超音速旋流分离器喷管的数值模拟--论文

西安石油大学本科毕业设计（论文）

超音速旋流分离器喷管流场的数值模拟

摘 要：超音速旋流分离是天然气处理工艺的一大突破，超音速旋流分离器依靠喷管做等熵膨胀形成低温超音速流动，依靠声速翼形成旋流实现水及重烃的分离。为了实现流体的超音速流动，必须借助于收敛-扩张的拉法尔喷管，在收敛段流体速度将被提高到音速，在扩张段通过增大管径使流体继续加速，实现超音速流动。在流体流动过程中温度持续有所下降，足以使天然气中的饱和水凝结析出来，实现气液分离。因此，收敛-扩张喷管是实现天然气超声速流动的核心零件。利用计算流体力学（CFD）技术，采用流体力学分析软件FLUENT，通过合理划分网格，依据CFD的基础理论与湍流模拟理论，确定合理的数学模型、边界条件，采用FLUENT中最精细的雷诺应力湍流模型，应用PC-SIMPLE算法，研究了超音速旋流分离器喷管内的流体物性及流场特性，分析了超音速旋流分离器喷管内的温度、压力、速度等特性参数的变化规律。

关键词:天然气；超音速；喷管；数值模拟

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Numerical Simulation of Gas Supersonic Nozzle

Abstract: Supersonics swirling separator is a major breakthrough in natural gas processing technology. Supersonics swirled separator relies on the nozzle expansion to form a low temperature and supersonic flow, and relies on the speed of sound velocity wing to realize the separation of water and heavy hydrocarbons. In order to achieve the transonic flow of fluid，the convergent - divergent nozzle is adopted. The velocity of fluid will be reached to the speed of sound in the convergent section. In the expansion segment by increasing the diameter, the velocity continued acceleration, and realized transonic flow. Temperature continued to drop in the fluid flow process, and in the end this changed temperature is enough to make the saturated water in the gas out and to achieve the separation of gas and water. Therefore, the convergent - divergent nozzle is the key component of realizing the trans-sonic flow of natural gas. Using computational fluid dynamics (CFD) technology and fluid dynamics software FLUENT, and through the reasonable mesh, according to the CFD theory and turbulence theory, reasonable mathematical model and boundary conditions have been determined. Using most sophisticated Reynolds stress turbulence model in FLUENT and applying PC-the SIMPLE algorithm, the supersonic swirling separator nozzle fluid properties and flow field characteristics are studied. The temperature, pressure, speed and other parameters variation of supersonic swirling separator nozzle are analyses.

Key words: Natural Gas；Supersonics；Nozzle；Numerical Simulation

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目 录

1 绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 课题背景及其目的、意义 ................................................................................... 1 1.2 超声速旋流分离器研究进展 ............................................................................... 2

1.2.1 超音速旋流分离技术结构 ......................................................................... 2 1.2.2 超音速旋流分离器的工作原理 ................................................................. 2 1.3 论文的主要研究内容和研究方法 ....................................................................... 3

1.3.1 论文的主要研究内容 ................................................................................. 3 1.3.2 本论文研究方法 ......................................................................................... 4

2 超音速旋流分离器数值模拟方法 ................................................................................. 6

2.1 引言 ....................................................................................................................... 6 2.2 计算流体动力学(CFD)简介 ................................................................................. 7

2.2.1 CFD中的计算方法 .................................................................................... 7 2.2.2 CFD中的湍流模型 .................................................................................... 7 2.3 湍流数值模拟计算方法 ....................................................................................... 8

2.3.1 湍流模型 ..................................................................................................... 8 2.3.2 离散格式 ................................................................................................... 10 2.3.3 压力插补格式 ........................................................................................... 10 2.3.4 压力与速度的藕合 ................................................................................... 11 2.3.5 网格生成方法 ........................................................................................... 11

3 拉伐尔喷管设计 ........................................................................................................... 13

3.1 稳定段设计 ......................................................................................................... 13 3.2 喉部直径的确定 ................................................................................................. 14 3.3 收缩段设计 ......................................................................................................... 14 3.4 扩张段设计 ......................................................................................................... 15 3.5 高速天然气中的饱和水在喷管内的凝结 ......................................................... 18

3.5.1 液滴成核理论 ........................................................................................... 19 3.5.2 液滴成长理论 ........................................................................................... 19

4 建立数学模型和划分网格 ........................................................................................... 20

4.1 Fluent模拟程序 .................................................................................................. 20

4.1.1 准备工作 ................................................................................................... 20 4.1.2 基本步骤 ................................................................................................... 20 4.2 建模过程 ............................................................................................................. 21

4.2.1 几何建模 ................................................................................................... 21 4.2.2 网格划分 ................................................................................................... 21 4.2.3 边界类型设置 ........................................................................................... 23 4.2.4 Mesh文件的输出 ..................................................................................... 24

5 气液分离数值模拟 ....................................................................................................... 26

5.1 网格处理 ............................................................................................................. 26 5.2 计算模型选择 ..................................................................................................... 26 5.3 设置流体材料属性 ............................................................................................. 28 5.4 操作环境的设置 ................................................................................................. 28 5.5 设置基本相和第二相 ......................................................................................... 28 5.6 设置边界条件 ..................................................................................................... 29

