柱式气液旋流分离器设计

2023年12月22日发(作者：双环汽车报价及图片)

柱式气液旋流分离器结构设计

柱式气液旋流分离器设计

【摘要】平衡钻井技术有利于防止钻井液漏失、能及时发现和保护油气层，并能提高机械钻速等。但是由于欠平衡装备价格昂贵，制约着这一技术的发展。鉴于这种现状，自行设计了台应用于欠平衡钻井的管柱式气液旋流分离器。管柱式气液旋流分离器是一种带有倾斜切向入口及气体、液体出口的垂直管。它依靠旋流离心力实现气、液两相分离，与传统的重力式分离器相比，具有结构紧凑、重量轻、投资节省成本等优点，是代替传统容积式分离器的新型分离装置。在气液两相旋流分析的基础上，建立了预测分离性能的机理模型，该模型包括了入口分离模型、旋涡模型、气泡及液滴轨迹模型；依据机理模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺步骤.设计根据管柱式旋流分离器的机理模型以及设计工况，完成了管柱式旋流分离器的结构设计、强度分析、理论校核、焊接工艺设计以及分离器内气液两相流的数值模拟，为工程设计和理论设计提供一定的理论依据。

【关键词】欠平衡钻井技术旋流分离器气液两相流动分离机理

模型设计

Gas-liqulid Cylindrical Cyclone

Author: Wang maohui(School of Mechanical Engineering, Yangtze University)

Tutor: Feng Jin (School of Mechanical Engineering, Yangtze University)

【Abstract】The balanced well drilling technology is advantageous in

preventing loss of

circulation, can promptly discover and protect hydrocarbon

zone ,also can enhance the penetration rate. But the expensive under

balance equipment has restricted this technology’s sdevelopment. In view

of the situation,I designed a gas-liqulid cylindrical cyclone independently

for the balance under drilling .The GLCC is one kind has leans the

bevelling to the entrance and the gas, the liquid exportation hangs the

ascending pipe. It can realize the gas-lip fluid separation depends upon the

cyclone centrifugal force. compared with the traditional gravity type

separator, which has the compact structure, the lighter weight, the smaller

investment and so ’s a new disengaging equipment which replace the

traditional volume type separator. On the basis of the gas-liquid two-phase

cyclone analyses , has established the forecast separation performance

mechanism model, this model include the entrance separation model, the

whirlpool model, the air bubble and the bubble path model; Based on the

mechanism model, proposed the tube column type cyclone separator

technological design technical specification and the craft design

basis tube column type cyclone separator mechanism model as well as the design

operating mode, has completed the tube column type cyclone separator

structural design, the intensity analysis, the theory examination, in the

welding technological design as well as the numerical simulation of the

gas-liquid two phase floe in the separator simulations, provide the

certain theory basis for the engineering design and the theoretical design.

【Key words】:Under balanced drilling technology ，cyclone separator,

Gas-Liquid two-phase flow, separation mechanism odel ，Design

柱式气液旋流分离器结构设计

柱式气液旋流分离器设计............................................................................................................... 1

绪论 .................................................................................................................................................. 2

欠平衡钻井技术的发展现状和前景 ....................................................................................... 5

1、设计背景 .......................................................................................................................... 6

1.1 选择气液旋流分离器的意义 .................................................................................... 6

1.2 气液旋流分离器的国内外研究现状 ........................................................................ 7

2、方案论证 .......................................................................................................................... 8

2.1 旋流式气液分离方案的可行性 ............................................................................... 8

2.2 旋流式分离器的结构及工作原理 ........................................................................... 9

2.3 旋流式分离器的优缺点 ........................................................................................... 9

3、结构分析及设计............................................................................................................... 10

3.1 入口设计分析 ......................................................................................................... 10

3.1.1入口管分析 .................................................................................................. 10

3.1.2入口喷嘴分析 .............................................................. 错误！未定义书签。

3.1.3双入口分析 .................................................................. 错误！未定义书签。

3.2主体结构设计分析 .................................................................. 错误！未定义书签。

3.2.1入口位置 ...................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.2最佳外形比 .................................................................. 错误！未定义书签。

