螺旋分離器單相流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

鄭煥軍,孟玲莉,韓洪升

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶 163114; 2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江大慶

163001; 3.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶 163318)

螺旋分離器單相流動(dòng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)

鄭煥軍1,孟玲莉2,韓洪升3

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠,黑龍江大慶 163114; 2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江大慶

163001; 3.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江大慶 163318)

利用PHOEN ICS數(shù)值模擬軟件與PIV實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合方法,分析不同質(zhì)量濃度、流量、工作介質(zhì)的螺旋分離器螺旋流流場分布、壓力場分布和渦量分布.結(jié)果表明:在螺旋分離器螺旋流中,其切向速度遠(yuǎn)大于軸向速度、徑向速度,但徑向速度很小,一般可以忽略;隨著流量、聚合物質(zhì)量濃度的增加,壓力下降速度也增大;在螺旋分離器內(nèi)部壓力呈階梯狀下降,且壓力變化并不均勻,靠近螺旋入口端的壓力變化小于靠近螺旋出口端的;渦旋并沒有在整個(gè)螺旋葉片間的旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)產(chǎn)生,只是產(chǎn)生在貼近葉片上壁和下壁處,即在近壁處更易產(chǎn)生渦旋.該結(jié)果可為螺旋分離器內(nèi)部螺旋流流場的研究提供借鑒.

螺旋分離器;螺旋流;PHOEN ICS;PIV;冪律流體

螺旋流動(dòng)是自然界中廣泛存在的一種特殊的流體紊流運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象[1],在其流動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的動(dòng)能和渦量.螺旋氣液分離器因其制造成本低、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確率高、自動(dòng)化程度高、穩(wěn)定性能好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于石油石化行業(yè),對(duì)螺旋分離器內(nèi)部螺旋流的研究不多[2-3].人們利用“黑箱”法、流場測定法及數(shù)值模擬法等對(duì)旋流分離器及其流場進(jìn)行研究[4-6].

為選砂礦,索羅民 K N利用離心力原理,通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn),設(shè)計(jì)一種螺旋分離器[7].丁訓(xùn)慎介紹蒸氣發(fā)生器中的旋葉式氣水分離器,通過旋葉式氣水分離器的冷態(tài)試驗(yàn),闡述氣水分離器的分離效果及其他工作性能,表明氣水離心分離取決于螺旋葉片與分離筒的結(jié)構(gòu)尺寸[8].為處理聯(lián)合站清罐產(chǎn)生的含油污泥,張瑜瑾等設(shè)計(jì)含油污泥處理流程,采用化學(xué)法污泥系統(tǒng)脫穩(wěn)加機(jī)械分離法,結(jié)合固液離心分離技術(shù),對(duì)含油污泥進(jìn)行絮凝處理,并采用旋流分離器或螺旋離心機(jī)進(jìn)行固液分離試驗(yàn),表明平均分離效率超過90%[9].韓洪升等利用PHOEN ICS數(shù)值模擬軟件建立冪律流體環(huán)空流動(dòng)的數(shù)值模型,將同心環(huán)空冪律流體軸向速度數(shù)值模擬結(jié)果與二維PIV實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,結(jié)果表明數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好[10-12].

筆者利用PHOEN ICS數(shù)值模擬和PIV實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)合方法,定量分析分離器內(nèi)部通過安裝固定螺旋結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的螺旋流,為螺旋流動(dòng)研究與應(yīng)用提供參考.

1 PHOEN ICS數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

(1)坐標(biāo)系:選擇笛卡爾坐標(biāo)系,利用CAD軟件構(gòu)建螺旋分離器模型,然后調(diào)入 PHOEN ICS中;(2)計(jì)算區(qū)域:Δ X=0.052 m,ΔY=0.052 m,Δ Z=0.24 m,設(shè)定螺旋分離器外部套管壁厚為1 mm(見圖1).

