軸流式脫水型旋流器的流場分析與結構優化

宋民航，韓佳軒

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶163318）①

根據處理液含油量把油水分離旋流器分為脫油型水力旋流器和脫水型水力旋流器。常規脫水型旋流器多采用切向入口形式，其基本結構如圖1所示。其錐段錐角比脫油型水力旋流器的數值要大，且沒有細長的圓柱尾管段，因此長度大幅縮小。另外，脫水型旋流器溢流管直徑要稍大一些，即在宏觀上，被分離介質中含油量增大，溢流管直徑也相應增大，同時圓錐段錐角的數值也相應增大［1］。目前，對脫水型水力旋流器的相關研究較少，本文將利用Fluent軟件對軸流式脫水型旋流器流場進行模擬分析和結構優化。

圖1 常規脫水型旋流器結構

1 分離器結構

近年來，許多國內外學者對水力旋流器的入口形式做了大量的研究工作。馬藝等［2］將軸向導流葉片入口與常規脫油型水力旋流器結構相結合進行了模擬研究。相關研究表明：采用軸向入口的分離器內部流場更加平穩，更利于兩相的分離，具有結構緊湊、壓力降低、處理量大［3］、分離效率高等優點，因此其更適用于井下油水分離系統［4］，具有良好的發展前景。本文在常規脫水型旋流器的結構基礎上，采用軸向螺旋流道入口代替傳統的切向入口，其結構如圖2所示。油水混合物從軸向環形入口進入，經過螺旋入口的起旋作用在旋流腔內部形成高速的旋轉流，從而利用旋流分離的原理達到兩相分離的目的。

圖2 軸流式脫水型旋流器結構示意

2 物性參數及初始計算條件

使用Fluent的前處理器Gambit進行建模和網格的劃分，相比于非結構網格，結構網格在計算中更精確，收斂性也更好［5］，因此本文采用結構網格進行網格劃分。由于在螺旋入口處，混合相流動狀態較復雜，因此在該處對網格進行加密。最終劃分的網格數約為13萬，圖3為旋流器模型入口處的網格劃分示意圖。

圖3 網格劃分

模擬介質為油水混合物，水相的密度為998.2 kg／m3，黏度為0.001 003kg／m·s；油相的密度為889kg／m3，黏度為1.06kg／m·s。湍流模型采用雷諾應力模型，多相流模型采用混合物模型，入口流量為4m3／h（油相含量為50%），經計算入口速度為0.67m／s，溢流分流比55%。選擇速度入口為入口邊界條件，自由出流為出口邊界條件，壁面采用無滑移邊界條件，殘差精度設置為10－5。

3 初始模型流場模擬分析

由于分離器較長，為便于觀察，分別取分離器頂端入口部分和底流出口部分進行分析。由圖4可以看出：經過螺旋葉片的導流作用后，在分離腔軸心處形成了明顯的油核區域，說明采用螺旋葉片入口有利于兩相的分離；溢流口直徑較小，使油核區域在溢流管內部變窄，形成的油核難以從溢流口全部排出。由圖5可見溢流口和底流口截面油相體積分數分布情況，從底流口油相體積分數分布云圖可以看出：油核較明顯，說明有較多的油相從底流口排出。壓力場和速度場分別如圖6～7所示，從流場整體分布來看，其對稱性良好，這與馬藝等的模擬研究［2］相符。通過對初始模型的模擬分析發現，大量的油相從底流口排出降低了分離效率，因此可以對其結構進行改進和優化。

圖4 軸向縱截面油相體積分數分布云圖

圖5 溢流口和底流口油相體積分數分布云圖

圖6 軸向縱截面壓力分布云圖

圖7 軸向縱截面速度分布云圖

4 結構優化

4.1 改變溢流口直徑d

溢流口是影響分離效果的重要結構，因此對溢流口直徑進行重點模擬分析。分別取溢流口直徑d為14、16、18、20mm進行模擬分析。由圖8可見：溢流口處油核隨著溢流口直徑的增大而加大，說明增大溢流口直徑有利于旋流腔內形成的油核從溢流口排出，這是因為保持底流口流通面積不變時，增大溢流管直徑d從而增大了溢流管的流通面積，使油相更容易順利排出。但隨著溢流管直徑d的進一步增大，會導致部分水相從溢流口排出，降低分離效率。由圖8可見：當d＝20mm時，油核最大，溢流口直徑與旋流腔內形成油核的直徑近似相等。

