管柱式氣液旋流分離器速度分布數(shù)值模擬

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1、2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U n

2、iversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 洪 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 ? 1994-2010 China Academic Journ

3、al Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 （中國石油大半成人教育半院?山東東營25706D [ 1用計算流體力學(xué)原理和方法.以SMPLE算法為基礎(chǔ).對分離器內(nèi)部兩相流速度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬?計 算得到了管柱式氣液旋流分離器內(nèi)流體流動的速度分布。計算結(jié)巣理論分析及實驗現(xiàn)象相吻合?證明了摸塑和計

4、算的正確 性?在兩相模擬中?模擬出了分離器下方速度反向區(qū)與理論分析相一致。把切向速度作為徑向位直的線性函數(shù)、擾流強(qiáng)度作為 分離器截面位直的函數(shù)是可行的。這對評價分離器的分離性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的意艾。 [ 1氣液分離；旋流分離器：速度分布；教值模擬 [ JTE832 | JA [ 11673-5935 （2006 ）01-0017-03 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Jour

5、nal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 管柱式氣液旋流分離器

6、是依靠旋流離心力實現(xiàn)氣液兩 相分離的新生氣裁分離裝直?它是帶有傾斜切向下入口和氣 體及液體出口的垂直管（圖丨）?既沒有可移動部件.也無需內(nèi) 部裝直。代液混臺物由切向入口進(jìn)入旋流分離器后形成的旋 流產(chǎn)生了比重力商出許多倍的離心力，由于氣液相密度不 同?所受離心力差別很大?重力、離心力和浮力朕合作用將氣 體和液體分離。液體沿徑向被推向外側(cè)?并向下由液體出口 排出：而氣體則運動到中心，并向上由氣體出口排出。影響分 離器分離效果的因素很多?如分離器結(jié)構(gòu)、工況、介質(zhì)等.由 干實驗條件的限制?單純依靠實驗研究來進(jìn)行優(yōu)化是不現(xiàn)實 的。在現(xiàn)有的實臉條件下.想要獲取分離器內(nèi)負(fù)奈的水力流 動待性.其投資是很昂貴的

7、。但可以運用高性能計算機(jī)結(jié)合 計算流體力學(xué)（CFD）模擬軟件對童奈幾何體內(nèi)的流體流動 進(jìn)行數(shù)值模擬?研究分離器內(nèi)流體的流動規(guī)律?預(yù)測分離器 的分離效率?則可*省開發(fā)費用.縮短開發(fā)周期。筆者對分離 器內(nèi)部入口下方段速度分布進(jìn)行了數(shù)值棋擬研究。  圖2為管柱式氣液旋流分離器網(wǎng)格系統(tǒng)圖。幾何模型采 用設(shè)計實驗用分離器時的實際模塑?分離器內(nèi)徑為100 mm. 傾斜入口角度為27°.液相段長度為L 15m,氣相段長度為I 0m.網(wǎng)格技術(shù)采用GAMBrr工具中的Cooper技術(shù).除去入 口段外分離器其余部分均生成六面體網(wǎng)格?而入口部分生成 體網(wǎng)格。這樣可以提髙計算速度?同時也書約計算機(jī)內(nèi)

8、存。 2 通過對設(shè)計出的管柱式氣液旋流分離器進(jìn)行室內(nèi)實臉 （實矗是在中國石油大學(xué)（華東）多相流實臉環(huán)道上進(jìn)行的）， 觀寮到入口段以下有很菠的旋渦生成?而且中心處氣相向上 流動所產(chǎn)生的氣流茶（氣芯）很明顯（如圖3所示）.這表明入 口下方段流體速度分布在中心處應(yīng)該具有一個向上流動的 反流區(qū).而且速度分布存在一個向下方向的衰減。 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal

9、of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2006年3月 第20巻第I期 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 Journal of Shengli College China U niversity of Petroleum Mar 2006 Vol 20 Na 1 [ ]2005- 11-

10、 09 [ ]魏 洪（1972?），男.四川仁壽人.中國石油大學(xué)成人教育學(xué)院助理工程師.碩士。 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第20巻 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 2006年第1期 18 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved? 第20巻 中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報 2006年第1期 式中.

