可调式超音速分离器旋流段的研究分析

崔少平，曹 禺，梁斌智

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065）

可调式超音速分离器旋流段的研究分析

崔少平1，曹 禺2，梁斌智1

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065）

超音速分离器一种高效、节能、低成本的新型天然气脱水净化装置，该技术是基于天然气在拉瓦尔喷管内绝热膨胀降温，然后经分离翼旋流，以分离天然气中的气相水和重烃组分。分离翼是分离器的关键部位，其在旋流段的位置会对分离器内部流场产生重要影响。本文提出一种新的可调式旋流管设计，并利用数值模拟软件（FLUENT）模拟分离器内部的流动，对比3种不同位置分离器对超音速分离器内压力、温度、速度的影响，以便优化分离器设计，提高分离效率。

分离翼位置；数值模拟；流场特性

1 超音速分离器的原理

超音速气液分离器（图1）由拉瓦尔喷管、稳流管、含分离翼的旋流管、分离管和扩压管等构件组成。气流经过拉瓦尔喷管绝热膨胀到超音速，依据热力学定律，气体的压力和温度在该段内急剧下降。低温使天然气中的水分和重烃凝结，形成气液混合物流，流经带有分离翼的旋流管，形成高速旋转气流。液滴甩向管壁，从分离管下端排出，干气流进扩压管，将高速低压气流变为低速高压气流，实现气液分离。

图1 组合可调式超音速气液分离器的结构剖面图Fg.1 Structure profile of assembled adjustable supersonic gas-liquid separator

2 旋流段的设计

为了研究不同位置分离翼对分离器内部流场特性的影响，设计了一种可调式旋流管（图2），沿轴线方向前后设计5个位置的螺纹孔。管的内外分别安装滑块，用螺栓将内外滑块与分离翼相连。通过旋转外部螺栓实现分离翼角度的调节，实验时调节外置的前后2个小螺栓对应一组螺纹孔来调节分离翼的位置。旋流管总长260mm，本例分别使2个外置螺栓至于第一、三、五个螺纹孔。分离翼安装距旋流管入口40mm、80mm、120mm，分别记为front（前置）模型、middle（中置）模型及last（后置）模型。利用数值模拟来对比3种不同位置分离器对超音速分离器内压力、温度、速度的影响。

图2 旋流管结构3D模型半剖图Fig.2 3D Half section graph of the structure of swirler

图3 旋流管试验装配图Fig.3 Experimental assembly drawing of swirler

3 数值计算

3.1 物理模型和网格划分

在gambit中建立分离器简化三维模型，网格采用分区划分法，旋流段采用四面体非结构网格，其他结构采用结构性六面体网格，连接面设置interface累类型。划分网格如图4所示。

图4 超音速分离器网格划分图Fig4. Mesh of Supersonic Separator

3.2 计算模型和边界条件

模拟应用FLUENT软件，本例采用空气为工作介质，视为理想气体。解算器选择耦合隐式求解器，湍流模型选用RNG k-ε模型，进出口边界均采用压力边界条件，给出初始状态的温度和压力，及相应的湍流强度。本例入口压力为1MPa，温度为300K，湍流黏性比为 1，出口压力为0.2MPa，壁面采用无滑移、无渗透、绝热边界。

3.3 计算结果与分析

为直观对比相应参数，取模型轴线上完整的旋流段以及部分的喷管扩张段与扩压段位置进行研究。

图5 不同分离翼位置的压力对比图Fig.5 Comparison of pressure along the separator axis with different swirler position

从图5的压力状况对比分析可以看出，前置模型具有较好的流场特性，整体压力变化比较平稳，流场均匀性较好。后置模型出现了负压，导致气流在进入旋流管段迅速回升，使旋流段内压力较高。过高的压力使温度不能降下来，不能保证有效的分离。中置模型气流压力较平稳，但均匀性弱于前置模型。前置模型和中置模型在距分离器入口500mm和475mm处出现了压力突跃的现象，后置模型在距分离器入口 340mm 处出现了非常明显的压力突跃现象，造成该现象的原因可能是出现了激波。

图6 轴向速度对比图Fig.6 Comparison of velocity along the separator axis with different swirler position

从图6的轴向速度对比分析可知，前置模型轴向速度变化更为平缓，在旋流段可以保持较长超音速流动，其流场的均匀性较好，在距分离器入口500mm处速度突降。中置模型轴向速度变化不够平稳，速度波动性较大，在距分离器入口475mm处出现了速度突降的现象，整体趋势符合基本流动规律。后置模型由于负压的出现，其速度变化也相应影响，在喷管出口处可以实现超音速流动，但在旋流段内，速度很快下降，基本保持在亚音速流动的状态。

从图7的轴向温度对比分析可知，在拉瓦尔喷管出口，3个模型能实现的低温基本相近。但随着轴向距离改变，三者的温度趋势发生了明显的变化。后置模型温度在旋流段入口处迅速上升，旋流段内气流温度与出口温度基本相同，并不能保证气流中水分凝结的低温环境。前置模型的温度改变最为均匀，气流有3/5的区间可以在低温中流动，在距分离器入口505mm处，温度迅速上升。中置模型与前置模型低温变化趋势相接近，旋流段内有1/2的区间可以保持在低温中。

图7 轴向温度对比图Fig.7 Comparison of temperature along the separator axis with different swirler position

综合分析速度、温度、压力的变化，得出前置模型、中置模型、后置模型分别在距离分离器入口500mm、475mm、340mm处出现了速度下降、压力温度迅速升高的现象，这表明在3种模型的相应位置处出现了激波，激波的出现位置与分离翼的安装位置呈现相反的关系，这一结果表明分离翼除了有改变流动状态的功能外，还有控制激波出现位置的作用。

4 结论

本文对超音速分离器旋流段进行了可调式设计，并用FLUENT数值模拟软件对流体在不同旋流结构下的流动进行了模拟，通过模拟结果分析得到如下结论：

1）分离翼安装位置影响压力、轴向速度、轴向温度的变化，前置型分离器能够保证流场压力以较为平稳的趋势变化；分离翼距来流方向距离越近，则超音速流动所能保持的区间越长，分离越有效率；分离翼位置越靠近入口端，则能提供的低温区域越长，同时流动的均匀性也越好。

2）分离翼安装位置影响激波出现的位置，分离翼越靠近入口端，则激波出现的位置越远离入口，激波越远离入口，则对流动造成的影响越小。分离翼安装位置过于靠后，会使激波出现的位置越接近喉部，导致旋流段不能有足够的低温区，后续部件也会因激波出现而失效。

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Research and Analysis of Swirler of Adjustable Supersonic Separator

CUI Shao-ping1， CAO Yu2， LIANG Bin-Zhi1
（1.School of Mechanical Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065，China；2.School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065，China）

The Supersonic separator was a kind of high effciency， energy saving， low cost of new natural gas dehydration equipment. The technology based on the natural gas adiabatic expansion cooling in Laval nozzle and the separation wing made the fuid like cyclone. The purpose was to separate the gas phase water and heavy hydrocarbon component in natural gas. The separation wing was a key part of the separator， the position of the wing in the cyclone separator section also had a signifcant infuence on the internal fow feld. In this paper， a new design of adjustable swirler was presented. With the help of the software FLUET， the different fow parameters of internal fow feld were obtained， and compared the effect of three kinds of different position separator on the pressure，temperature and velocity of the supersonic separator in order to optimize the design of the separator and improve the separation effciency.

swirler position； numerical simulation； fow characteristic

TE 868

A

1671-9905（2016）05-0057-03

2016-03-08