3.2.3旋流体锥度 .................................................................. 错误！未定义书签。

3.3 出口管设计分析 ..................................................................... 错误！未定义书签。

4、柱式气液旋流分离器参数设计 ....................................................... 错误！未定义书签。

4.1 计算分离器直径 ...................................................................... 错误！未定义书签。

4.2分离器的高度计算 .................................................................. 错误！未定义书签。

4.2.1确定上半部分的高度 .................................................. 错误！未定义书签。

4.2.2计算入口分流区的高度 .............................................. 错误！未定义书签。

4.2.3计算旋涡区的高度 ...................................................... 错误！未定义书签。

4.2.4气泡轴向距离计算 ...................................................... 错误！未定义书签。

4.3分离能力计算 .......................................................................... 错误！未定义书签。

① 径向方向上 ....................................................................... 错误！未定义书签。

② 竖直方向上 ....................................................................... 错误！未定义书签。

4.4液面高度的确定 ...................................................................... 错误！未定义书签。

4.4.1 气室压力p1的确定 ................................................... 错误！未定义书签。

4.4.2液面高度Z2的确定 .................................................... 错误！未定义书签。

4.5入口管的设计计算 ................................................................... 错误！未定义书签。

4.6筒体强度设计 ........................................................................... 错误！未定义书签。

4.6.1 设计参数 ....................................................................... 错误！未定义书签。

4.6.2 筒体厚度设计 ............................................................... 错误！未定义书签。

4.7法兰的校核计算 ...................................................................... 错误！未定义书签。

4.7.1排气管法兰校核计算 .................................................. 错误！未定义书签。

4.7.2排液管管法兰校核计算 .............................................. 错误！未定义书签。

5、气液两相流场的数值模拟 ....................................................................................................... 14

5.1 数值计算方法简介 ................................................................................................. 14

5.1.1 控制方程 ..................................................................................................... 15

5.1.2湍流模型 ...................................................................................................... 16

5.1.3多相流模型 .................................................................................................. 18

5.1.4 数值计算方法 ............................................................................................. 19

5.1.5 边界条件的处理 ......................................................................................... 20

5.2 计算前处理 ........................................................................................................... 20

参考文献 ................................................................................................................................ 21

柱式气液旋流分离器结构设计

1、绪论

1.1欠平衡钻井技术的发展现状和前景

欠平衡钻井技术就是在钻井过程中,利用自然条件和人工手段在可以控制的条件下使钻井流体的循环液柱压力低于所钻地层的孔隙压力,以实现所谓的“边喷边钻”,这种钻井工艺技术叫欠平衡钻井。

欠平衡钻井技术最初是从美国得克萨斯州发展起来的.80年代以来,由于研制成功了旋转防喷器及其它欠平衡钻井配套设备,欠平衡钻井技术得到了大规模推广应用,在实施过程中,工艺和设备又不断的完善和提高,目前已经成为一项比较成熟的技术.在加拿大,由于与普通钻井相比,欠平衡钻井有多方面的优越性,加上政府的鼓励政策,因此欠平衡钻井技术发展很快,1992年采用欠平衡钻井技术完成30口井,1993年达到120口,1994年和1995年分别完成230口和330口.

我国开展欠平衡钻井的研究起步较晚,但近年来随着塔里木油田解放128井、轮古2井、轮古2-0井、轮古2-2井、轮古4井、轮古2-1C井,大港油田板深7、板深8等井采用欠平衡钻井技术取得良好的开发效果和勘探突破,引起了人们对这项技术的极大兴趣.新疆、中原、胜利等油田也取得了一定的经验.目前很多油田都把欠平衡钻井技术作为钻井、开发技术的一个方向.正在积极从装备和技术上做准备工作,争取用欠平衡钻井技术取得好的勘探和开发效果.另外一方面,国际钻井招标也越来越多地要求采用欠平衡钻井技术,也将促进我国欠平衡钻井技术的发展.

