螺旋分离器单相流动的数值模拟与实验

郑焕军,孟玲莉,韩洪升

(1.大庆油田有限责任公司第六采油厂,黑龙江大庆 163114; 2.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江大庆

163001; 3.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江大庆 163318)

螺旋分离器单相流动的数值模拟与实验

郑焕军1,孟玲莉2,韩洪升3

(1.大庆油田有限责任公司第六采油厂,黑龙江大庆 163114; 2.大庆油田有限责任公司第一采油厂,黑龙江大庆

163001; 3.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室,黑龙江大庆 163318)

利用PHOEN ICS数值模拟软件与PIV实验技术结合方法,分析不同质量浓度、流量、工作介质的螺旋分离器螺旋流流场分布、压力场分布和涡量分布.结果表明:在螺旋分离器螺旋流中,其切向速度远大于轴向速度、径向速度,但径向速度很小,一般可以忽略;随着流量、聚合物质量浓度的增加,压力下降速度也增大;在螺旋分离器内部压力呈阶梯状下降,且压力变化并不均匀,靠近螺旋入口端的压力变化小于靠近螺旋出口端的;涡旋并没有在整个螺旋叶片间的旋转流道内产生,只是产生在贴近叶片上壁和下壁处,即在近壁处更易产生涡旋.该结果可为螺旋分离器内部螺旋流流场的研究提供借鉴.

螺旋分离器;螺旋流;PHOEN ICS;PIV;幂律流体

螺旋流动是自然界中广泛存在的一种特殊的流体紊流运动现象[1],在其流动过程中产生较大的动能和涡量.螺旋气液分离器因其制造成本低、质量轻、准确率高、自动化程度高、稳定性能好等优点,被广泛应用于石油石化行业,对螺旋分离器内部螺旋流的研究不多[2-3].人们利用“黑箱”法、流场测定法及数值模拟法等对旋流分离器及其流场进行研究[4-6].

为选砂矿,索罗民 K N利用离心力原理,通过实验和现场试验,设计一种螺旋分离器[7].丁训慎介绍蒸气发生器中的旋叶式气水分离器,通过旋叶式气水分离器的冷态试验,阐述气水分离器的分离效果及其他工作性能,表明气水离心分离取决于螺旋叶片与分离筒的结构尺寸[8].为处理联合站清罐产生的含油污泥,张瑜瑾等设计含油污泥处理流程,采用化学法污泥系统脱稳加机械分离法,结合固液离心分离技术,对含油污泥进行絮凝处理,并采用旋流分离器或螺旋离心机进行固液分离试验,表明平均分离效率超过90%[9].韩洪升等利用PHOEN ICS数值模拟软件建立幂律流体环空流动的数值模型,将同心环空幂律流体轴向速度数值模拟结果与二维PIV实验结果对比,结果表明数值模拟与实验结果吻合良好[10-12].

笔者利用PHOEN ICS数值模拟和PIV实验技术结合方法,定量分析分离器内部通过安装固定螺旋结构而产生的螺旋流,为螺旋流动研究与应用提供参考.

1 PHOEN ICS数值模拟

1.1 计算模型

(1)坐标系:选择笛卡尔坐标系,利用CAD软件构建螺旋分离器模型,然后调入 PHOEN ICS中;(2)计算区域:Δ X=0.052 m,ΔY=0.052 m,Δ Z=0.24 m,设定螺旋分离器外部套管壁厚为1 mm(见图1).

图1 螺旋分离器计算模型

1.2 边界条件

(1)流动进口边界:定义为速度入口,即入口速度在入口截面上均匀分布且垂直于所在的面;

(2)流动出口边界:定义为自由出口,即不设定任何边界条件,在出口处条件为流动充分发展;

(3)壁面边界:流动边界采用无滑移的固壁条件,并使用标准壁面函数法确定固壁附近处流动.

1.3 物理模型

利用CAD软件建立物理模型还应该包括固体壁面和流体空间信息[13].针对流体性质做假设:

(1)流体运动可看作是连续、均匀的不可压缩流体;

(2)当流体处于静止时,总压力为静水压力;

(3)进口为无穷远处均匀来流,即入口速度端面分布均匀;

(4)控制体内流体的速度与时间无关,即是稳态流动.