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5.7 设置求解参数 ..................................................................................................... 33 5.8 设置过程中的残值监视器 ................................................................................. 33 5.9 求解初始化 ......................................................................................................... 33 5.10 保存当前Case和Data文件 ............................................................................ 34 5.11 开始迭代 ........................................................................................................... 34 6 模拟结果分析与后处理 ............................................................................................... 36

6.1 流场分布规律 ..................................................................................................... 36

6.1.1 绘制压力分布图 ....................................................................................... 36 6.1.2 绘制速度矢量图 ....................................................................................... 37 6.1.3 绘制温度分布图 ....................................................................................... 37 6.2 天然气喷管的性能分析 ..................................................................................... 37 6.3 喷管收缩比对超音速喷管旋流分离性能的影响 ............................................. 39 6.4 喷管收缩半角对超音速喷管旋流分离性能的影响 ......................................... 40 6.5 喷管喉部l/r对超音速喷管旋流分离性能的影响 ........................................... 40 6.6 小结 ..................................................................................................................... 40 7 结论 ............................................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................................. 43 致谢 ..................................................................................................................................... 45

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1 绪论

1.1 课题背景及其目的、意义

天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支柱。2005年中国天然气产量为493亿立方米，占一次能源消费总量的2.7％。“十一五”规划要求，2010年全国天然气产量要达到920亿立方米，占一次能源消费总量的5.3％。根据已探明的天然气资源分布特征，海上天然气特别是深水天然气的开发将是实现能源供应立足国内战略的重点。

天然气气田从井口出来的气流几乎都为水汽所饱和，并含有少量重烃。含饱和水的天然气进入管线常常造成一系列的问题：（1）增加管线输送的动力消耗，降低输气量；（2）天然气中的CO2和H2S溶于游离水中会形成酸，腐蚀管路和设备；（3）水与天然气形成的水合物结晶造成天然气水合物的局部积累减少输气管道截面积，降低输气量，影响平稳供气，严重时可堵塞管线及其它处理设备，给天然气储运和加工造成很大困难。而重烃的存在也会降低天然气热值，降低输气效率，严重时堵塞管线。因此天然气防冻、脱水和重烃分离是油气集输系统的重要工艺环节。将天然气中的水汽含量控制在工艺流程要求的范围内，才能保证气体输送和轻烃回收工艺的实施。

井口加热节流和加入水合物抑制剂集气工艺是当前天然气开发常规集气工艺，通过节流降低井流压力，损失了高压能量，而加热、注醇又增加了能源消耗，显然常规的加热、注醇工艺被动地解决水合物的冻堵问题，增加了运行设备，提高了天然取得开发成本。

常温分离工艺和低温分离工艺是常用的天然气分离技术，传统的油气分离技术有诸多弊端。如：在天然气集输系统中存在油气分离不彻底、能源浪费、凝析油采收率不高等问题。从天然气中分离水和凝析油通常采取蒸汽压缩制冷、节流膨胀制冷和膨胀机制冷等方法获取冷量，实现低温分离，必要时还需加热或加水合物抑制剂以防水与天然气形成的水合物结晶在管输及后续深冷加工过程中冻堵管线、设备，整个过程极为复杂，耗资巨大，需要庞大的设备，成本和运行费用很高。

深海气田的开发迫切需要提出新的湿气分离原理，开发出结构紧凑、稳定性好，精度高，基本无须维护的模块化设备——超音速旋流分液器，用于从天然气中分离水和凝析油。本课题的研究内容对于完善和发展天然气集输和加工处理工艺、降低深水天然气开发成本都具有十分重要的意义。从国内外天然气气工业的发展来看，超声速旋流天然气分离技术顺应了天然气工业安全、环保、节能降耗、降低开发成本的要求，支持无人值守，顺应边际油气田、沙漠油气田特别是海洋油气田发展的趋势，有着广阔的发展前景。

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1.2 超声速旋流分离器研究进展

1.2.1 超音速旋流分离技术结构

超音速旋流分液技术其理论最初应用于1989年，以空气旋流器的名义获得专利，主要用于空调上，空气加压以超声速流经管道，将水从空气中分离出来。直到 1997年，壳牌石油公司提出并开始研究超声速旋流天然气分离技术，研制出一种名为Twister的超声速分离装置，该技术才在油气加工处理领域受到重视。国内对超声速旋流天然气分离技术的研究刚起步，主要是对国外技术的报道和综述。

超音速旋流分液技术完美地结合了空气动力学、工程热力学和流体力学的理论，将膨胀降温、旋流式气—液分离、再压缩等处理过程在一个密闭紧凑的装置中完成，其技术核心是借助超音速和旋流场使天然气中的水和重烃组分冷凝分离。因此具有密闭无泄漏、无需化学药剂、结构紧凑轻巧、简单可靠（无转动部件）、支持无人值守等优点，从而实现了节约成本和保护环境的双重效益。