在未来钻井技术发展中,欠平衡钻井技术将同水平井、分枝井、连续油管钻井等技术一样,成为一种趋势.美国能源部和Maurer工程公司共同发展的一项调查表明，到2005年，美国国内采用欠平衡钻井技术完成的钻井数量将占到总钻井数量的30%，而且比较乐观的预测则是37%。随着信息、装备的不断完善和市场的不断推动，我国欠平衡钻井的数量也将稳步攀升。

在钻井过程中，实现对油气层的充分暴露和保护，有利于发现油七层和增加油井产量，欠平衡钻井所具有的一些优势较好地适应了这种需要。同时欠平衡钻井与常规过平衡钻井相比，其具有的优点优点有：（1）可以减轻或消除钻井液对地层的危害；（2）良好的地层显示，有利于达到勘探目的；（3）增加了防喷能力，降低了井喷失控的风险；（4）可以大幅度地提高钻速；（5）可以降低井漏风险，节约钻井成本；（6）可以减少压差卡井风险；（7）可以钻井过程中生产油气；（8）可以对地层进行较为准 5

确的评价。

在欠平衡钻井过程出于安全的考虑和钻井工艺的特殊要求，除了所用的地面常规地面装备像氮或压缩气供应装置、容积小且压力大的注液泵、液-气混合管汇、节流管汇、钻屑或钻井液取样器、化学剂注射泵、采油分离系统和自动燃烧气体系统等，还需要一些专业设备，主要有高压旋转分流器-防喷器系统、液流导向系统、地面分离系统、隔水管帽旋转防喷系统、实用隔水管装置、模拟软件、地面数据采集系统。但是国内欠平衡钻井装备开发能力还很低,只有少数厂家可以生产专业装备,常规和关键设备几乎全部是依靠进口.

近几年来,欠平衡钻井技术在国内得到了充分的推广,并且取得了良好的效果和显著的经济效益.然而,昂贵的欠平衡装备是制约着这项技术的障碍,欠平衡装备配套国产化是国内众多厂家关注的焦点.液气分离器是欠平衡装备配套中的一大关键设备,其作用是将井筒内循环出来的气体与液体分离,从而保持正常的钻井工作。目前国内仅有的几台欠平衡装备中的液气分离器大都是从美国进口的,价格极其昂贵。同时考虑到目前的石油工业主要依靠常规容器式分离器来处理井口油/气/水采出液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻找新型高效、低成本的小型分离器,特别是在海上油田。与容器式分离器相比,诸如柱状气液旋流器(GLCC)等小型分离器具有结构简单、价格低廉、重量轻等特点,基本不需任何维护,而且易于安装及操作。针对这一现状,本设计自行设计一台适应欠平衡钻井施工的管柱式液气旋流分离器。

1.2 设计背景

1.2.1 选择气液旋流分离器的意义

石油石化工业中，为了满足计量，加工储存和长距离运输的需要，必须将石油按液体和气体分开，这个过程一般在分离器和塔中进行，因此气液分离器是油田和炼油厂中使用最多，最重要的压力容器设备之一。

随着陆地及近海油气资源逐渐减少甚至枯竭,为满足日益增长的能源需求,世界发达国家将油气资源开发重点投向了深海。平台是海上采油的主要生产设施。海洋平台上的主要工艺设备有油、气、水处理和注水供水设备等,分离器即是海上油田的油、气、水通常采用的处理设备之一。

从进口采油树出来的原油和天然气都是碳氢化合物的混合物。天然气是由分 6

柱式气液旋流分离器结构设计

子量较小的组分所组成，在常温常压下呈气态；原油分子由分子量较大的组分所组成，在常温常压下呈现液态。在油田的高温高压条件下，天然气溶解在原油中。当油气混合物从地下沿井筒向上运动到达井口续而沿出油管，集油管流动时，随着压力的降低，溶解在液相中的气体不断洗出，并随其组成，压力和温度条件形成了一定比例的油气共存混合物。并且原有和天然气混合物中还含有其他杂质。为了满足产品计量，平台处理，储存，外输和使用的要求，有必要进行处理，而通过油气分离则是必要的一个步骤

