心 圆筒板整流元件区域的气 、 液相体积分数云图， 从图 中看出 气液混合物经 田字型板整流元件后 ， 两相混 合物中液相的体积分数有所减少， 从 6 0 ％左右降到 约 4 0 ％ ， 且 高浓度混合物 的 比例降低 ， 田字型板上 也有液相的沉降 ， 整流效果 明显． 但 同心圆筒板整流 元件的整流效果并不理想 ， 具体表现在 尽管在 同心 圆筒板 区域 ， 液相体积含量有所增加 ， 但整流后气液 两相的二次混合现象严重 ， 从 而造成在整流元件 的 下游流场 ， 几乎充满 了含有高浓度液体 的气 液混合 物 ， 仅在近壁处有少量的气液单相区． 其原 因是 由 于同心后圆筒板 的环状流道 ， 在流道下 面形 成了独 立 的流道空间， 不利于液体的及时排出 ， 当高速的气 体 冲击时 ， 更容易产生二次夹带和混合 ， 因而影响整 流效果． 因此， 从整流后各相体积含量看， 田字型板 整流元件效果最优 ， 横向平行板次之， 而同心圆筒板 整流元件的整流效果较差． 6 结 论 1 采用标准 k一8模 型和多相混合模 型， 对 4 种结构的整流元件 的分离流场进行 了模拟研究 ， 并 与无整流元件的分离流场进行了对比． 通过对整流 元件 的流场速度矢量和体积分布云图分析发现 ， 整 流元件具有稳定流场 、 降低流速 、 拟制漩涡等优点． 在分析模拟的整流元件 中， 田字型板整流元件整流 效果最优 ， 横 向平行板次之 ， 而同心圆筒板的整流效 果较差． 2 通过对竖 向平行板整流元件 的数值模拟流 场分析发现 ， 竖向平行板组对整流的效果很小 ， 甚至 有反作用 ， 这和以前人们的认识不 同． 3 采用标准 k～s模型和多相混合模 型， 可较 好地模拟油气两相在分 离器 内部 的流场分布 ， 较 为 准确地反映出真实分离器 内部流场的流动情况． 参 考 文 献 [ 1 ] 邓志安， 袁敏， 徐建宁． 重力式油气水分离场 中液滴沉 降速度模型分析[ J ] ． 石油学报， 1 9 9 9 ， 2 0 1 8 2 8 7 ． [ 2 ] 周华， 夏南． 油气分离器 内气液两相流 的数值模拟 [ J ] ． 计算力学学报， 2 0 0 6 ， 2 3 6 7 6 5 - 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