建立物理模型:

(1)紊流模型:选取 KEMODEL(两方程模型).

(2)工质物性:选取水及质量浓度为400 mg/L的聚丙烯酰胺水溶液为研究对象.在PHOEN ICS软件中,自行添加所需要工质的性质,将其设置为幂律流体(POW ER LAW).

(3)迭代次数:选取 Iteration=1.0×104.

1.4 计算网格

以螺旋分离器内部整体流域为计算区域,采用结构网格(笛卡尔网格)进行划分,其优点是较非均匀网格更有利于收敛,缺点是对于复杂粗糙的结构表面,要求划分的网格数量比较多.针对变化剧烈的区域,利用PHOEN ICS软件自带的PARSOL(Partial Solids Treatment)处理技术,对其进行区域局部加密,而没有在整体网格结构上加密,这样既保证计算精度,又提高效率.

1.5 流场分析

螺旋分离器计算模型 X-Y截面速度矢量见图2,三维速度矢量见图3.由图2和图3可以看出,在分离器内部,流体沿分离器内壁呈螺旋形式流动,产生螺旋流,其轴向速度从入口到出口有明显变弱趋势,且在轴向截面处,进入螺旋叶片的速度大于离开螺旋叶片的,螺旋流动有明显减弱趋势.因此,若要保持一定的螺旋流强度,应考虑增加合适的起旋装置.

图2 X-Y截面速度矢量

图3 三维速度矢量

1.6 压力场分析

以流量Q为1.80 m3/h,质量浓度为400 mg/L的聚合物溶液为计算原型,得到压力分布云图、压力分布曲线见图4,其中红色代表压力最大值,蓝色代表压力最小值,其他颜色代表压力中间值.由图4(a)可见,对于分离器内部,流体在未进入螺旋段之前,压力没有发生变化;当进入螺旋段后,在每一层螺纹叶片流道内流动压力呈阶梯状下降.由图4(b)可见,在不同位置的螺旋叶片间的旋转流道内压力变化并不均匀,其阶梯状分界面即是螺旋叶片,靠近螺旋入口端的压力变化小于靠近螺旋出口端的,反映螺旋分离器内部螺旋流形成逐渐衰弱的趋势.

图4 质量浓度为400 mg/L、流量为1.80 m3/h时的压力分布

在不同流量、工作介质条件下螺旋分离器的压降不同(见表1).由表1可以看出,随着流量、聚合物溶液质量浓度的增加,压力下降的速度也在增大;在螺旋分离器内部非牛顿流体的压力变化大于牛顿流体的,且非牛顿性越强,压力变化越大.在各个工况下,螺旋分离器的能耗普遍较低,属于低能耗设备,因此具有很好的推广性.

表1 不同流量、工作介质条件下的压降 kPa

2 PIV实验

PIV(Particle Image Velocimetry)是一种能够把流体的运动情况直观清楚显示,而对整体流动没有影响的可视化仪器,已经成为实验流体力学的重要研究手段[14].实验时的介质及操作条件与数值模拟时的相同,温度为20℃.

实验装置由PIV测试系统和垂直实验管道系统组成.首先由螺杆泵将水箱内待测量液体从水箱下部抽出,经由地面铺设的与垂直环空玻璃管道相连接的钢管,自下而上流入垂直实验管道;然后经过出口和连接管道再自上而下地流回水箱,如此循环.依次进行水、质量浓度为400 mg/L的聚合物溶液的螺旋流实验.

2.1 流场分析

在螺旋流动中,质量浓度为400 mg/L、不同流量时的速度曲线见图5.由图5可以看出,在分离器内部螺旋段的流动是一种强势旋流,其切向速度占速度优势.通过对比速度曲线,可以看出径向速度小于轴向速度和切向速度,因此在通常的计算中可以忽略考虑径向速度的影响.在径向的紊流核心区域小于在切线方向的,这有助于气液两相的分离.

图5 质量浓度为400 mg/L、不同流量时的速度曲线

在螺旋分离器中,切向速度对分离器性能的影响最大,它代表沿管道圆周方向的流动.质量浓度为400 mg/L、流量为1.50 m3/h时的速度云图和流线图见图6.由图6可以看出,切向速度沿径向方向紊流核心区较宽,这是由强旋流离心作用形成的,有利于气液两相的分离.

