基于CFD葉片式水力旋流器結構參數優選

代佳鑫 王妍瑋 高娜

摘要：在特定的油水性質下，水力旋流器分離效率的影響因素有操作參數和結構參數。操作參數的優化可以達到高分離效率，但受結構限制，故結構改進對油水分離效率具有一定空間。本文采用 CFD 軟件對葉片式旋流器結構進行優化設計，模擬得到在該結構條件下最佳的旋流腔長度、錐角度、溢流口伸入長度、溢流口直徑。

關鍵詞：CFD;水力旋流器;模擬;結構參數

1.前言

目前我國陸上油田普遍采用注水開發，大油田基本已進入高含水期，后期處理成本不斷提高，而石油石化工業含油廢水是一種典型的有機廢水對環境危害嚴重，故其處理效果直接影響環境。水力旋流器是一種新型的油水分離裝置，無化學反應、無運動部件、結構緊湊。越來越多的學者開始研究旋流器，其中葉片式旋流器是一種新型的離心分離裝置，分離器結構，介質從左側方向軸向入口進入，途經導流葉片產生高速旋轉流，介質在腔內高速旋轉，重質相聚集在內壁由底流口排出，輕質相聚集在軸心處由溢流口排出，可實現不互溶多相介質的分離處理。本文通過CFD數值模擬，對葉片式水力旋流器進行優化結構參數。

2.模型分析及結果分析

模擬初始模型結構尺寸：穩流段長度50mm，旋流器入口直徑為50mm，導流段長度100mm，錐段半錐角為θ=3°，旋流段長度50mm，尾管段長度20mm，溢流管直徑10mm，尾管段直徑20mm，溢流段長度為20mm。導流葉片高度h=100mm，葉片數量n=4，準線包角φ=90°，外準線半徑為25mm，葉片的內準線半為5mm，直線段包角α=30°。

根據對初始模型的模擬分析，其分析結果如下，因為液-液水力旋流器是利用不互溶介質間的密度差而進行離心分離，離心力與速度的二次方成正比，不考慮剪切應力的條件下在一定范圍內速度越大越利于油水的分離。可以看出速度呈對稱分布，說明流場穩定，呈對稱分布的軸向速度，溢流出口中心處速度達到最大值;徑向速度分布呈現對稱性;切向速度分布呈對稱性，在溢流管處，切向速度從軸線位置開始逐漸增大到最大值然后降低。

混合相通過軸向入口進入旋流器內部后，經過導流葉片的造旋作用，油滴受離心作用向流場中心處聚集，從而由底部溢流口排出;溢流口壓力降呈現對稱分布的趨勢，兩邊低中間最高。但是整體看，針對初始模型的模擬分析，初始模型對油水混合相有一定的分離效果，為提高分離效果，對其具體的結構參數進行模擬以確定最佳的結構參數，從而提高該結構類型的分離效率。

3.結構參數對分離性能的影響

3.1旋流腔長度的影響

旋流腔長度lx即導流葉片結束處到錐段開始之間的部分，為分析旋流腔長度對分離效率的影響，對旋流腔長度進行了模擬，改變旋流腔長度數據為20、50、100和150、200、單位mm進行模擬。

前兩組旋流腔長度數據并沒有明顯的區別，隨著旋流腔長度的增加軸向截面最高油相體積分數逐漸降低，說明加大旋流腔的長度不利于分離。

隨著旋流腔長度的增大，溢流口處油相體積分數先增加后減小，并在旋流腔長度50mm時溢流口處油相體積分數達到最高，隨著旋流腔長度的增大，溢流口壓力降逐漸減小，水力旋流器內部形成由準自由渦和準強制渦構成的組合渦結構，實現旋流分離，壓力損耗是必須的，即水力旋流器是利用壓力的消耗來獲得分離所需能量。但這容易產生一個理解上的誤區，認為水力旋流器的壓力降越大，分離效果越好。而事實上，水力旋流器消耗的全部壓力降并非都是必要損失。從分離效率角度看，因為各尺寸旋流器壓力降相差不大，當不考慮壓力降的影響時，由溢流口油相體積分數分布曲線可以看出，當旋流腔長度為50mm時，其溢流口液相體積分數最高，綜合考慮溢流口油相體積分數分布曲線情況，取旋流腔長度為50mm為最佳的旋流腔長度。