综上所述，油气分离在石油工业中占据了很重要的地位，然后油气分离技术仍然处于发展中，需不断完善。

1.2.2 气液旋流分离器的国内外研究现状

气液分离器的发展大体分为三个阶段，早期出现并大量使用的是传统的容器式分离器（立式或者卧式）与凝析液捕集器。

经过几十年发展，该技术已经基本成型。当前研究重点放在研制高效的内部填料以提高其分离效率。容器式分离器主要靠重力和气液相密度差实现分离。效率较低且设备体积大，笨重，投资高。

新型分离器柱状气液旋流分离器。Gas—LiquidCylin—dricalCyclone，简写GLCC。与传统的容积式分离器相比，他具有结构紧凑，能耗低，质量轻，应用方便等优点。同时可明显降低轻烃的残留量。拄状气液旋流器(GLCC)是带有倾斜切向入口和气体及液体出口的垂直管，切向液流由入口进入GLCC后形成的旋涡产生了作用于液体的离心力和浮力，其数值比重力要高出许多倍。重力、离心力和浮力联台作用将气体和液体分离开。液体沿径向被推向外侧，并向下由液体出口排出；而气体则运动到中心，并向上由气体出口排出。这一低成本、重量轻的小型GLCC分离器在替代常规容器式分离器方面具有很大的吸引力。

对GLCC与常规容器形立式和卧式分离器在尺寸方面的差别进行对比，油和气的流量分别为100000bb|／d和70000Msef／d，表压力为100psi。在这种情况下，需要的GLCC的内径及高度尺寸分别是5ft和20ft，相当于同等规模的常规立式分离器(9ft×35ft)的一半左右，相当于常规卧式分离器(19ft×75ft)的四分之一左 7

右。

目前的石油工业主要依靠常规容器式分离器来处理井口油／气／水采出液。但经济性和操作压力条件不断要求其寻找新型高鼓、低成本的小型分离器，特别是在海上油田。然而，在GLCC性能预测方面存在的不足限翩了其推广应用范围。目前 R＆D公司正在建立必要的性能预测工具，以便对GLCC分离器进行合理地设计和操作。

目前已制造出许多GLCC产品，

用于相对简单的应用当中。对GICC的应用及要求迅速增多。几家公司正在将 GLCC加入到他们的小型分离器生产线上。另外，现在已有采用GLCC和一个二级卧式分离器的商用多相计量系统。日益增长的工业需求将促进其进一步商业化。

GLCC技术对石油工业最大的冲击可能在海洋分离方面的应用。具有切向入口的立式分离器在油田中已经相当普遍。

目前GLCC的技术主要在下面几方面能够有所改进：

1、入口设计（倾斜入口，入口喷嘴设计，双入口设计等）

2、主题结构（入口位置，最佳外形比，旋流体锥度。）

3、液面控制

4、整体分离系统

5、辅助系统改进

2、方案论证

2.1 旋流式气液分离方案的可行性

目前分离器的种类繁多，分类方法也很多，主要按分离介质不同可分为固液分离器、气液分离器和液液分离器，按分离原理可分为重力式分离器、管式分离器和旋流式分离器。目前对分离器的理论和实践研究已比较深入，对内部流动规律也了解很多。经过不断的研究，在常规式分离器的基础上，又出现了很多适用于各种场合的新型分离器。

柱式气液旋流分离器结构设计

旋流分离器(简称旋流器) 的发明、应用已有约一个半世纪了。开始,只用于选矿过程中的固液分离和固固分离2分级,后来发展到固气分离,液气分离等。到20世纪80年代末,这种旋流分离器被用于石油工业中的产出水除油,取得了满意的效果。虽然旋流分离技术在气液分离方面的应用气体要晚得多,但已显示出了其体积小、快速、高效、连续操作等方面的优越性。

2.2 旋流式分离器的结构及工作原理

气液混合体

旋流分离器，是一种利用离心沉降原理将非均相混合物中具有不同密度的相分离的机械分离设备。旋流分离器的基本构造为一个分离腔、一到两个入口和两个出口。分离腔主要有圆柱形、圆锥形、柱-锥形三种基本形式。入口有单入口和多入口几种，但在实践中，一般只有单入口和双入口两种。就入口与分离腔的连接形式来分，入口又有切向入口和渐开线入口两种。出口一般为两个，而且多为轴向出口，分布在旋流分离器的两端。靠近进料端的图2-1

