单锥式油水分离旋流器内流场的数值模拟

赵庆国——水力旋流器——单锥式油水分离旋流器内流场的数值模拟

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20 06年 l月 1第 2卷第 6期 1

Junl f i rS i uU ie i自然科学版 i c dt n ora o西安石油大学学报 t( aua S ) eE io ) X l hy nvr ( N tr cn R o sy l e i

N v 2 0 o . 06V0. 1No 6 J2 .

文章编号：6 3 6 X 2 0 )6 0 3 4 17— 4 (06 0— 8— 0 0 0

单锥式油水分离旋流器内流场的数值模拟Nu r a muai f h n rf w f l i es gec n y r c d n rol ae p r t n mei l i lt no ei e o ed n t i l o eh d oy o ef i w t s a ai c s o t n l i h n - o . re o

刘海生艾志久贺会群2肖莉2,,,( .南石油大学机电学院， l成都 6 0 0;, 1西 l l￣J 1 5 0 2江汉机械研究所油田水处理工程技术研究室，湖北荆州 4 4 0 ) 30 0

摘要：了究水力旋流器用于油水分离的复杂情况，用 F U N为研使 L E T软件中的多相流欧拉分析方法，结合雷诺应力湍流模型对单锥式旋流器的内部流场进行了数值模拟 .分析了旋流器内部的体积浓度分布、压力分布，以及切向、轴向和径向速度分布的规律，揭示了油水两相流的分离特性.在不同流量下，计算出了旋流器的流量一效率曲线，计算结果与实验数据吻合较好，而证明了该湍流从模型和数值算法的可靠性 .关键词：力旋流器；水油水分离；湍流模型；数值模拟； L N F UE T软件中图分类号： 5 .; Q084 O37 5 T 2 .文献标识码： A

在过去几十年中，液旋流器由于具有结构紧液. 凑、体积小、重量轻、分离效率高、无运动部件、使用寿命长等特点，已被广泛应用到石油、化工和环保等领域… .而用于油水分离的单锥式液一液旋流器是利用油水两相液体之间的密度差，在离心力的作用下， 轻相油向旋流器轴心处运动，形成向上的内旋流油核，出油口排出；相水向器壁运动，成向下的从重形

式旋流器油水分离的数值模拟对于产品的优化设计、提高分离性能具有重要意义.

多相流理论计算方法对多相流体运动进行分析时，通常有 2种基本方法拉格朗日法和欧拉法 .格朗日法将流体 3:拉主相

视为连续相并求解其 N s方程，,而分散相需要通过计算大量的粒子、气泡或液滴的轨迹运动得到. 欧拉方法是将不同的流体视为互相贯穿的连续介质，服从总的及各相的守恒方程，它适合于流动中有相混合或分离，分散相体积率可超过 1%的情形. 0 对于油水分离问题，采用欧拉分析方法和 R M将 S湍流模型进行数值模拟，并采用双流体混合模型来描述旋流器中的油一水两相流动 .

外旋流，并从出水口排出，从而实现油水的分离过程.

水力旋流器内部的流体流动为强旋转和高强度

的湍流，流动规律比较复杂，通常采用数值方法进行理论研究，而湍流模型是旋流分离数值模拟与计算流体动力学( F仿真研究的核心， C D)对于湍流流场

的数值研究，湍流模型的选取是关键.针对旋流器内 强旋流的湍流，本文彻底放弃基于各向同性的涡黏性假设的湍流模型，转而采用基于各向异性的湍流模型——R y 0 s enl应力输运方程模E ( S t . d￣ R M) 1 2本研究应用商用 F U NT软件，择通用性 L E选

2油水两相流的基本方程2 1基本方程 .

较好的欧拉方法，结合雷诺应力湍流模型，模拟用于油水分离的旋流器内部流体的流动情况.实现单锥

建立如图 1所示的圆柱坐标系 . 水力旋流器内的流体流动为定常轴对称流动，

收稿日期： 0 60—9 2 0—12

基金项目：中石油集团公司资助项目(编号：4 42 3 0 B 10 )

作者简介：海生(90)男，刘 18一，河南南阳人，主要从事机电一体化方面的研究

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( J DGi,

) (+。

) i+P.+=D, 1 () 7

+

fj一￡fj+ .