圖1 螺旋分離器計(jì)算模型

1.2 邊界條件

(1)流動(dòng)進(jìn)口邊界:定義為速度入口,即入口速度在入口截面上均勻分布且垂直于所在的面;

(2)流動(dòng)出口邊界:定義為自由出口,即不設(shè)定任何邊界條件,在出口處條件為流動(dòng)充分發(fā)展;

(3)壁面邊界:流動(dòng)邊界采用無滑移的固壁條件,并使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法確定固壁附近處流動(dòng).

1.3 物理模型

利用CAD軟件建立物理模型還應(yīng)該包括固體壁面和流體空間信息[13].針對(duì)流體性質(zhì)做假設(shè):

(1)流體運(yùn)動(dòng)可看作是連續(xù)、均勻的不可壓縮流體;

(2)當(dāng)流體處于靜止時(shí),總壓力為靜水壓力;

(3)進(jìn)口為無窮遠(yuǎn)處均勻來流,即入口速度端面分布均勻;

(4)控制體內(nèi)流體的速度與時(shí)間無關(guān),即是穩(wěn)態(tài)流動(dòng).

建立物理模型:

(1)紊流模型:選取 KEMODEL(兩方程模型).

(2)工質(zhì)物性:選取水及質(zhì)量濃度為400 mg/L的聚丙烯酰胺水溶液為研究對(duì)象.在PHOEN ICS軟件中,自行添加所需要工質(zhì)的性質(zhì),將其設(shè)置為冪律流體(POW ER LAW).

(3)迭代次數(shù):選取 Iteration=1.0×104.

1.4 計(jì)算網(wǎng)格

以螺旋分離器內(nèi)部整體流域?yàn)橛?jì)算區(qū)域,采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(笛卡爾網(wǎng)格)進(jìn)行劃分,其優(yōu)點(diǎn)是較非均勻網(wǎng)格更有利于收斂,缺點(diǎn)是對(duì)于復(fù)雜粗糙的結(jié)構(gòu)表面,要求劃分的網(wǎng)格數(shù)量比較多.針對(duì)變化劇烈的區(qū)域,利用PHOEN ICS軟件自帶的PARSOL(Partial Solids Treatment)處理技術(shù),對(duì)其進(jìn)行區(qū)域局部加密,而沒有在整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上加密,這樣既保證計(jì)算精度,又提高效率.

1.5 流場分析

螺旋分離器計(jì)算模型 X-Y截面速度矢量見圖2,三維速度矢量見圖3.由圖2和圖3可以看出,在分離器內(nèi)部,流體沿分離器內(nèi)壁呈螺旋形式流動(dòng),產(chǎn)生螺旋流,其軸向速度從入口到出口有明顯變?nèi)踮厔?且在軸向截面處,進(jìn)入螺旋葉片的速度大于離開螺旋葉片的,螺旋流動(dòng)有明顯減弱趨勢.因此,若要保持一定的螺旋流強(qiáng)度,應(yīng)考慮增加合適的起旋裝置.

圖2 X-Y截面速度矢量

圖3 三維速度矢量

1.6 壓力場分析

以流量Q為1.80 m3/h,質(zhì)量濃度為400 mg/L的聚合物溶液為計(jì)算原型,得到壓力分布云圖、壓力分布曲線見圖4,其中紅色代表壓力最大值,藍(lán)色代表壓力最小值,其他顏色代表壓力中間值.由圖4(a)可見,對(duì)于分離器內(nèi)部,流體在未進(jìn)入螺旋段之前,壓力沒有發(fā)生變化;當(dāng)進(jìn)入螺旋段后,在每一層螺紋葉片流道內(nèi)流動(dòng)壓力呈階梯狀下降.由圖4(b)可見,在不同位置的螺旋葉片間的旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)壓力變化并不均勻,其階梯狀分界面即是螺旋葉片,靠近螺旋入口端的壓力變化小于靠近螺旋出口端的,反映螺旋分離器內(nèi)部螺旋流形成逐漸衰弱的趨勢.