为溢流口，远离进料端的为底流口。在具有密度差的混合物以一定的方式及速度从入口进入旋流分离器后,在离心力场的作用下,密度大的相被甩向四周,并顺着壁面向下运动,作为底流排出；密度小的相向中间迁移，并向上运动，最后作为溢流排出，分离示意图如图1。这样就达到了分离的目的。旋流分离技术可用于液液分离、气液分离、固液分离、气固分离等。本文液体设计的旋流分离器用于石油钻井中钻井液的气液分离。

2.3 旋流式分离器的优缺点

在石油化工中装置中，有各种各样的分离器，其中以立式重力气液分离器最为常见，这种气液分离器具有结构简单、操作可靠等持点。立式重力式分离器的主体为一立式圆筒体，多相流一般从该筒体中段进入，顶部为气流出口，底部为液体出口，其结构简图见图2-2。

虽然旋流式气液分离技术在石油化工方面的应用要晚得多，但与常规的重力式分离相比较，它具有很多优点：

① 分离效率高，由于分离原理的不同使得旋流式分离器具有很高的分离效率；

② 成本低，占用空间较小、维护费用少、能耗低、不需要任何帮助分离的介质；

③ 安装灵活方便，旋流器可以任何角度安装；

④ 工作连续、可靠,操作维护方便,一旦设计、调试好,就可自动、稳定地工作。

旋流式气液分离器有以上优点，但也有如下缺点:

① 由于旋流器内流体的流动产生一定的剪切作用，如果参数设计不当，容易将液滴(油滴或水滴) 打碎乳化而恶化分离过程；

② 通用性较差。不同的分离要求、不同的处理物料的性质往往需要不同结构尺寸或操作条件的旋流器，因此旋流器往往不能互换使用。在欠平衡钻井中，使用旋流式气液分离器分离钻井液中的气体，能充分发挥该离器优点，同时又能有效的避免它的缺点。因此，旋流式气液分离用于分离钻中的气体具有广阔前景。

3、结构分析及设计

3.1 入口设计分析

由于管柱式旋流分离器主要依靠旋流产生的离心力实现气液的高效分离,而入口结构决定了分离器的气液分布及其初始切向入口速度的大小,因此入口结构和尺寸是影响管柱式旋流分离器实现气液分离的关键因素。管柱式旋流分离器入口主要由入口管、喷嘴和入口槽3部分组成。

3.1.1入口管分析

气液相流速的不同,油气两相或油气水多相流在入口管内可能呈现分层流、段塞流、分散气泡流或环状流等多种流型。实验研究表明,采用向下倾斜的入口管,保证入口管流型呈现分层流将在很大程度上改善气液分离效果,扩展管柱式旋流分离器的适用范围。而传统分离器采用的入口结构通常为垂直于筒体的结构(目前很多分离器采用的分气包亦为类似结构),采用垂直结构的管柱式旋流分离器实验证明,与倾斜向下的入口结构相比,气液分离效果明显变差,工作范围大约减小一半。入口管向下倾斜,在重力作用下有利于形成分层流,实现气液两相的初步分离,同时,向下的倾斜结构使经过初步分离的液相在入口下方旋转一圈后形成旋流场,避免了对气相向分离器上方运动的阻塞。故入口管采用倾斜入口.

入口管倾角以-27°为宜,管长取1.0～1.5ｍ,入口管直径的选取应保证流型为分层流,由Taitel和Dukler预测模型确定,分层流转变为间歇流或环状流的判别准则为:

~UdAgF2[(2~)(l)]?1 （3.1.1）

c2Agdhl式中：

F?~Usg(?ggdco?s?l??g)1/2

c2?1?hl

D10

柱式气液旋流分离器结构设计

~dAl2~?1?(2hl?1)

dhl?~~Ug?/Ag

4~~~~h~Ag?Ag/D2?0.25[cos?1(2hl?1)?(2hl?1)1?(2hl?1)2]