超音速旋流分离的结构，主要由拉伐尔喷管、超音速整流管、超音速翼、扩压管等构件组成（图1-1），这些构件形成了一个连通的管道，保证流体能够顺利通过。在超音速旋流分离器中，天然气通过喷管绝热膨胀至超音速，其温度和压力将降低，形成低温低压，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态开始凝结，发生成核现象，并且液滴开始生长，形成气液混合物。然后，气液混合物通过置于喷管后直管道中产生旋流的尾翼，形成强烈的旋流场，在流动中液滴在离心力的作用下旋流到管壁处。因而居于管道中心处的气流变成干气，液体沿管壁流动，而管壁处的气体将包含部分重烃和水分成份。最后，分离器将气流外层与中心处气流分离，实现气体和凝析液的分离。然后干气流入扩压管压缩，减速升压。

图 1-1 超音速旋流分离器结构

1.2.2 超音速旋流分离器的工作原理

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超音速旋流分离器主要工作原理包括：

（1） 拉伐尔喷管用来将气体绝热膨胀至超音速，同时形成低温低压。如温度 200C、压力10Mpa 的饱和天然气通过拉伐尔喷管后，马赫数 Ma≧1，温度骤降为-400C，压力降为3MPa。

（2） 低温使天然气中的重烃和水分开始凝结产生相变，出现液滴。气液混合物贴着尾翼经过直管，形成剧烈的旋流场，液滴受到离心力作用被抛至管壁。

（3） 由于同轴旋流，液体在管壁流动而干气居于主流中心，分离器实现气体和凝析液分离。

（4） 经过一道微弱冲击波，生成的干气接着流入扩压管，速度转化为压力，气流压力恢复到进口压力的 70-80%。分离出的凝析液经过一个液体除气装置除去带出的部分气体，并将这部分气体与干气流会合。

这些处理设备都在一个密闭紧凑的装置里，无移动部件。其中拉伐尔喷管相当于透平膨胀机，低温天然气经过气液分离区的尾翼由轴流变为旋流实现旋流分离，扩压管相当于二次压缩机。

超音速分离器充分利用超音速的优点，在气体处理中运用了从根本上不同的概念。通过有效地将轴功用动能即速度替换，热力学第一定律得到应用。因此，与透平膨胀机中的系统轴功不同，这里是速度增加。因为流体在超音速分离器中的停留时间特别短，这是一个不平衡的瞬态过程。尾翼的作用，产生巨大的离心加速度，约为300000—500000倍重力加速度，无须使用旋转设备来获得这种离心力。另外，因为不需化学药剂，这个过程就显得独特。在极短的停留时间内，水合物形成在动力学中的时间条件不满足，则不会形成水合物。同时也因为这是一个密闭系统，不会存在乙二醇再生设备中诸如乙二醇之类的泄漏问题。

1.3 论文的主要研究内容和研究方法

1.3.1 论文的主要研究内容

本论文的研究范围涉及到旋流分离技术、流体力学、计算流体力学、数值计法和计算机科学等多学科。运用计算流体动力学（CFD—Computational Fluid Dynamics）在计算机上进行计算，得到超音速旋流器内部流场的压力、速度、温度等描述流场特性参数的分布规律。计算得到气液分离旋流器内部流场的分布规律和气液两相流的分离特性。通过对旋流器内部流场的深入研究，掌握流体的运动规律，弄清旋流器的分离机理，能够为旋流装置的结构优化设计和尺寸优化提供理论指导。

主要内容为：

(1) 建立物理和数学模型

在现有的超音速旋流器样机的基础上对其进行合理的简化，以建立相应的物理模型。根据所建立的物理模型得到运行过程的控制方程和定解条件，从而确定其数学模

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型。

(2) 超音速旋流分离器CFD仿真模型建立及网格划分

在计算机上建立旋流器的几何模型。然后采用网格划分技术对计算域进行网格划分。

(3) 边界条件设定

对入口边界、出口边界、壁面条件和近壁条件等作出合理的假设和设定。 (4) 超音速旋流分离器湍流模型研究

研究合适于天然气气液分离旋流器装置的湍流模型，并确定湍流模型。 (5) 超音速旋流分离器CFD数值模拟结果研究

研究气液两相在超音速旋流分离器的流场特性、液滴运动轨迹以及结构参数对其性能的影响，分析内部流场和压力场，数值分析超音速旋流分离器的分离效率。通过数值结果分析得出超音速旋流分离器内部流场的分布规律及分离性能。 (6) 在结果的研究分析上得出相映的结论。 1.3.2 本论文研究方法

流体力学是超音速旋流分离器分析内部流体流动的有效研究手段。通过求解流体力学基本方程，模拟超音速旋流分离器内部流动，可以较全面地反映旋流器内部流动规律，找出影响分离效率的主要因素，替代物理实验所花费的人力及物力。

旋流器的发展情况是理论研究落后于实践。由于旋流器的工作过程是一种极其复杂的三维强旋湍流、两相分离运动，且涉及两相相互作用以及凝聚、破碎、吸附和静电等许多物理现象，致使理论研究遇到了许多在现代流体力学中尚未解决的难题。迄今为止人们尚未充分认识旋流器复杂的内部流场规律和分离机理，仍无法全面掌握其液流运动的内在规律，更不能从理论上上建立一套完整成熟的通用数学模型，致使各种旋流器的设计开发工作和操作运行都带有浓厚的经验主义。

由于试验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流器的性能不仅周期长而且费用高。目前，人们对旋流器的研究重点已从整体特性研究转向流动细节研究，用计算机模拟技术来代替物理实验。以流场湍流数值模拟为主研究旋流器内流体的运动规律，进而优化气液分离器的结构，大大缩短研发周期，具有重要的工程应用价值。