图6 聚合物溶液质量浓度为400 mg/L、流量为1.50 m3/h时的速度云图和流线图

2.2 涡量分析

实验介质为水、流量为1.05 m3/h时的涡量图见图7,流量为1.05,1.97,2.36 m3/h时的涡量与径向距离关系曲线见图8.质量浓度为400 mg/L、流量为0.97 m3/L聚合物溶液时的涡量见图9,流量为0.97,1.50,1.80 m3/h时的涡量与径向距离关系曲线见图10.由图7-10可以看出,涡旋并没有在整个螺旋叶片之间的流道上产生,而只是发生在贴近流道上壁和下壁处,即在近壁处,更容易产生涡旋.在这两处产生的涡量方向相反,处于上方的涡为正涡,处于下方的涡为负涡,且正涡的数值小于负涡的,这与螺旋流动中螺旋流强度的衰减趋势吻合.

图7 实验介质为水、流量为1.05 m3/h时的涡量

图8 实验介质为水、不同流量时涡量与径向距离关系曲线

图9 实验介质为质量浓度400 mg/L、流量为0.97 m3/h聚合物溶液时的涡量

图10 实验介质为质量浓度400 mg/L、不同流量聚合物溶液时的涡量与径向距离关系曲线

3 结论

(1)在螺旋分离器内部螺旋流动中,切向速度要远大于轴向速度、径向速度,但径向速度很小,一般可以忽略其影响.

(2)在螺旋分离器内部产生的螺旋流,其轴向速度从入口到出口有明显变弱趋势,且在轴向截面处,进入螺旋叶片的速度大于离开螺旋叶片的,即分离器内部的螺旋流动有明显减弱趋势.

(3)随着流量和聚合物质量浓度的增加,压力下降速度也在增加.同时,螺旋段径向压差很小,对于轴向压降可以忽略径向压降.牛顿流体(介质为水)的压力变化小于非牛顿流体(介质为聚合物溶液)的,且非牛顿性越强压能损失越大.

(4)在螺旋分离器内部压力呈阶梯状下降,且在这种压力变化并不均匀,靠近螺旋入口端的压力变化小于靠近螺旋出口端的.

(5)在螺旋分离器内部涡旋并没有在整个螺旋叶片间的旋转流道内产生,而只是产生在贴近叶片上壁和下壁处,即在近壁处,更容易产生涡旋.在这两处产生的涡量方向相反,处于上方的涡为正涡,处于下方的涡为负涡,且正涡的数值小于负涡的.

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Numer ical simulation and experimental research of flow field in spiral separator/2011,35(2):68-72

ZHENG Huan-jun1,M ENG Ling-li2,HAN Hong-sheng3
(1.Oil Recovery Plant N o.6,Daqing Oilfield Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 163114,China;2.Oil Recovery Plant No.1,Daqing Oilf ield Corp.L td.,Daqing,Heilongjiang 163001,China;3.Key Laboratory of Enhanced Oil and Gas Recovery of M inistry of Education,N ortheast Petroleum U-niversity,Daqing,Heilongjiang 163318,China)

U sing the methods of numerical simulation fo r PHOEN ICS and PIV experiment,the paper gives a quantitative analysisof the distribution of flow field,distribution of p ressure field and distribution of vo rtex fo r different viscosity and different flow rates.The results show that in the spiral flow,its tangential velocity ismuch larger than the axial velocity and radial velocity,w hile radial velocity is so small that its impact can generally be igno red.W ith the increasing of the flow rate and polymer concentration,the speed for p ressure drop is increasing.Internal p ressure w ithin the separator is stepped dow n,and this change is not unifo rm,the change of p ressure near the inlet of screw is less than near the outlet of screw.In the spiral flow,the vortex is not appeared in the w hole spiral flow between the rotating field,but only appears on the w all of the spiral leaves and under the wall,that means it’s mo re p rone to appear vortex near thew all.The simulation resultsand experimental results could supp ly reference fo r future research about spiral flow field w ithin the spiral separato r.

spiral separator;spiral flow;PHOEN ICS;PIV;pow er-law fluid

TE992

A

1000-1891(2011)02-0068-05

2010-08-26;审稿人:富海龙;编辑:任志平

郑焕军(1973-),男,博士生,高级工程师,主要从事油气田开发工程方面的研究.