,

j +S s. e

式中：,是扩散项，f是应力产生项， f是浮 Df f, j G. J力产生项，,是压力应变项，,是黏性耗散项， ￡f 图 1采用的坐标系嘲。

是系统旋转产生项， S是用户自而 定义的源

在柱坐标系下，对于恒温、不可压缩流体流动的基本方程组为连续性方程：

项.这样就构成了雷诺应力模型(、[] M) - . 6 7

3模型及数值解法

薏十v 0+; O=切向平均动量方程：P

( 1 )

3 1计算模型的

建立 .本研究选择主径为 2 i的单锥式液. 5ml l液旋流器作为研究对象.除进口及其附近局部区域外，旋流、

计算模型示意图见图 2 . (++= )器流场具有轴对称性， ) (十 )+;(一 2 )一叫

轴向平均动量方程：P

(+爱=笔十 )一 [r爱] ) ( ( ) (; 3++ )

图 2旋流器计算模型结构示意图

径向平均动量方程：

为了提高入口流道的导流能力，采用圆弧曲线型入口流道形式，图 3所示 .如

l+一一+ D十等=笔 I ( 了一 )十 2[十 ) f; l+]l r (川， r I凳一o r 2 o: rP

( 4 )图 3圆弧曲线型流道示意图

湍动能模型一k方程：

[() () ( )磊+]凳+ = 旦/‘ a+\ )’—e 5 r (/ P ) a + ) a G;(POr\￣ O k r

湍动能耗散率方程一￡方程：P

使用前处理程序 G m i依上述模型生成计算 ab, t几何体，并针对旋流器内部流场的特性，利用代数生成方法生成三维的分区组合网格.3 2边界条件 .

[毫 (

) ](=

O,[a 1e￣) S+

毫 ( )+(GCe 笔 c—p. t 2) D/ C= 0. 9, K e, 0 Cl 1 4 C2= 1 9 . 4, . 2,

( kg/m3黏度为 9.2 Pa-,相为油，度为 6 ) 19m s次密,

介质为油水混合物，主相为水，密度为 98 2 9 .

其中各向湍流黏度可表示为：= C,= =

8 14k/, 3 . g m3黏度为 8 .9 as 0 9 7mP .'

在 Fun计算中， l t e边界条件设置如下： 进口边界：根据已知的流量直接给出入口截面法向的时均速度值和油水两相的体积分数，以及相应的湍流参数 (包括湍流强度 J和水力直径 D, H其 1中入口湍流强度 J /= u=0 1( e )/, .6 R D - 8水力。,

10= 13 C ., ., o为湍流黏度各项异性系数，其值如下：= 10,= 00 2 C= 10 C= ., .0, ., 1 0, . C= 0 0 35, = 1 0 . 1 C ..

2 2 S湍流模型 . R M

我国著名科学家周培源先生，在湍流各向异性

直径 DH相当于入口当量直径) .出口边界：出口按照湍流流动充分发展处理，给定出口静压为大气压，以及相应的湍流参数. 固壁边界：壁面为无滑移边界条件，默认壁面粗

的前提下，第一个导出并发表雷诺应力

的准

确输运方程，并得到国际流体力学界的公认[ . 5经]量纲分析。型化后的雷诺府力输运方程如下：模

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刘海生等：油水分离旋流器内流场的数值模拟锥式

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糙度为 05采用标准壁面函数法处理边界湍流. ., 其它设置：相问的拖拽力为 sh l.am r模 ci r l an l ru l e型，滑移速度采用 m n i na a代数滑移方法， an e-—l n t质

42压力分布 .

从图6可以看出静压力的分布规律基本上符合组合涡流场的压力分布规律.在主分离区内，同一平

量传输为定常函数；迭代精度为 001 .0 .33数值解法 .

面上，压力都是沿着半径的减小而减小的，成对称分布，而且 4个平面上的曲线几乎重合，说明在不同截面上径向压力梯度几乎相同；而沿轴向，同一半径上的压力几乎相等 .

采用有限体积法控制方程的离散，选取二阶迎风的差分格式，流动时均控制方程组的数值求解对采用“求解压力耦合方程组的半隐式方法”压力差，补格式为交错压力格式.

4数值计算结果与分析为了清楚地观测旋流器内部各物理量在具体某平面沿半径的分布情况，在单锥式旋流器的主分离区选取 4个垂直于旋流器几何轴线 ( z轴 )的平面， 分别为 Z=一 0一8, 2, 6 m( 4, 0一10一10 m旋流腔上表面所在的平面定义为 Z=0的平面)图 4图 1 .一 0是数值计算结果 .4 1油相体积浓度分布 .位置， m

图 6静压沿半径分布曲线图

4 3切向、向、向速度分布 .轴径

由图 7以清楚地看出，可在旋流器主分离区的 同一平面上，沿半径方向，切向速度由外到内可分为 3:段即仅靠旋流器壁的边界层、升段、上中心区附近的下降段 .向速度沿半径的减小先迅速增大，切在

从图4的各截面油相体积浓度分布曲线看出， 油水混合液由入口高速切向进入旋流器后，在离心力的作用下实现油水分离，在器壁附近油相体积浓度几乎为零，随着向中心运动，油相体积浓度又逐渐增高；在=一4

l截面上含油浓度较高， 0l- -f f I l沿轴向向下，各截面中心附近的油相体积浓度在逐渐减小. 图5也可以说明旋流器的油水两相分离主要发生在旋流腔和锥段部分，这和理论分析结果一致【 引.