在超音速旋流分离器发展应用初期及以后相当长时期内，理论分析计算上的困难和测试手段的限制，超音速旋流分离器的研究主要集中在分离或分级性能以及操作性能的研究上。即把旋流器视为一个“黑体”（基本上不考虑内部流动状态），通过改变设计和操作参数以及物理特性的外部条件来研究所对应的分离分级性能，从而得到一系列的经验和半经验数学模型，用于指导超音速旋流分离器的设计与运行操作。随着对超音速旋流分离器的深入研究，按照传统的方法进行设计和优化的局限性越来越明显。

计算机的高速发展中，使得应用CFD技术模拟流场成为可能。本课题运用计算

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流体动力学理论，建立适合于超音速旋流分离器内部流场特性的湍流数学模型。通过求解流体力学的基本数学方程，模拟出超音速旋流分离器内部流体的流动状态。分析计算结果得到超音速旋流分离器内部的流动规律。为旋流装置的结构尺寸优化设计提供理论依据，这将对旋流分离技术继续深入研究和应用起到更加积极的作用。

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2 超音速旋流分离器数值模拟方法

2.1 引言

随着计算流体力学和计算机科学迅速发展，数值模拟方法在解决流体力学问题中的地位和作用也发生了很大变化，要使数值模拟技术为工程设计提供高质量、短周期且可靠的分析设计依据，必须要求数值模拟过程中每一环节(数学模型、网格生成、数值算法)及边界条件等都是领先，这决定了数值模拟结果最终的可靠性和实用性。

在流体力学中，描述流体运动基本方法有拉格朗日法和欧拉法：拉格朗日法采用质点坐标(或称拉格朗日变量)研究流体中各个物理量随质点运动的变化规律，因此，拉格朗日法着眼于流体质点，研究各个流体质点在运动中的变化情况；欧拉法采用空间坐标来表示同个流体质点在不同时刻所处的空间位置，因此，欧拉法着眼于空间位置，研究在空间位置上不同时刻流体运动的变化情况。一般粘性流体流动均遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，在欧拉坐标系下，流体流动满足以下基本方程：

连续方程:

d?????u?0 （2-1） dt动量方程:

?du??f???? （2-2） dt 能量方程:

? 式中:

F——单位质量力； σ——应力张量；

e——单位质量流体所具内能； Φ——粘性耗散率； P——流体静压强；

de??p??u???Q???q （2-3） dtq——由辐射或化学能释放等因素而产生系统内单位体积流体热量增加；

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(1) 复变函数法：利用复变函数法的理论可以把相当一批二维不规则区域变换成矩形区域，而且可以得出解析的或部分解析的变换关系式，用此理论构造的贴体坐标的方法仅限二维问题。

(2) 代数变换法：这是利用一些代数关系式来进行区域变换的方法。其有优点是简洁，方便复杂区域变换，及求解偏微分方程组，其缺点是对此法可用来处理边界较简单且光滑的情形，也可以作为其它需用迭代法求解才能生成网格的方法的初始解。

(3) 微分方程法：通过求解边值问题的微分方程来建立物理平面与计算平面上各点间的对应关系，至于这一边值问题的控制方程的类型，物理问题本身并无任何限定。

另外一种是针对SIMPLE算法的网格生成技术，它是在求解动量方程时对压力梯度项处理出现的，困难集中体现在高度不均匀的压力场将被动量方程的特殊离散化形式当作均匀的压力场来处理，同样在离散连续性方程时将会出现波形速度场将被视为合理的速度场而接受，要解决上述问题通常采用交错网格系统，较常用的一种方法是速度向量位于控制体的表面而压力及其它标量位于控制体的中心。

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3 拉伐尔喷管设计

对于超音速旋流分离，要想产生超音速气流，管道的截面形状在亚音速段应是收缩的，在超音速段应是扩张的，以音速处截面积为最小。另外，上下游压差也是必须的，管道先收缩后扩张是必要的几何条件。拉伐尔喷管是使气流膨胀以获得高速流动的主要设备。其结构分为四部分：稳定段、亚音速收缩段、喉部、超音速扩张段。

图3-1 超音速拉伐尔喷管的剖面形状

当天然气通过喷管时绝热膨胀至超声速，其温度和压力将降低，形成低温低压，天然气中的重烃和水蒸汽达到过饱和状态开始凝结，发生凝结成核现象，并且液滴开始生长，形成气液混合物。由于天然气在位于拉法尔喷管的后面的旋流发生器作用下高速旋转。流动中液滴在离心力的作用下旋流到管壁处。因而居于管道中心处的气流变成干气，液体沿管壁流动，而靠近管壁处的气体将包含部分重烃和水分，分离器将气流外层与中心处气流分离，实现气体和凝析液的分离。