11、?6為某軸向位直切向理度：/-為徑向位直：J、B 分別與切向速度員大時刻、最大速度徑向位直有關(guān)。 徑向速度大小相對干切向、軸向速度而言要小A 3個致 量紜巴它對分離器內(nèi)部流場彫響很小，因此沒有對徑向速 度預(yù)測作進(jìn)一步研究。 評續(xù)方程:筆3 斗二亠卻dPUD?、 動量方程：玄 =- 式中.￡/心（i,尸1.2.3）為時均速度分量；x.（i= 1.2.3）為坐 ()U, ()U, a廣a. 對如下工況（液相流a：2?= 2 m 'A v,1= 0 17 823mA 氣相流量0L 150m%.v,= 13 36 755 m/s）進(jìn)行數(shù)值棋 擬.模擬結(jié)果如下。 ?1）模擬顯示了分離器

12、內(nèi)部流動是很崑奈的?它包括三 個速度分量:切向速度、柚向速度以及徑向速度。圖4為通過 分離器中心并垂直于切向入口的平面上切向速度分布圖（入 口下方段）.入口處切向速度迅速衰減?并在軸向方向上持續(xù) 到分離器底部?但是?后來的切向速度衰減不同于入□區(qū)那 么菠烈?八=0時近似位于旋渦中心.流動以旋渦中心近似呈 對稱分布?并且非常接近于分離器中心. 標(biāo)分量p為流體的時均壓力：“為流體的動力粘度:P為流 體密度:而為未知Reyno Ids應(yīng)力分量。 3 2 3 2 I族渦強(qiáng)度 Erdal于2001年提出一個檢渦強(qiáng)度計算式“⑵.即 O= 0 67R 嚴(yán)住F） ■ 丄 f 、 ?j Q

13、35 ”? Q 16 0 7 L 2 Mt" R? "7 - 2、Q 93 ? exp 式中,M 為入口處切向動量流量占總動ft流量的百分 比：/為入口幾何因子為雷諾數(shù):乙為軸向位移:d為分離 器直徑。 對入口而言.動量流率M ,/M t為 M i Ki injOO S“ Vid Af t= 5 = 式中為入口液體速度:U"為分離器中平均軸向液體速 度:B為入口傾角:叫為入口處切向速度。 3 2 2平均軸向速度分布 M antilla提出了軸向速度分布關(guān)系式山?即 0.2 O "* ^O-T5 -5 -X5 O Z5 5 7.5 10 13 15

14、 叫心? s1) ?2）為了更加詳細(xì)描述分離器內(nèi)部速度分布?建立垂宜 于入n切向速度的平面?在該面上分別在入口下方段a I. 0 2. 0 3. 0 4. 0 5, Q 6. 0 7. 0 8. 0 9m 處建立直線段（相當(dāng) 干建立9個測點）（圖5所示）?則可得各處速度分布。如圖6所 示?切向速度分布嚴(yán)榕來說不是軸對稱的?隨看長徑比的增 丄 3 A r 、 R c R 、丿 2 厶二二 c '+ 尸+ l o. 廠— _ R x x R ?Q 7. C = Q5-Q 65exp -壯? 式中? no為反向流動區(qū)半徑（所謂的捕集半徑）?反向流

15、 動點處軸向速度為0。 3 2 3平均切向速度分布 A lgifri等1998年提出如下切向連度分布關(guān)縈式i 血 . *好。 其中 Tm= 0 9Q- Q 05. ? = S 6+ 20exp -斎. 加.切向速度的零值點圍繞中心來回 波動。近壁區(qū)（壁面與第一個離開壁 面的節(jié)點之間的區(qū)域）邊界戻很薄. 商切向速度發(fā)生在近樂區(qū)?而且朝中 心方向迅速衰減。同時發(fā)現(xiàn)近壁區(qū)內(nèi) 速度畫減近似干指數(shù)形式?而中心區(qū) 喪減更超于線性。隔著長徑比增加, 切向速度分布存在同樣的越勢?不過 剪切層厚度隔之增加?因為邊界層厚 度隨看流體向下流動而增加。切向速 度峰值有較大幅度的減小?這表明軸 向方向

16、切向速度衰減如同圓周方向 麥村出a aim 0 2m 0 0.4 m 一樣快?尤其是在入口附近?切向速度衰減員快。 18 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved? 魏

17、洪:管柱式氣液旋流分離器速度分布數(shù)值模擬 IU) -aa-OM-MD-OlB-QM 0 001 002 00) (MM M0 渦一樣?員后隨看切向堰度問下衰減而消失。分離器這種向 上流動的衰減取決于平均軸向速度和切向速度的大小。 ?12■ ? a63?