hl?l

故smin?s?smax，即所选螺柱直径符合安装和密封要求

3.管道法兰强度计算

预紧时螺柱载荷：W=(Ab?Am)[?]b(601?120.85)?117??42229.3N

hG?0.5(Db?DG)?0.5?(115?65.5)?24.75mm

M1=WhG?操作时

42229.3?24.75?1045.2N. m

1000 11

垫片载荷：、HG?2?bDGmpc?2???6.25?65.5?2?1.32?6787.11N

压力载荷：HD??DI2pc4???502?1.324?2590.5N

hD?0.5(Db?Di?g1)?0.5?(115?50?9)?28mm

介质静压轴向载荷：HT?2?(DG?Di2)pc4???(65.52?502)?1.324?1855N

hT?0.5(R?g1?hG)?0.5?(17.5?9?24.75)?25.6mm

作用在法兰端面上的总力矩：

(2590.5?28?1855?25.6?6787.11?24.75)M2?HDhD?HThT?HGhG??288N.m1000?[?]tf[?]f.M1?1045.2?150?1045.2?M2

?法兰的计算力:M矩?M1?104.25N.m

150法兰应力及度校核

法兰形状系数：h0?DIg0?50?6?17.3mm

h10??0.578

h017.3g19??1.5

g06根据文献[28]查表（5-28），（5-29），（5-30），（5-31）得：

f=1.00 F=0.84 V=0.32 T=1.32 U=2.5 Y=2.32 Z=1.40

于是

e?d1?F0.84??0.0486

h017.3U2.52h0g0??17.3?62?4865.6mm3

V0.32???e?1?3T25?0.0486?1253????5.43

d11.004865.6fM1.00?1045.2??0.11MPa

22?Dig15.43?50?6?轴向应力：?z?径向应力：

?r?M1045.2(1?1.33?e)?(1?1.33?25?0.0486)?0.016MPa

?Di?25.43?50?252 12

柱式气液旋流分离器结构设计

周向应力：?t?YM2.32?1045.2?Z???1.40?0.016?0.056MPa

rDi?250?252??Z?1.5[?]TMPa

F?1.5?150?225?r?[?]tf?150MPa

?t?[?]tf?150MPa

?Z??r2?0.11?0.016?0.063MPa?[?]tf

2?Z??t20.11?0.056??0.083MPa?[?]tf2

? 拟定法兰尺寸及选材合适，可安全使用

因为管道法兰的内径符合工称直径系列，应选用标准管道法兰。根据参考文献[24]管道法兰标准选用公称压力为1.6MPa带颈平焊法兰，材料：16Mn,常温下允许的工作压力为1.6MPa.管道法兰标记：管法兰MFM1.6-49.5 SH3406-92.

7.1筒体及筒体与封头焊接结构设计

1.筒体与筒体以及筒体与封头焊缝焊接接头型式和尺寸选用UG24(HG20583-1998).

2.根据GB/T14957-947选用焊丝的牌号H10Mn;根据GB12470-70选用焊剂的牌号HJ431型号HJ401-H08A.

3.焊接采用埋弧焊,对焊缝进行100%的射线探伤检测,要求符合GB3325-87中的Ⅱ级为合格.

7.2接管与筒体焊接结构设计

1. 筒体与接管的焊接接头型式和尺寸选用G2 GB20583-1998,其示结构如图2所示.

2. 根据GB/T518-95《低合金钢电焊条》选用焊条牌号J502，型号E5003。

3. 焊接采用手工电弧焊,对焊缝进行100%的射线探伤检测,要求符合GB3325-87中的 13

Ⅱ级为合格.

7.3带颈平焊法兰与接管焊接结构设计

1. 带颈平焊法兰与接管焊接接头尺寸选用F6(JB4700~4703-92),其结构如图4所示。

2.根据GB/T518-95《低合金钢电焊条》选用焊条牌号J507，型号E5015。

3.焊后对焊缝进行100%的射线探伤检测,要求符合GB 3325-87中的Ⅱ级为合格.