在拉法尔喷管内影响气体流动的主要因素有：截面积的变化、换热、粘性摩擦等。实际气体在喷管内流动时，气流与管壁之间有摩擦作用，同时气体还通过管壁向外界散热。但就整个流动而言，摩擦作用是很小的；其次，由于气体的速度很大，管道又不长，气体通过喷管时与管壁接触的时间很短，在没有特殊冷却的情况下，散失的热量与气流的总能量相比也是很小的，可近似地认为是绝热的。气体在喷管中流动，除受上下游压差、换热、粘性摩擦等因素影响外，主要受喷管截面积变化的影响。喷管的结构设计首先是在给定的条件下（进口参数及背压）下确定管形，再根据给定的流量计算有关的尺寸。其实质就是使喷管的外形与截面积的尺寸完全符合气体在降压增速过程中所形成的外形与截面积，以实现将气体的内能尽可能地转化为机械能。

3.1 稳定段设计

稳定段通常为一个等截面管道，下游与收缩段相接，其目的是使进入喷管的气流均匀或降低紊流度。喷管收缩段的设计以均匀来流为前提，如果来流不均匀则收缩段

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出口的气流也不均匀。而气流经过阀门、弯头等装置后，不论是速度还是方向都是不均匀的，紊流度也比较高，甚至主流中还可能存在大尺度的旋涡。因此当气流进入收缩段以前，必须经过一个稳定段，使气流变得比较均匀，从而保证喷管入口流场的品质。

稳定段的直径和喉部的直径Dcr有关，理论上说二者比值越大越好。稳定段的长度需要有足够的长度才能保证来流均匀，一般可取稳定段长度是喉部直径的10倍左右。但是在实际设计中稳定段的尺寸还需实际情况有所变动。

3.2 喉部直径的确定

喉部是气流从亚音速转变为超音速的过渡段，这一段在整个喷管设计中比较重要，该段曲线变化不能太快，因此需选用一段圆弧作为过渡曲线。口喉部截面积决定于气体流量，在饱和蒸气时，喉部直径计算方法为：

A?Q （3-1） ?lVl

其中，Q，kg /h 为气体流量， A为喉部面积，?l喉部气体密度，Vl喉部气体速度。

3.3 收缩段设计

亚音速收缩段是将稳定段来的气流均匀加速至音速。根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的音速流必须是均匀的。经验证明，如果稳定段来流是均匀的，只要有一条光滑连续而又渐变的收缩曲线就能基本满足要求。试验得出M数不同，喉部面积也不同，因而收缩比是随M数而变化的,M数越高，收缩比越大。试验研究结果指出，对于较小的收缩比（如n=8-9），收缩段的长径比一般取L/D=0.70-0.75，加上与位于其上游稳定段内的整流网、蜂窝器等装置组合设计，可以得到令人满意的效果。对于较大一些的收缩比（n=12-13），收缩段的长径比一般取L/D=0.75-0.95。

设计收缩曲线的经验方法是采用维托辛斯基曲线公式，x 为相对坐标，因而有：

R?Rcr??Rcrl??l???R???0????2 （3-2）

?l?x22?23???x??l????3????式中：r0，rcr，r分别为收缩段进口、出口及任意x处的截面半径，l?3L1, L1为收缩段长度。

采用（3-2）式时，若收缩此太大（如大于6），则曲线在前段陡然收缩而后段却几乎不再收缩，如图3-2 所示。气流的陡然收缩，很容易引起分离而破坏气流的均匀

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性。解决的办法是采取“加R”（R=1.25R*）的方法，则可以得到比较满意的收缩曲线。

图3-2 喷管收缩段曲线

3.4 扩张段设计

在超音速旋流分离器中，喷管扩张段是保证分离段获得设计马赫数的均匀气流的重要部件，其作用在于使气流等熵加速膨胀。气流在收缩段从低亚音速均匀加速到音速后，气流从喷管喉部开始均匀加速膨胀，至喷管出口达到所要求的马赫数。面积比保证所要达到的马赫数，而喷管扩张段的曲线形状保证气流的均匀度。一般认为，喷管的设计和加工质量对喷管出口气流性能有决定性的影响。喷管设计的主要问题是解决气动性能、使用性和工艺性三者之间的矛盾。为了在喷管出口处得到合乎设计要求的均匀气流，对喷管壁的曲线设计和加工有非常严格的要求。喷管扩张段的设计可用以下几个指标来衡量其好坏：

(1) 喷管扩张段出口截面的马赫数分布是否均匀； (2) 喷管出口的气流方向是否与出口轴线平行； (3) 喷管出口是否达到设计的马赫数。

本文采用特征线解析法求解扩张段曲线。设计的超音速扩张段曲线如图 3-3 所示，喷管曲ADBC在B点处有最大的斜率，B点称为转折点，转折点B以前的曲线称前段，以后的曲线称为后段。A点为喷管扩张段曲线的起始点，C点为终止点，曲线在C点的斜率为零。

前段曲线用圆弧加直线的方法设计。圆心位于通过喉部的 y 轴上，直线的斜率为tgβB ， βB即为喷管扩张段的最大膨胀角。圆弧与直线相切于D点。圆弧的作用在于使喉部的平直音速流向泉流过渡。此较长的一段直线，有利于气流转变成泉流，并以泉流型式加速。直线段越长，越能使流动接近真正的泉流。喷管扩张段前段曲线作用是使气流加速，把喉部的音速来流变成转折点处的泉流。后段曲线为基于富尔士 法的消波段，其作用是设法将达到壁面的所有膨胀波在壁面的反射消除，把超音速泉流变成满足马赫数要求的均匀平行流，以保证实现出口气流均匀。如果超音速泉流已精确确定，则后段曲线的设计可以无限逼近精确。