18、徑比處軸向方向 速度矢量圖（圖7）上也能看出。從 7 圖7還可以觀寮到中心點臨近入 /序W7 6 8 丹刪? 〃"小 (1) 計算出了分離器下方速度分布?得出不同長徑比處切向 速度、軸向速度及徑向速度分布?計算結(jié)果與實臉現(xiàn)象 相吻合?說明所采用的計算模塑是合理的。 (2) 左兩相模擬中?模擬出了分離器下方段速度反向區(qū)?與 理論分析相一致。 (3) 把切向速度作為徑向位直的線性函數(shù)、旋流強(qiáng)度作為分 離器截面位直的函數(shù)是可行的.同肘在處理方法上忽略 徑向速度對流場的影響也是合理的。 [ 1 [1 | MOTTA, BRENNO R. ERDAL. el al CFD smula

19、tion of sin- gle and two-Phn^p in gaK-lk]iiit! rylindriral cyclone vpnratnrK |R I ASME FED^197- 3554. 1997 [2| ERDAL- FERHATM. SH RAZL el al CFD study of bubble carryunder in gas*liqukl cylindrical cycbne separators I R ]? SPE 49309 ? 199& [3| MANILLA- LVAN, SH RAZLet al Flow field predictbn and b

20、ubble trajectory model in gas'liquid cylindrical cyclone (GLCC) sq)arators| J J. A E Journal Energy Resources ? 1999. 121: 9-14 (4) MOVAFAGH PlN S. JAUA Al arturet J A ? el nl The effects of geomelry? fluid properties and pressure on the hydrody- nanicsof gas-)iquid cylmdrical eyebne sq)ara(ors[J J

21、. Interna? tbnal Journal of M ultiphase Flow. 2000. 26(1): 999* 1018 [5 J CH K NOS W et al L iquid carry over in gas*liquid cylin* drica) cyclone compact separators!R |. SPE 56582. 200Q I 1 19 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 口區(qū)域流體具有鸞烈的

22、向上流動.其衰減如同向下的旋 19 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 19 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, （上接第16頁）貳安裝.目前生產(chǎn)中實際預(yù)緊扭矩為40N m ? 近年來^續(xù)螺栓斷裂問題得到了有效右快 5 （1） 綜合上述分析可以看出.電泵連接螺釘?shù)念A(yù)緊力 （或扭矩）的大

23、小與泵的排量、揚程等參數(shù)密切相關(guān)?泵的排 量、揚程越大?逹接螺釘所需的預(yù)緊力（或扭矩）也越大。不同 塑號的泵應(yīng)按不同的扭矩預(yù)緊。 （2） 從表中還可以看出.小排堇泵的預(yù)緊扭矩允許有較 大的變化范圍?而大排量泵（如排量為320 m%）允許的變動 范圍巳很小?若泵的排量、揚程更大（如排量超過500m%.揚 程大于1 500 m）時.建議采用屈膽強(qiáng)度更高的材料作為逹接 螺釘材料。  I 1 III腎固件連接設(shè)計手冊【M 1北京：國防工業(yè)出版社.1990: 62-6A 121楊慕明機(jī)械零件手冊N \北京：國防工業(yè)出版社.1986: 274 ［3］卜炎螺紋連接設(shè)計與計算IM I北京:高等教育出版上. 1995: 110-11L I4J師世剛潛油電泵采油技術(shù)IM I北京:石油工業(yè)出版上. 1993: 52-5A |5|萬邦烈 采油機(jī)械的設(shè)計計算IM 1北京：石油工業(yè)出版 社.1988: 157. 【6|西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室機(jī)械設(shè)計 （下）［M I上海 人民教育出版社.1979: 472 19 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,