油－水旋流器粒級效率數值模擬

華衛星，鄧松圣，張 寧，曾興剛，高松竹

（1．解放軍后勤工程學院a．研究生管理大隊；b．軍事供油工程系，重慶401311；2．濟南軍區聯勤部軍需物資油料部，濟南250022；3．成都軍區聯勤部油料裝備修理所，成都610051）

油－水旋流器粒級效率數值模擬

華衛星1a，鄧松圣1b，張 寧2，曾興剛1a，高松竹3

（1．解放軍后勤工程學院a．研究生管理大隊；b．軍事供油工程系，重慶401311；2．濟南軍區聯勤部軍需物資油料部，濟南250022；3．成都軍區聯勤部油料裝備修理所，成都610051）

在對油－水旋流器的流場模擬基礎上，采用RSM湍流模型和Mixture模型對其分離特性和粒級效率進行模擬。結果表明：在旋流器中，不同粒徑的顆粒運動軌跡不同，離散相顆粒的分離效率隨著粒徑的增大而增大；不同粒徑的流體質點在同一旋流器中的運動軌跡、速度、分離特性等方面都有較大的差別；旋流器的軸心處會形成油核，且油核的形狀與油滴的大小直接相關，旋流器的主要分離過程在圓錐段完成。

旋流器；油水分離；數值模擬；粒級效率

旋流器是典型的分離裝置，在鉆井平臺、油氣集輸站等場所中的應用越來越廣泛［1］。旋流器內的流場復雜，通常伴隨著高雷諾數的強湍流場。目前對于湍流場的研究還不夠深入，因此對于旋流器的分離原理也一直存在爭議，沒有統一的結論［2－9］。

目前對于旋流器的研究方法主要有3種：理論研究、實驗研究和數值模擬研究。隨著計算機技術的提高，數值模擬方法經濟、快速，兼具理論和實驗的優點，應用范圍越來越廣泛。然而，前人所做的數值模擬是集中于旋流器的流場模擬和結構變化，對于多相流模型和粒級效率的研究比較少。

本文采用數值模擬軟件Fluent，將RSM模型與Mixture模型相結合，對顆粒軌道進行模擬，有效地模擬了油水分離過程。從實際應用效果看，多相流模型在旋流器的模擬中具有真實、準確、操作性強等特點，值得在旋流器的研究中進行推廣。

1 多相流數學物理模型

Fluent提供了3種多相流模型，分別是VOF（Volume Of Fluid）模型、Mixture模型和Eulerian模型。其中，Mixture模型是假設在小尺度空間上各相局部平衡，通過對不同速度的各相分別進行模擬，求解混合物的N－S方程，得到各相的體積分數和速度代數表示；適用于模擬相間耦合比較強的各相同性多相流和以各相速度相同的多相流；常用在沉降、旋流器、微粒流、泡狀流和交換流等流動上［10－14］。其控制方程是：

1） 連續性方程

2） 動量方程

3） 能量方程

4） 第k相的體積分數方程

式中，ρm為混合密度；＾m為質量變化率為質量平均速度；αk為第k相的體積百比為體積力；μm為混合物粘度為第k相的滑移速度；SE為體積熱源；keff為有效熱傳導率。

本文研究旋流器的結構參數如表1。

表1 旋流器的結構參數

采用前處理軟件Gambit對旋流器模型進行網格劃分，如圖1，有353 421個節點、988 612個網格和211 401 0個面。

圖1 旋流器的有限元網格

2 模擬結果分析

含油混合物從入口進入旋流器，在旋流器的特殊結構下產生離心力場作用，油和水因自身的密度不同，較輕的油相向旋流器中心移動，并分布在軸心附近，之后在流場的作用下向上運動，從溢流口排出；密度大的水相則向旋流器器壁方向移動，并主要分布于壁面附近，同時沿著壁面向下運動，最終從底流口排出；油相隨著軸向位置的變化，其分布也逐漸變化，從圓柱段到小錐段逐漸變小，其分布濃度也趨于平穩，而水相則相反。旋流器內部的油相分布云圖如圖2所示。

圖2 x＝0和z＝0．02截面的油相云圖

通過多相流模型，對不同顆粒粒徑的油滴在旋流器中的運動軌跡進行模擬，結果如圖3所示。

圖3 不同粒徑顆粒在旋流器中的軌跡對比

1） 1μm顆粒的伴隨性非常好，沿著入口、壁面一直向下運動，最終與水一起從底流口排出；只有非常少的一部分在圓柱段進入到上升通道，從溢流口排出，分離效果非常差。因此，小粒徑的油相顆粒在該結構的旋流器內非常難分離。