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图 3-3 喷管扩张段解析设计

若喷管前段曲线的设计保证了气流达到转折点B处，即圆弧BB’上已成为完全的泉流，则后段曲线BC的设计在于把这个超音速泉流转变成均匀的平行于轴线的流动。如图3-4所示，从B点发出的第二族特征线交喷管轴线于E，显然受BC段曲线影响的区域只能在BE线的下游，在BEB’B区域内，流动仍然是泉流，BE线并不是直线。

图3-4 后段曲线设计

为了要在喷管出口得到具有一定马赫数且平行于喷管轴的平行流，BC段管壁必须要消除每一条达到其上的膨胀波，也就是使其不反射，使BCEB区域成为一个简单波区，从BE线上各点发出的每一条第一族特征线终止于BC上某一点，如图中PN，不与其他马赫线相交，因而都保持直线。气流每经过一条马赫线，向里折转dβ ，马赫数相应增加dM。经过最后一条从马赫线EC，气流与喷管轴平行，马赫数达到设计马赫数。根据泉流区和简单波区的流动特点，可以确定BE线的位置以及由BE线上发出并终止于BE线上的每一条波线的斜角和长度，因而BC线的坐标就确定了。喷管扩张段设计步骤为：

(1) 前段曲线设计

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7 结论

由于利用实验的方法对天然气超音速旋流器分离器拉法尔喷管进行流场分析存在一定的局限性，本论文采用CFD软件中应用最为广泛的FLUENT软件对天然气超音速旋流器分离器喷管进行二维模拟，从模拟过程中得到了以下总结：

(1) 应用FLUENT模拟软件，采用多相流欧拉分析方法，选用雷诺应力模型SIMPLE算法对天然气超音速旋流器分离器喷管内部流场进行数值模拟，验证了此方法的可靠性和雷诺应力模型的优越性。

(2) 对天然气超音速旋流器分离器喷管的内部的流场（压力场、速度场、温度场）进行详细的分析，验证了理论猜想，加强了对拉法尔喷管的认知度。

(3) 在器壁附近油相的体积浓度非常小，几乎为零，从壁面到中心油相的浓度逐渐增大，在溢流口附近处油相的体积分数达到最高。

(4) 天然气的状态方程、热力学参数是进行喷管设计的理论基础。

(5) 对实际流动过程中存在的主要因素进行了分析。喷管入口处来流中含液相时对喷管的流动有一定的影响，采用喉部等直径的方法来适应其流动。

(6) 得到了天然气在喷管扩张段内凝结流动规律，以及凝结时对气流压力、速度、温度等参数的影响。

(7) 增大喷管收缩比和喷管收缩半角可以有效改善喷管旋流分离性能但是当收缩半角大于30o时，其改善效果不再明显。

随着工业的发展，旋流器的应用范围越来越广泛，越来越受到工程界的重视。因此，在计算机性能不断改进的过程中，以及随着研究的不断深入，人们会开发出更多适用于不同行业的旋流装置，其性能也将不断得到提高，从而促进各个应用领域的发展。

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致谢

在毕业设计即将结束之时，我要特别感谢我的导师梁老师，在她的耐心指导和密切关怀下，我才得以顺利完成毕业设计。老师渊博的知识、严谨的治学态度、科学的思维方式和踏实的工作作风将对我以后的人生道路产生深远的影响，使我在以后的工作中将永远保持勤奋踏实、开拓进取的精神。这个学期以来，老师不仅在学业上给予精心的指导，而且在工作、生活等方面都给予了大力的支持与帮助，在论文完成之际，谨向老师致以诚挚的谢意！

在论文完成过程中，得到师兄和同学的帮助，在这里一并表示深深的感谢！ 最后，感谢家人对我的关心和支持，他们是支撑我前进的不竭动力！我会更加努力的学习、工作。

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用解析法表示前段曲线，D 点之前的圆弧表示为：

x≦xD) （3-3） y?R?Rcr?R?x2 (0≦

D点之后的直线采用：

y?(x?xD)tg?B?yD （0≦x≦xD） （3-4）

D点坐标：

xD?Rsin?B,yD?R?Rcr?Rcos?B

转折点B的坐标：

xB?rBcos?B?x0,yB?rBsin?B

由几何关系得，

x0?Rcrctg?B?Rtg?B2

圆弧半径可取为R≥8Rcr。根据经验，在这种情况下，喉部的均匀音速流能够近似地变成泉流。

(2) 后段曲线的设计

① 根据出口马赫数ME，利用公式求出口直径DE：

(k?1)AEMA?1?(k?1)M/2????AAME?1?(k?1)M/2?口马赫数，MA为喉部马赫数。

2E2A?2(k?1)? （3-5）

其中，AE为出口面积，AA为喉部面积，k为气体的比热比（取k=1.238），ME为出 ② 利用ME计算出马赫数在E点的普朗特—迈耶角?E，E点的半径RE和临界半径Rcr的比值?E。公式为：

(k?1)/(k?1)?arctg(k?1)(M2?1)/(k?1)?acrtgM2?1 （3-6）

??2?2?{?2?(k?1)M2?/(k?1)}(k?1)/?2(k?1)?/M （3-7）

③ 确定最大膨胀角?B，利用如下关系式：

?E??E??B,?B??E??B,???B

算出半锥角?,?B,?B，然后利用（2-5）和（2-6）式算出MB和?B的值。

④ P点是马赫线BE上任一点，取马赫数MP 到ME变化，利用公式（3-6）算出?P，再利用公式（2-7）和（2-8）算出BC段曲线的x，y坐标：

2?1?sin?P?F??P?DE?P1?cos?P?MPx????XO （3-8）

24?sin(?/2)?Esin?P?MP?1?cos?P??