3.2半錐角的影響

半錐角不同，水力旋流器的結構則不同，而對于每一種水力旋流器都有一個最佳的處理量，在該流量下水力旋流器的分離效率達到最高。相反，分別改變錐段角度為2°、2.5°、3°、3.5°和4°進行模擬。

半錐角影響最佳范圍處理量，改變半錐角進行模擬，確定在一定范圍內的處理量條件下的最佳半錐角。隨著錐段角度的增加，軸向截面最高油相體積分數變化很小。

隨著錐段角度的增加，最大油相體積分數幾乎保持不變;隨著錐段角度的增加，溢流口壓力降先增大后降低，在錐段角度為3°和3.5°時，壓力降數值上相近，有小幅度的降低。θ=2.5°的徑向壓力降最大，小錐角θ=3°和θ=3.5°時，徑向壓力降相差不大，但都小于θ=1.5°時的徑向壓力降。隨著小錐角θ的增加，徑向壓力降在軸心附近逐漸增大，在邊壁附近逐漸降低。徑向壓力降的增加可以加大油滴的徑向受力，這就增加了小粒徑的油滴向內旋流區運移的幾率，從而提高分離效率。

綜合考慮幾種情況的溢流口油相濃度分布和分離效率情況，取錐段角度為3°為最佳的錐段角度。

3.3溢流結構伸入長度的影響

對溢流結構伸入長度進行模擬分析，研究其對分離效果的影響，以確定較好的結構尺寸。分別改變溢流口伸入長度為0mm、20mm、40mm、60mm和80mm，其他參數不變，進行模擬。

隨著溢流口伸入長度的增加，軸向截面最高油相體積分數變化不大。隨著溢流口伸入長度的增加，最大油相體積分數幾乎保持不變;隨著溢流口伸入長度的增加，溢流口壓力降逐漸增大。從分離效率角度看，器壁附近壓力降低，軸心附近形成低壓區，溢流口伸入長度為0mm時比其他伸入長度的徑向壓力梯度要大。徑向壓力作為旋流器的重要物理參數，在一定范圍內，徑向壓力梯度越大越利于油水分離。當溢流口伸入長度為0mm時，其徑向的壓力梯度最大，最有利于油水，故選取最佳的溢流口伸入長度為0mm。

3.4溢流口直徑的影響

溢流口結構形式是旋流分離器的重要部分，分離過程中循環流和短路流都與溢流口結構形式有很大關系，故分析溢流口的結構形式進行優選。分別改變溢流口直徑為8mm、10mm、12mm和14mm、16mm，對溢流口直徑進行模擬，研究其對分離性能的影響。隨著溢流口直徑的增加，軸向截面最高油相體積分數有小幅度的降低，說明增加了溢流口直徑，不利于油核的形成，不利于油相體積分數的提高。

在一定范圍內，隨著溢流口直徑的增加，軸向截面最高油相體積分數有小幅度的降低，說明加大了溢流口直徑之后，不利于油核的形成，不利于油相體積分數的提高。從溢流口壓力降曲線綜合考慮分離性能，溢流口直徑為10mm為較佳的溢流口直徑。

4.結論

研究基于計算流體力學軟件CFD模擬葉片式水力旋流器的結構，通過軸向進液，同向出流的單級旋流器結構研究，實現同井注采工藝。對旋流器的結構參數優選，確定旋流器旋流腔長度lx=50mm、半錐角θ=3°、溢流口直徑dy=10mm、溢流段伸入長度ly=0mm、葉片包角φ=150°。在實踐應用中可以利用已有的數據通過流體機械相似理論進行油田樣機設計，為其提供理論數據支撐。

參考文獻：

[1]趙立新，代佳鑫，等.葉片式水力旋流器操作參數優選[J].流體機械，2013，41（10）：7-9.

[2]代佳鑫.井下導流式旋流器研究[D].東北石油大學，2014.

項目基金：國家科技部創新方法專項子課題（名稱：創新人才培養-黑龍江技術創新方法的推廣與應用，編號：2017IM010500-1）;哈爾濱石油學院科學研究基金項目資助課題“基于計算流體力學的城鎮污水處理研究”（HIPJJ201923）