某一径向位置处达到最大值，而后进一步减小，在靠近中心轴线处随着半径的减小急剧降低 . r=9 在~ 1 l的区域，向速度达到最大值， 0l- -f fl I切以此区域为界，可以将旋流器内部流场分为准自由涡为主的运动和强制涡为主的运动 .

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图 4油相体积浓度沿半径分布曲线图

图 7各截面切向速度沿半径分布曲线图

由图 8以看出，可各截面上的流体轴向速度的变化基本相同，在靠近边界层一个环形区域流体的轴向速度是向下的，区域是外旋流所在区域，该随着苫苫言苫言苫 g苫 gg召苫苫言；;窨窨 g !! z

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半径的减小轴向速度由负变为正值，且逐渐增加，但是变化幅度不大，都保持 l s m/以内.向速度影响轴到流体在旋流器内的滞留时间，速度太大势必减小油相颗粒在流场的滞留时问，不利于分离.

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图 5纵截面油相体积分布云图

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圈 8各截面轴向速度沿半径分布曲线囤

图 1油水分离流量—效率曲线 0

相对于切向速度，旋流器内部的径向速度要小得多，而且比较复杂，难于测定.从图 9可以看出，速度的变化规律是先增大然后减小，在半径 r .~=5 0 75i"的区域速度基本上为零， . l Yn l并且在轴心区域径向速度梯度较大，即随半径的增加而降低，明在说旋流器中心附近产生的内旋流场是分离的有效区域.

5结论() 1应用 F U N L E T计算软件，采用多相流欧拉分析方法，结合雷诺应力湍流模型对单锥式旋流器的内部流场进行了数值模拟，说明该数值模拟方法的可行性 .

() 2研究了油水两相流体在单锥旋流器内部的体积浓度分布，压力分布，向、切轴向和径向速度分县、

布的规律，得到

了和文献[] 8中理论分析一致的结果.

憾髑足

() 3在不同流量下，得到旋流器的流量一效率曲

线，计算结果与实验数据基本吻合，从而进一步说明了该湍流模型和数值算法的可靠性 .2 5, 00 - 5— 0 - 5 . 1 . 7. 5. 2. 0. 2. 50 7 5 l .】 . 0 5 . . 0 0 2 5

位置/ m m

参考文献：l] C r s o zJa a e t . iw treaai q 1 al me,unC l ne Ol ae prt ni l— oG d y— s o ni

图 9各截面径向速度沿半径分布曲线图

4 4分离效率 .

ud iu y r yl eL H ) epr n n o e i qi h do c n ( L C: el t dm d1—l d e o x _me a . igJ .P 1 3,0 1 n[]S E7 5 8 20 . []王福军 . 2计算流体动力学分析： F C D软件原理与应用[ .京： M]北清华大学出版社，04 1217 2 0:3—3 .

分离效率是衡量水力旋流器分离性能的重要指标，而入口流量又是影响分离效率的重要操作

参数之一 .流量一效率曲线是衡量旋流器处理能力的重要曲线 .在进口含油为 4 5 .%的条件下，通过流场的数值模拟，得到了图 1所示的流量一效率变化 0曲线 .从图中可以看出：随着流量的增大，①分离效率也在增大 .这是由于流量增大，旋流器的切向速度越高，使得离心加速度增大.②在中问的流量区域，

[]黄思， 3周先华.单锥旋流器分离过程的三维数值模拟[]西华大学学报： J.自然科学版，0 5 2 ( )4—5 2 0,4 4:34 .

[]李振国. 4除油型水力旋流分离器内部流场的数值计算[]大连： D.大连理工大学。 0 . 2 2 0 []张海红 .风分器流场与分离性能的数值模拟研究 5旋[ . D]郑州：郑州大学，0 4 20 .[] G B ON M L U E BE. ru deeto rs 6 IS M。 A ND R G o n f c npe. fs sr utai si tea shr o nayl e[]J ue cut n t p ei bu dr y rJ . l f o n h mo c aFli eh,9 8,6:9— 1 . ud M c 1 7 8 4 15 1

实测点与数值计算得到的数据较接近 .这验证了数

值计

算方法和分散相处理方法的正确性.③在高流量范围内，随着流量的增大，实测的效率值增加幅度不大，并有降低的趋势，而计算得到的效率值仍然随流量的增大而增大，比实测值稍高.这是由于在数值模拟时，很难准确考虑油滴的破碎与聚集程度， 因此，在较高流量下计算的效率偏高.

[] L UN R B E, E C J R D W . rge e 7 A DE R E E G, O I Pors i d . sn vl meto enl -rs ub l c l ue J . e p n faR y o s t strue ec sr[] J o dse n o Fu c,9 5 6 ( )5 75 6 li Meh 1 7,8 3:3 .6 . d

[]赵庆国， 8张明贤.水力旋流器分离技术[ . M]北京：化学工业出版社，0 3 1.8 2 0:52 . 编辑：美娥田

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