如圖9所示，d＝20mm時油核范圍擴大，但曲線中心附近油相體積分數峰值有所下降，說明不能簡單靠增加溢流口直徑來提高分離效率。從圖8可見，底流出口處仍有大量的油相排出，說明該結構可以進一步的改進。

圖8 軸向縱截面油相體積分數分布云圖

圖9 溢流口油相體積分數分布曲線

4.2 改變底流出口形式

底流管的形式對旋流器的壓力降大小、分離效率的高低等有較大的影響。針對底流出口含油較多的情況對底流口的結構類型進行改進，結構類型如圖10所示：圖10a為常規形式的軸向底流出口；圖10b為將底流軸向出口形式改變為切向的出口形式；圖10c為切向出口加頂端呈錐面凹陷的油核托舉柱的形式。

圖10 底流口結構形式

如圖11所示，從3種類型底流出口的油相體積分數分布云圖可知：改進后的2種底流口結構，在底流出口附近油核消失，說明這兩種結構在很大程度上阻止了油核的排出，但相比之下，方案c效果更加明顯。從圖12的底流口油相體積分數分布情況可以明顯地看出：方案c整體的含油體積分數最低，說明方案c阻油效果較好，分離效率更高。

圖11 軸向縱截面油相體積分數分布云圖

圖12 底流口油相體積分數分布云圖

4.3 改變溢流出口形式

下面通過改變溢流管結構類型來改善圓柱溢流口的出油情況。分別把圓柱溢流管的結構形式變為凸出型溢流管和擴口型溢流管，其具體結構類型如圖13所示：圖13a為常規圓柱形溢流管；圖13b為凸出型溢流管；圖13c為擴口型溢流管。結構相同點是在保持溢流出口直徑不變的情況下，均采用便于收集油核的擴口結構；不同點是凸出型溢流管不伸入旋流腔內，而擴口型溢流管伸入旋流腔內。

圖14為3種情況下的油相體積分數分布云圖。觀察云圖可知：改進后的兩種結構溢流管出口處油核過度平穩，說明2種結構都達到了收油的目的。但相比之下，方案b溢流出口處油核區域更寬。從圖15可以明顯看出：方案b溢流口油相體積分數較高且峰值范圍較寬，說明采用方案b的溢流口結構類型其分離效果最好。

圖13 溢流口結構形式

在脫油型水力旋流器中，溢流管伸入旋流腔有利于降低短路流的作用，防止過多的混合相未經分離直接從溢流口排出，若溢流管不伸入到旋流腔內會使油水混合相未經分離直接從溢流口排出。從以上的模擬分析可見：對于脫水型水力旋流器，由于含油體積分數較高，影響分離效率的主要因素是油核能否順利的從溢流口排出，而短路流對分離效率雖有一定的影響，但不起主要作用。

圖14 軸向縱截面油相體積分數分布云圖

圖15 溢流口油相體積分數分布曲線

5 結論

1） 采用軸向螺旋流道入口與常規脫水型水力旋流器相結合形式的脫水型水力旋流器速度場穩定，但常規的溢流出口結構不利于油相的排出且底流含油量較高，導致分離效率降低。

2） 加大溢流口直徑有利于油核的形成和油核從溢流口的排出，但溢流口直徑不易過大。切向出口加頂端呈錐面凹陷的油核托舉柱的底流口形式可以有效地降低底流出口的含油量，提高底流出口的凈化程度；凸出式溢流管的形式更有利于旋流腔內部流場的穩定、油核的形成和油相的順利排出。通過結構優化，最終改善了油核的排出情況，降低了底流口的含油量，從而提高了分離器的分離性能。

［1］蔣明虎，趙立新，李 楓，等.旋流分離技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.

［2］馬 藝，金有海，王振波.兩種不同入口結構型式旋流器內的流場模擬［J］.化工進展，2009，28：497－501.

［3］蔣明虎，陳世琢，李 楓，等.緊湊型軸流式除油旋流器模擬分析與實驗研究［J］.油氣田地面工程，2010，29（9）：18－20.

［4］楊曉惠.軸流導葉式水力旋流器井下油水分離系統方案設計［J］.石油礦場機械，2011，40（7）：57－59.

［5］劉曉敏，檀潤華，蔣明虎，等.水力旋流器結構形式及參數關系研究［J］.機械設計，2005，22（2）：26－28.