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y?{DE/[4?sin(?/2)]}??PF(?P)/?E （3-9）

式中，

2F??P??sin2?P?2(cos?P?cos?)(MP?1sin?P?cos?P)

XO?DE?Acos(?/2)?1?{ctg??[]} 2?E2cos(?/2)[sin(?/2)?cos(?/2)]其中，?P??E??P

但对于喷管扩张段, 为简化设计过程, 取其形状为锥形。由不同渐扩顶锥角的模拟对比发现, 当喷管渐扩顶锥角?(如图3-5所示)在8o到12o范围内变化时, ?对流动特性影响不明显, 实际效果颇佳。当?取10o时, 其流动更接近等熵流。这里取顶锥角?为100。 故有,

L2?D2?DcrD2?Dcr? （3-10） ???2tan5?2tan???2?

图3-5 喷管速扩张段为锥形

3.5 高速天然气中的饱和水在喷管内的凝结

在收敛和扩张管内，将含有饱和水的天然气加速到很高的流速，这将引起温度的降低，可使天然气中的饱和水发生凝结。目前大多数研究者认为在喷管或风洞中水的凝结是有害的，总是想尽办法避开凝结区，一种是采用加热的方法提高温度，一种是在高速风洞中采用巨大昂贵的干燥器取除液体。但与天然气跨音速气水分离的思路恰恰相反，人们试图让天然气在跨音速下，将其中的饱和水尽可能多地凝结出来，使其变成游离的水，通过旋流达到排除液体的目的。

从分子动力学角度看，天然气中饱和水的凝结可分为以下两个阶段：

(1) 液滴凝结成核阶段。凝结核形成区很短，它的延续时间（成核阶段时间）

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约为气体通过喷管时间的1/100，因此通常可以忽略液滴凝结成核时间。

(2) 液滴成长阶段。临界尺寸的凝结核产生之后，由于更多的气水分子在这些液滴表面上不断凝结，这些液滴就经历一个尺寸不断增长的过程。水气的分子在液滴表面上凝结时必然要释放凝结潜热。凝结潜热迅速地由液滴传到周围天然气中去，因此液滴的成长过程在喷管中并不停止。

高速流动的天然气凝结涉及传热传质学、分子动力学、热力学、相变理论、表面物理化学等多方面的理论内容。 3.5.1 液滴成核理论

在热力学平衡条件下，天然气受到冷却，如果天然气的温度降低到其压力所对应的饱和温度以下，就会发生凝结；但在热力学非平衡过程中（如收缩-扩张喷管内的高速流动），由于自由能障（自由能障是指与临界对应的液滴化学势，蒸汽在过饱和状态下是处于一种亚稳定状态的平衡状态，单个分子的化学势即表面能，大于单个液体分子的化学势）的原因，当膨胀越过饱和线时，并不立即凝结，而是继续按照过热蒸汽的性质膨胀，因而偏离了饱和的平衡态，即凝结发生在较高的过冷度下。现代传热学理论认为，凝结与液体沸腾类似，是一个核化过程。由于分子的热运动和相互碰撞，频繁发生分子间的团聚而形成分子团聚，在凝结成核过程中有大量不同的分子聚团不断形成，每个分子聚团，在凝结成核过程中有大量不同大小的分子聚团不断形成，每个分子聚团只有在其尺寸明显大于某以临界尺寸时才能在下一时刻继续存在。 3.5.2 液滴成长理论

液滴成长过程就是稳定的液滴不断获得新的分子而逐渐变大的过程。在实际情况中，液滴成长和核化过程同样重要，凝结过程中传质表现为蒸汽分子不断地撞到水珠表面上凝结成水，而蒸汽分子对水滴表面的撞击频率与Knudsen数有关。Knudsen数的定义是蒸汽的平均自由程与液滴直径的比值。

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4 建立数学模型和划分网格

4.1 Fluent模拟程序

4.1.1 准备工作

在应用FLUENT模拟某个具体流场之前必须要事先考虑好以下几个问题：

(1) 要对所要模拟的流场有一个定性的认识：因为这是选择正确计算模型的主要依据；

(2) 根据所要模拟的流场特性、所需要达到的精度以及计算机处理能力综合考虑，合理地确定模拟精度，其包括几何模型的网格划分精度和计算冗余精度；这对整个模拟过程非常重要，因为Fluent的一个不足之处就是计算量非常大，对于配置较为平常的计算机的计算机来说，这一点尤为重要。

(3) 根据实际流场建立合理的几何模型：简化的要尽量合理的简化，其目的就是要尽量减少计算域，两维能解决的尽量不用三维，另外要合理选择单元网格划分类型以及网格划分精度；

