柱状气液分离器数值模拟

柱状气液旋流分离器数值模拟柱状气液旋流器具有体积小、处理能力大、有效分离小体积气泡、分离速度快、分离效果稳定等优点，具有广阔的应用前景。根据油气田采出液的特点，确定旋流分离方案，检测分离气体效果。采用混合模型对多相流动进行处理，得出了气液两相流场的分布规律和分离特性。本文以常规气液分离器为研究对象，进行计算仿真。利用:FD方法，采用流体力学分析软件FLUENT对分离器内部流场进行了研究和分析。离心式气液分离器是依据离心分离原理实现相间的分离，具有结构简单、能耗低、重量轻、应用方便等优点。旋流分离器作为一种新型的净化处理装置，其结构简单、分离效率高、处理量大、经济效益好，成为气液两相分离研究的新课题和新热点。文中用流体动力学软件Fluent对旋流分离器内部流场进行了数值模拟研究，在模拟过程中，采用k-epsilon（2eqn）方程来模拟气相旋流流动。模拟结果表明，旋流分离器内部流场呈旋转分布，分为内、外两个流场，在不同流动区域，气体压力场、速度场分布成规则变化；液滴的运动较为复杂，带有随机性；总体运动轨迹的形状与气相流场的分布趋于一致。1几何模型数值模拟采用的气液旋流分离器模型如图1所示，轴向筒长1.6m（不包括两端的出口长度），入口直径60mm，气体出口直径60mm，液体出口直径60mm，分离器主体筒径为300mm。图1重力式旋流分离器实体模型图2旋流器网格图2数学模型的建立及基本方程为了建模需要，对分离器内部流场进行了理想简化，做出如下假设：理想边界假设：认为分离器内腔壁是物理意义上的光滑无粘壁，即粘度系数为零。稳定性假设：在分离器工作过程中流态为定常流。动量守恒假设：在流体流动过程中流体瞬时的角动量守恒。分散向粒子模型：假定气体均为球状，并在旋流分离的过程中不发生破碎。

相混合假设：假定流体在入口处分散相均匀分布于连续相液体中。并在分散相粒子浓度低于10%时，忽略分散相粒子间力的作用。能量、质量假设：在旋流分离过程中认为质量是守恒的，不存在传质现象。为了反映出流体流动的本质，假定流体是各向异性的，流动是定常的、不可压的。考虑到旋流器内部流体的流动可视为轴对称流动，在柱坐标系下，将速度矢量分解为切向速度u、径向速度u和轴向速度。，当Reynolds应力与应变率的本构方程满足Boussinesq假设t r z时，其控制方程为：d（rpu）dxrDv）八1） 连续性方程L+一=0oz dr2） 动量方程Vz方向动量方程p—(ruv)+p—(ruv)p—(ruv)+p—(ruv)=—r(g+g)dz zz dr rz dzdzdvzrzdzd+—drdp dc 、f+ (2g+g-g)Svz dz dzzzdv I+1drz dz Irdrr(g+^rzv^方向动量方程d+—d+—drr(g+grz |+Srpv2+ t-rSvrT-吐+£〕S+grz)寿pv2+ t-rvt方向动量方程p—(ruv)+p—(ruvp—(ruv)+p—(ruv)=—r(gdzztdrrt dz+grOd+—drr(g+grOI—|+'1d( )dvtS= r(g —g)vtrdr rO zO dr(g+go)v pvvr2 r--rdrSo)湍动能K方程1—(ruK)+1—(1—(ruK)+1—(ruK)=1—rdzz rdrrIrdzrfg+VJdz1d+ rdrrfg+VJdr+Sk其中，Sk=其中，Sk=G—p£0湍动能耗散率e方程:1；。")+1:。")]=1:]r[g+gZ]?

rdzzrdrrrdzV/°Jdz1+rdrrVg+g«Jdr£其中s广；"-c2P。）Sv)fSv)fSvv)+―广+旦1—t+口—t——tSJ、&Jr0[SrrJ上述各式中各向湍流黏度可以表示为：K四,,=C日=CCp—式中p——流体密度；H——分子黏性系数；七——各向湍流黏度;七——湍流黏度各向异性系数，1.0Czz=1.0,C=0.002,C=1.0,C°=1.0,C°=0.00135,Cgg=1.0,C=0.09，气=1.3,Q=3湍流模型1.0目前描述湍流流动规律的数学模型还不成熟，但有些数学模型即便简单，也可以在一定程度上使人们避免做大量的实验研究工作。旋流分离中强旋湍流数值模拟主要采用标准K-E模型、RNGK-E模型、代数应力模型和雷诺应力模型以及离散相模型等。标准K-E模型是基于各向同性的湍流模型，标准K-E模型对切向速度的数值预报夸大了兰金组合涡中的似固核范围，抹煞了似固核外的位涡区；对轴向速度的数值预报未给出中心回流区。RNGk-e的基本思想是把湍流视为受随机力驱动的输送过程，再通过频谱分析消去其中的小尺度涡，并将其影响归并到涡黏性中，以得到所需尺度上的输运方程，这使RNGk-e模型更适应于具有旋转流动的流场计算，提高了对旋转流动的预报结果。同时，RNGk-e模型中的系数由理论公式计算得出而不是依靠经验确定，因此其适应性更强。RNGk-e模型虽较标准k-e模型有所改进，但仍然存在较大缺陷。要在更大程度上改善对旋流器中强旋湍流的预报结果，有必要完全放弃k-e模型，转而采用基于各向异性湍流的代数应力模型或雷诺应力模型。雷诺应力模型（RSM）是基于各向异性的湍流模型，此外，雷诺应力输运方程中的对流项和产生项可以随流线曲率或旋转而自动调节，从而具有更强的描述复杂湍流的能力。考虑到水力旋流器内部为强旋流动，具有各向异性的特点，故本文选用雷诺应力模型。经量纲分析，整理后的雷诺应力方程为：S（ ）S（一）—pU'U'。——卞UUU'♦=D+p+©+eSt ijSx kijijijijijk方程中左端两项分别为应力随时间的变化率和对流项，右端四项分别为：S分子黏性扩散项为D=—ijSxkf旦SUU7]S分子黏性扩散项为D=—ijSxk— i—jQSx\kk）