圖4 質(zhì)量濃度為400 mg/L、流量為1.80 m3/h時(shí)的壓力分布

在不同流量、工作介質(zhì)條件下螺旋分離器的壓降不同(見表1).由表1可以看出,隨著流量、聚合物溶液質(zhì)量濃度的增加,壓力下降的速度也在增大;在螺旋分離器內(nèi)部非牛頓流體的壓力變化大于牛頓流體的,且非牛頓性越強(qiáng),壓力變化越大.在各個(gè)工況下,螺旋分離器的能耗普遍較低,屬于低能耗設(shè)備,因此具有很好的推廣性.

表1 不同流量、工作介質(zhì)條件下的壓降 kPa

2 PIV實(shí)驗(yàn)

PIV(Particle Image Velocimetry)是一種能夠把流體的運(yùn)動(dòng)情況直觀清楚顯示,而對(duì)整體流動(dòng)沒有影響的可視化儀器,已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的重要研究手段[14].實(shí)驗(yàn)時(shí)的介質(zhì)及操作條件與數(shù)值模擬時(shí)的相同,溫度為20℃.

實(shí)驗(yàn)裝置由PIV測試系統(tǒng)和垂直實(shí)驗(yàn)管道系統(tǒng)組成.首先由螺桿泵將水箱內(nèi)待測量液體從水箱下部抽出,經(jīng)由地面鋪設(shè)的與垂直環(huán)空玻璃管道相連接的鋼管,自下而上流入垂直實(shí)驗(yàn)管道;然后經(jīng)過出口和連接管道再自上而下地流回水箱,如此循環(huán).依次進(jìn)行水、質(zhì)量濃度為400 mg/L的聚合物溶液的螺旋流實(shí)驗(yàn).

2.1 流場分析

在螺旋流動(dòng)中,質(zhì)量濃度為400 mg/L、不同流量時(shí)的速度曲線見圖5.由圖5可以看出,在分離器內(nèi)部螺旋段的流動(dòng)是一種強(qiáng)勢旋流,其切向速度占速度優(yōu)勢.通過對(duì)比速度曲線,可以看出徑向速度小于軸向速度和切向速度,因此在通常的計(jì)算中可以忽略考慮徑向速度的影響.在徑向的紊流核心區(qū)域小于在切線方向的,這有助于氣液兩相的分離.

圖5 質(zhì)量濃度為400 mg/L、不同流量時(shí)的速度曲線

在螺旋分離器中,切向速度對(duì)分離器性能的影響最大,它代表沿管道圓周方向的流動(dòng).質(zhì)量濃度為400 mg/L、流量為1.50 m3/h時(shí)的速度云圖和流線圖見圖6.由圖6可以看出,切向速度沿徑向方向紊流核心區(qū)較寬,這是由強(qiáng)旋流離心作用形成的,有利于氣液兩相的分離.

圖6 聚合物溶液質(zhì)量濃度為400 mg/L、流量為1.50 m3/h時(shí)的速度云圖和流線圖

2.2 渦量分析

實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水、流量為1.05 m3/h時(shí)的渦量圖見圖7,流量為1.05,1.97,2.36 m3/h時(shí)的渦量與徑向距離關(guān)系曲線見圖8.質(zhì)量濃度為400 mg/L、流量為0.97 m3/L聚合物溶液時(shí)的渦量見圖9,流量為0.97,1.50,1.80 m3/h時(shí)的渦量與徑向距離關(guān)系曲線見圖10.由圖7-10可以看出,渦旋并沒有在整個(gè)螺旋葉片之間的流道上產(chǎn)生,而只是發(fā)生在貼近流道上壁和下壁處,即在近壁處,更容易產(chǎn)生渦旋.在這兩處產(chǎn)生的渦量方向相反,處于上方的渦為正渦,處于下方的渦為負(fù)渦,且正渦的數(shù)值小于負(fù)渦的,這與螺旋流動(dòng)中螺旋流強(qiáng)度的衰減趨勢吻合.