(4) 合理选择计算模型和计算方法：计算模型的选择对流畅的模拟至关重要，要根据所要模拟的流场的特性合理选择数学模型。同样的边界条件，选择不同的计算模型可能会得出截然不同的模拟结果（有时会引起残差图无法收敛），这就要求对所要模拟的流场有一个比较正确的认识，同时要对软件提供的所有模型有一个比较深刻的认识，要能做到心中有数；计算方法包括瞬态计算和稳态计算，对于瞬态计算要合理设定时间步长，这也要根据计算精度和计算机的处理能力来合理选择； (5) 合理选择计算控制参数：它关系到计算结果最终能否收敛的问题，控制参数选择不合理，计算过程可能收敛非常慢，并且增加计算时间，严重时会导致计算发散，无法收敛。 4.1.2 基本步骤

在考虑好以上几个问题之后，就可以正式进入模拟过程，对于一般模拟计算，大致可以分为以下步骤：

(1) 在Gambit下建立几何模型并合理划分网格结构； (2) 选择合理的求解器（solver），将几何模型导入求解器； (3) 检查网格质量并调整网格（如果问题需要）； (4) 选择计算模型； (5) 定义物质特性； (6) 定义边界条件； (7) 确定计算控制参数；

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(8) 初始化流场后开始计算； (9) 后处理（查看计算结果）； (10) 保存文档。

4.2 建模过程

4.2.1 几何建模

拉法尔喷管的几何尺寸，其基本参数见表4-1。

表4-1 喷管的几何尺寸 参数 喷管入口直径（mm） 数值 参数 50 喉部平直段（mm） 数值 3 93.301 138.4 19.53 13.84 32.7 喷管入口温度（K） 293 收敛段长度（mm） 产量 (m/d） 40×10 平稳段长度（mm） 43天然气进口扩张段长度喷管喉部马赫数 1.0 天然气出口直径（mm） 压力（M Pa） （mm） 11 天然气入口22.1 喉部直径速度（m/s） （mm） 本文使用二维模型建立超音速旋流分离器拉法尔喷管结构模型。 步骤1：文件的创建及其求解器的选择

(1) 启动GAMBIT软件；

(2) 建立新文件；选择文件存放路径，即工作路径，在Session Id后面输入“gyh”作为GAMBIT要创建的文件名称，点击RUN进入界面。

(3) 求解器选择。进入GAMBIT界面在标题栏自动显示默认的求解器：“Solver：FLUENT 5/6 ID：gyh”； 步骤2：创建控制区域

(1) 生成二维坐标点； (2) 将点依次连成线； (3) 创建面“face1 .” (如图4-1)； 4.2.2 网格划分

在使用商用CFD软件的工作中，有很大一部分时间是花费在网格划分上的，可以说网格划分能力的高低是决定工作效率的主要因素之一。Fluent软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便于网格的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便。

Fluent划分网格的途径有两种：一种是用Fluent提供的专用网格软件Gambit进行网

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图5-1 基本求解器的定义

图5-2 湍流模型选择

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图5-3 多相流模型选择 图5-4 设置能量方程

(4) 设置能量方程

操作：Define—Models—Energy，选中 “Energy Equation” ，点击OK按钮退出面板。如图5-4所示。

5.3 设置流体材料属性

选择Define—Materials选项，打开Materials面板，点击右边Fluent Database选项，在弹出的对话框中，在Fluent Fluid Materials下窗口选择methane（ch4），点击Copy后点击Close退出。点击Materials面板中Change/Create按钮完成材料水的创建过程。再按照上述方法设置water-vapor。设置完成后，关闭Materials面板。如图5-5。

5.4 操作环境的设置

点击Define—Operation Conditions，打开Operating Conditions对话框，不考虑重力，点击OK，并关闭对话框。设置结果如图5-6所示。

5.5 设置基本相和第二相

操作Define—Phase，打开Phase设置对话框，如图5-7

在图5-7中选择phase-1点击Set，在弹出对话框设置如图5-7所示。同理设置第二相为水蒸汽，如图5-7所示。

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图5-5 设置流体材料属性

图5-6 操作环境的设置

5.6 设置边界条件

(1) 设置fluid流体区域的边界条件

操作：Define—Boundary Conditions 弹出对话框图5-8，默认设置，单击OK。

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图5-7 设置基本相和第二相

图5-8 设置fluid流体区域的边界条件 (2) 设置inlet的边界条件

在Zone下面选中inlet，可以看到它对应的边界条件类型为pressure-inlet，这个区域的设置有两种情况。

一是Mixture相得设置，在对话框的Phase项中选中Mixture,然后单击Set打开如图5-9所示的对话框，具体设置如图所示：

二是关于第二相的设置。在对话框的Phase项选中water，然后单击Set按钮打开如图5-10所示的对话框。将Volume Fraction后面的数值设为0.1，物理意义是inlet处有10%的水汽，单击OK按钮确认设置。

(3) 设置outlet的边界条件

在Zone下面选中outlet，对应的边界条件类型为pressure-outlet，这个区域的设

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置同样有两种情况，如上，具体设置如图5-11所示。

一是Mixture相得设置

图5-9 inlet区域混合相的边界条件设置

二是第二相得设置，将Backflow Volume Fraction后面的数值设置设为0.05，其物理意义为出口处的水汽为5%。单击OK按钮确认设置，具体设置如图5-12。

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