2） 10μm顆粒的運動軌跡就有明顯的改變，相當一部分能夠在進入小錐段之前離開壁面，向下運動的數量明顯減少，一部分進入到小錐段中的顆粒能夠在流場的作用下進入上升通道，從溢流口排出，說明了旋流器的分離作用對這個粒度的顆粒有效。

3） 從50μm的顆粒在旋流器中的運動軌跡可以明顯地看出，在錐段形成了油核，油核從大錐段到小錐段逐漸變窄；沿著壁面向下運動的油相顆粒大幅減少了，軌跡與10μm的顆粒相似，所不同的是在進入溢流口的油相顆粒數量。

4） 從100μm的顆粒在旋流器中的運動軌跡可以看出，絕大部分的顆粒都在大錐段離開了壁面，從各個區域或是直接進入溢流口，或是經過旋轉進入油核，或是在小錐段逐漸上升，基本上所有的油相顆粒都得到了分離，說明這個結構的旋流器對該尺度的油相顆粒分離比較徹底。

其粒級效率如圖4所示。

圖4 旋流器的粒級效率曲線

由圖4可以看出：分離效率隨著顆粒粒徑的增大而增加，當顆粒粒徑＜20μm時，分離效率下降的很快，可見該結構的旋流器很難分離＜20μm的油滴；當顆粒粒徑為40μm，分離效率約為50%；當顆粒粒徑＞100μm，分離效率＞80%。說明該旋流器的工作條件就是對于粒徑＞100μm的油滴進行分離，而不可避免地會有較小粒徑的油滴進入底流口，因此也就需要進一步地處理。根據前面的模擬結果，當顆粒粒徑設為1mm時，水相在溢流口的體積率降到了20%以下，同時分離效率上升到99%以上；當顆粒粒徑設為1μm時，分離效率就下降得非常快，因此，該結構的旋流器對于＜1μm的離散相，分離效果很差。

3 結論

1） 本文采用數值模擬軟件Fluent，將RSM模型與Mixture模型相結合，對旋流器的分離特性和顆粒運動軌跡進行模擬，得到了離散相的分布特點，繪制了旋流器內的粒級效率，進行最優運行參數預測，探索旋流器的分離規律，進而對旋流器進行優化設計。

2） 本文只考慮了影響旋流器分離效率的顆粒粒徑，而實際工作中影響因素較多，例如結構因素、混合物因素和環境因素等，可以采用正交試驗的方法，分別對其進行模擬，并進一步得出旋流器的優化設計方案，可以在實際工作中起到參考作用。

3） 對于不同的旋流器進行模擬時，應當在充分考慮各種影響因素的情況下，根據不同的環境和需要，采用最佳的模型和算法，并通過與實驗值對比，進而得到更為準確的模擬結果。

Numerical Simulation for Particles Efficiency in Oil－Water Hydroclone

HUA Wei－xing1a，DENG Song－sheng1b，ZHANG Ning2，ZENG Xing－gang1a，GAO Song－zhu3
（1．a．Department of Postgraduate Management；b．Department of Petroleum Supply Engineering，PLA Logistics Engineering University，Chongqing401311，China；2．Quartermaster Materials and Oil Division of Jinan Military Region，Jinan，250022，China；3．Combined Services Force of Chengdu Military Region，Chengdu，610051，China）

The research is based on simulation of flow field in oil－water hydrocyclone．The RSM turbulence model and Mixture model is used in the simulation of separation characteristics and particles efficiency．The results show that：because of different sizes，the orbits of particles are different；the separation efficiency of discrete phase particle increases when the particle size is larger and larger；most characteristics of fluid particles in the same structure trajectory，such as speed，separation and so on，is much more different．This proves that the oil core exits in the centre of the hydrocyclone，and the shape of the oil core is relative with the magnitude of oil particles；the main process of separation occurs in the cone．

hydrocyclone；separation of oil－water；numerical simulation；particles efficiency

book=15,ebook=15

TE931．101

：A

1001－3482（2012）06－0043－04

2011－12－06

重慶市科技攻關項目（CSTC，2010AC7034）；重慶市自然基金項目（CSTS，2009BB7177；CSTC，2008BB7142）；重慶市教委重慶市高校優秀成果轉化項目（KGZH11223）；后勤工程學院博士創新基金

華衛星（1987－），男，河南漯河人，主要從事多相流分離研究，E－mail：huaweixing01＠163．com。