基于FLUENT的水力旋流器入口结构参数优化设计流场仿真

龚 俊，叶俊红，姚明修

(1.中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东 东营 257237；2.山东省油田采出水处理及环境污染治理重点实验室，中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

水力旋流器具有分离效率高、占地面积小等优点，在国内外油田生产系统中得到广泛使用， 其具体结构形式多种多样，根据构成特点和工作特点可概括为3 种基本形式，即四段式、三段式和旋转式。水力旋流器的油水分离效率以及油水混合物单位体积处理量所需的能耗是评价其性能的两个重要指标。生产实践表明水力旋流器的分离效率和能耗常常是一对矛盾，如何妥善处理好这一矛盾，是水力旋流器的技术关键[1-5]。

水力旋流器入口其形式的优劣是决定水力旋流器的流场分布及压力损失的关键因素之一[6]。水力旋流器的入口形式多种多样，按其数量的多少可分为单入口、双入口及三个以上的多入口等。按入口流道形式又可分为等截面直线型及变截面( 渐缩截面) 直线型和曲线型[7]。有研究表明，调整旋流器入口形式不仅大大缩小了液-液水力水力旋流器的空间，并且能显著提高分离效率[8-10]。

本文设计了一种双入口形式的水力旋流器，通过CFD软件仿真优化了设计参数，为水力旋流器入口结构参数的合理选择提供新思路。

1 CFD模型建立及网格划分

水力旋流器选用四段式，分为旋流腔、大锥段、小锥段、平尾段四个区域(见图1)。其中，旋流腔和大锥段统称为旋流体，也是水力旋流器的主体部分，通常是由上部的圆柱段(旋流腔)与下部的圆锥段(大锥段)组成。液体从切向入口进入旋流腔内产生高速旋转的液流。旋流腔的直径是水力水力旋流器的主直径，其大小不但决定了水力水力旋流器的处理能力，而且其和旋流腔、大锥段长度的比例关系也是确定其他参数的重要依据，在很大程度上影响着水力水力旋流器油水分离的能力。

图1 四段式水力旋流器结构示意图

1.1 边界条件

(1)入口边界条件

入口温度：45～60℃；入口流量：1～2m3/h；入口压力：0.5～0.7MPa。

(2)出口边界条件出口包含收油口和出水口，均按流动充分发展条件处理。

(3)固体壁面边界条件

固壁边界按照无滑移边界条件处理，默认壁面粗糙度为0.5。本次计算按照壁面不可渗透，不存在滑移速度考虑，并使用标准壁面函数法确定固壁附近流动。

1.2 多相流模型的选择

多相流模型选择“Euler-Mixture”模型进行计算。

1.3 模型建立与网格划分

在众多入口结构中，阿基米德螺线形入口较其他结构入口在零件外径相同的前提下，流道更长，导流能力更强，更有利于混合液迅速形成较为稳定的旋流，使旋流腔内流场分布更加有序合理，降低了液滴剪切破碎的可能性[6]。根据阿基米德螺线标准方程，严格按照计算步骤完成水力旋流器入口结构设计，并结合加工精度要求和壁厚等参数得到最优化的入口结构形式，见图2。图2中标号1 的曲线为阿基米德螺线，标号2 是导流线，标号3 的圆为旋流腔内孔圆，点A 是阿基米德螺线与旋流腔内孔圆相交点。

图2 阿基米德螺线进口结构示意图

利用了ICEM-CFD软件对水力旋流器的物理模型划分了全六面体网格，网格数量控制在100万左右。在进水口交界面及细微区域都进行了一定的加密，确保得到更加精确的计算结果，见图3。

图3 水力旋流器模型

图4 模型进水口放大图

在网格划分过程中，对网格的主要尺寸都进行了最大与最小值网格质量评测工作，网格质量在0.4以上，满足计算要求。

图5 网格划分模型

2 仿真结果及分析

通过仿真计算得到了水力旋流器分离效率、内部的压力分布、内部的气体流线分布以及各截面面积等相应的数值。

2.1 流线分布

图6 水力旋流器内部的流线分布

由图6水力旋流器内部截面速度分布图可以发现，进入腔体内的液体大多数都是基于流入的速度沿着壁面在高速转动，受重力以及压力的影响，水流向下运动，在中心筒附近形成一个流动较密集的区域。而中心区域液体受压力影响向顶部出口流动。

2.2 速度分布

图7 水力旋流器内部的速度分布

由图7截面的速度分布矢量图可以发现明显显示环状的速度分布，越向内部速度逐渐变低，中心点的速度则变大，其方向也由环状变成了向垂直方向变化。

2.3 速度矢量分布

图8 旋流器中间截面的速度分布矢量图

经过大量的模拟运算得到水力旋流器各个结构尺寸的优化调节范围，最终获得图8较理想的的内部速度矢量分布结果。

2.4 压力分布

图9为沿着顶部横截面上的压力云图，可以发现，水力旋流器中心压力较低，两边的压力较高，压力成环状向外分布，压力分布由内向外均匀分布。

图10为纵截面压力云图，可以发现，水力旋流器自入口至出水口压力逐渐降低。

图9 中间截面的压力分布云图

图10 纵截面上的压力云图分布

2.5 油水分离效果分析

图11水力旋流器纵截面含油体积分布图和图12水力旋流器横截面含油体积分布图结果显示，液体中的油相集中的水力旋流器的中心区域，体积分数相对较高，油相部分通过中心出油管排出水力旋流器，起到了较好的油水分离效果。

图11 水力旋流器纵截面含油体积分数分布图

图12 水力旋流器顶部出口含油体积分数分布图

3 结论

入口结构对水力旋流器内部流场分布影响较大，设计了阿基米德螺旋线入口形式的水力旋流器，仿真内部速度场具有良好的对称性，内部流动稳定性好、涡流区域少、离心力场强，具有较高的分离效率。