,一8(——压力应变项为^=-C1P£J'U:-( 2A一.kj3j-C( 2A一.kj3j-C2p--p8黏性耗散项为8——p8^ij3ij上式\ 湍动黏度；k 湍动能；8 湍动能耗散率；8 Kronecker符号;剪力产生的P忽略，这样就形成了封闭的雷诺应力方程组。ij4边界条件离心式气液分离器内的气液两相流动属于气体稀相流动，故将液体相看成连续相，而将气体看成分散相，数值模拟采用混合模型。数值计算时运用分离的隐式求解方法雷诺应力模型。同时，考虑离心式气液分离器内流体的强旋流动，对压力的离散采用PRESTO!(PressureStaggeringOption)法，对动量方程采用二阶迎风差分格式进行离散，速度与压力耦合采用SIMPLE算法，连续性方程的收敛准则为10-5。以流体的物理模型为计算对象，故约束流体的所有固体边界上，都必须定义边界条件。研究中需要涉及到壁面边界和进出口边界。在Fluent计算中，边界条件设置如下：进口边界：根据已知的流量直接给出入口截面法向的时均速度值和气相得体积分数，以及相应的湍流参数(包括湍流强度，水力直径)。出口边界：出口按照湍流流动充分发展处理，采用出流出口边界条件。固壁边界:壁面为无滑移边界条件，默认壁面粗糙度为0.5，采用标准壁面函数法处理边界湍流。5流场数值模拟结果分析1修罚‘1*粗牝瓣焉罚席Q&i-O5.1静压力场分析

1修罚‘1*粗牝瓣焉罚席Q&i-O气-液旋流分离器内部流场分为内旋流和外旋流两部分。外旋流，垂直于轴的横截面静压分布如图1,分布性状比较规则，基本呈现轴对称性，在入口与溢流管的交界空间内存在偏差，但偏差不大。由图2可以看出，在同一截面处相同半径处的静压力大致相等，这说明轴向压力变化不大。内旋流静压的分布在同一截面的相同半径处也相同，呈环状分布，相对于外旋流，内旋流的静压较低。在轴截面上，静压力的分布如图2所示，分布大致呈现轴对称性，在外旋流中，压力分布的整体趋势是在两侧比较大，内测比较小，在内旋流部分，有负压出现。总压沿轴向变化比较小，由于强制涡的出现，总压分布云图出现一定的摆动。5.2流场速度分布分析图3速度迹线图由图3可以看出，气液旋流分离器是靠离心力来进行分离的。气液两相流沿切线方向进入分离器，气-液旋流器的切向速度是多相分离的关键下面就进行速度对分离效率的影响研究。5.3切向速度对分离效率的影响研究分离器工作时可由流量计算出进口速度。在这里假设气体和液体均相进入旋流器，速度相同。取三个不同的流量，分别为150m¥d,300m3d,600myd，其他参数（包括气体体积分数）均相同，得到不同流量的气相体积分数分布图。由上图可以明显的看出切向速度对分离效率的影响，速度越小，离心力也较小，导致分离效率不高；速度越大，离心力也较大，分离效率越高。但是速度不能太大，因为轴向速度影响到流体在旋流器内的滞留时间，速度太大势必减小液相颗粒在流场的滞留时间，不利于分离。150m4O204M^029-01407(3014A014(XlB-UrlA(X)nmA(XkMM3琢013990-013^99-013碰0139&>013物土39SB-UI300m3f00^-01ZCOe-UI150m4O204M^029-01407(3014A014(XlB-UrlA(X)nmA(XkMM3琢013990-013^99-013碰0139&>013物土39SB-UI300m3f00^-01ZCOe-UI700^01r(woirooe-oirCOe-UI7O)n0lrooe-oiFOOisOlA<)915016996硕U99e-UI6009C0&-O8googol9COODl