圖7 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水、流量為1.05 m3/h時(shí)的渦量

圖8 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水、不同流量時(shí)渦量與徑向距離關(guān)系曲線

圖9 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為質(zhì)量濃度400 mg/L、流量為0.97 m3/h聚合物溶液時(shí)的渦量

圖10 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為質(zhì)量濃度400 mg/L、不同流量聚合物溶液時(shí)的渦量與徑向距離關(guān)系曲線

3 結(jié)論

(1)在螺旋分離器內(nèi)部螺旋流動(dòng)中,切向速度要遠(yuǎn)大于軸向速度、徑向速度,但徑向速度很小,一般可以忽略其影響.

(2)在螺旋分離器內(nèi)部產(chǎn)生的螺旋流,其軸向速度從入口到出口有明顯變?nèi)踮厔?且在軸向截面處,進(jìn)入螺旋葉片的速度大于離開螺旋葉片的,即分離器內(nèi)部的螺旋流動(dòng)有明顯減弱趨勢.

(3)隨著流量和聚合物質(zhì)量濃度的增加,壓力下降速度也在增加.同時(shí),螺旋段徑向壓差很小,對(duì)于軸向壓降可以忽略徑向壓降.牛頓流體(介質(zhì)為水)的壓力變化小于非牛頓流體(介質(zhì)為聚合物溶液)的,且非牛頓性越強(qiáng)壓能損失越大.

(4)在螺旋分離器內(nèi)部壓力呈階梯狀下降,且在這種壓力變化并不均勻,靠近螺旋入口端的壓力變化小于靠近螺旋出口端的.

(5)在螺旋分離器內(nèi)部渦旋并沒有在整個(gè)螺旋葉片間的旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)產(chǎn)生,而只是產(chǎn)生在貼近葉片上壁和下壁處,即在近壁處,更容易產(chǎn)生渦旋.在這兩處產(chǎn)生的渦量方向相反,處于上方的渦為正渦,處于下方的渦為負(fù)渦,且正渦的數(shù)值小于負(fù)渦的.

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Numer ical simulation and experimental research of flow field in spiral separator/2011,35(2):68-72

ZHENG Huan-jun1,M ENG Ling-li2,HAN Hong-sheng3
(1.Oil Recovery Plant N o.6,Daqing Oilfield Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 163114,China;2.Oil Recovery Plant No.1,Daqing Oilf ield Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 163001,China;3.Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery of M inistry of Education,N ortheast Petroleum U-niversity,Daqing,Heilongjiang 163318,China)

U sing the methods of numerical simulation fo r PHOEN ICS and PIV experiment,the paper gives a quantitative analysisof the distribution of flow field,distribution of p ressure field and distribution of vo rtex fo r different viscosity and different flow rates.The results show that in the spiral flow,its tangential velocity ismuch larger than the axial velocity and radial velocity,w hile radial velocity is so small that its impact can generally be igno red.W ith the increasing of the flow rate and polymer concentration,the speed for p ressure drop is increasing.Internal p ressure w ithin the separator is stepped dow n,and this change is not unifo rm,the change of p ressure near the inlet of screw is less than near the outlet of screw.In the spiral flow,the vortex is not appeared in the w hole spiral flow between the rotating field,but only appears on the w all of the spiral leaves and under the wall,that means it’s mo re p rone to appear vortex near thew all.The simulation resultsand experimental results could supp ly reference fo r future research about spiral flow field w ithin the spiral separato r.

spiral separator;spiral flow;PHOEN ICS;PIV;pow er-law fluid

TE992

A

1000-1891(2011)02-0068-05

2010-08-26;審稿人:富海龍;編輯:任志平

鄭煥軍(1973-),男,博士生,高級(jí)工程師,主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究.