5、气液两相流场的数值模拟

5.1 数值计算方法简介

计算流体力学作为流体力学研究中的一门新兴分支，正在工业和科研领域内发挥越来越重要的作用。将CFD工具运用到分离机械的研究中，也成为工程技术人员改进设计、提高效率的有效手段，是CFD应用的前沿。一些成熟的算法，模型也以商业 14

柱式气液旋流分离器结构设计

软件的形式出现在工程及科研领域。相比研究单位自行开发的计算程序，商业计算软件一般具有以下特点：

● 通用性广。由于商业软件面向的用户对象广泛，处理的实际问题多种多样，因此其覆盖的应用范围要尽可能广。

● 计算稳定性好。多数软件经过不同研究领域内的算例测试，对不同类型的问题具有较好的适应能力。

● 使用方便，商业软件都提供了比较友好的用户界面，方便用户的使用。

一般商业软件也存在一些明显的不足，例如：算法相对陈旧，不能紧跟CFD研究领域内的最新成果；与不同行业内的实际要求存在一定的距离，难以将各研究单位已有的研究成果结合到商业软件中。这在一定程度上限制了商业软件在工程实际中的应用。

本文运用Fluent软件对离心是分离器的内流场进行分析计算，Fluent公司是享誉世界的最大计算流体力学（CFD）软件供应商，Fluent软件能够精确地模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等复杂的饿流动现象。应用领域包括：航空航天、汽车设计、生物医药、化学处理、石油天然气，发电系统、电子半导体、蜗轮设计、HVAC、玻璃加工等。FLUENT具有精度高，收敛快，稳定性好等特点，同时可通过添加拥护自定义的函数（UDF）解决实际具体问题。

Gambit是前置处理器，能针对极其复杂的几何外行生成三维四面体，六面体的非结构化网络及混合网络。该模块还具有方便的网络检查功能，对网络单元体积、扭曲率、长细比等影响收敛和稳定的参数进行统计并生成报告。

5.1.1 控制方程

对于所有的流动问题，FLUENT需要求解质量和动量守恒方程。对于热传导或可压缩流动，需要解能量守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动，需要解组分守恒方程或者使用PDF模型来解混合分数的守恒方程。当流动是湍流是，还要解附加的输运方程。

FLUENT可以在惯性坐标系（无加速坐标系）和具有加速度的参考坐标系（旋转坐标系）中建立流动模型。在旋转坐标系中，通过建立一个与旋转设备一起运动的相对坐标系来建摸，近似认为流体旋转角速度为常数，旋转边界相对与参考系静止。

在旋转坐标系中，绝对速度v或相对速度v的关系如下：

?????r?????r

?? 15

?其中

?─角速度向量（即旋转坐标系的角速度）；

r─旋转坐标系中的位置向量

旋转坐标系中的质量守恒方程（连续性方程）：

????????????Sm

?t其中

???????

???y?z?源项S上假如到连续性相的第二相质量（比方说由于液滴的蒸发，质量发生变化），源项也可以是自定义源项。

惯性坐标系中的动量方程：

???????????????vv????p????????g?F

?t??其中p是静压，τ是应力张量，ρg和F分别是中立体积力和外部体积力（如离散相?相互作用的产生的升力）。F包含了其它的模型相关源项，如多孔介质和自定义源项。

?T2????应力张量

?????V??V???VI?

3????其中：μ─分子粘性；

I─单位张量。

旋转坐标系中的动量方程为：

???G???????v??????vv?????v???p????????g?F

?t?????r 项，因此不能用动量方程的相对速度表达式准由于在FLUENT中忽略了??t??确的计算随时间变化的角速度。

5.1.2湍流模型

湍流是由大小不同尺度的旋涡组成，对时间和空间都是非线性的随机运动。它最本质的特征是“湍动”，既随机的脉动。湍流流场是无数不同尺寸涡旋相互掺混的流动场。湍流的出现影响着整个流场的速度、压力、温度和物质浓度的分布。

目前，关于紊流的数值计算可分为细观模拟和统观模拟。完全模拟、大涡流模拟属于细观模拟。完全模拟（Direct Numberical Simulation DNS）在湍流尺度的网格尺寸内求解N ─S方程而不使用任何湍流模型。该方法必须采用很少的时间和空间步长。如文献估算，长。如文献估算，对一个涡旋进行数值计算，至少要设置十个节点， 16

柱式气液旋流分离器结构设计

这样对于一个小尺寸范围内的紊流运动要在1cm 的流场中布置10个节点。显然，完全模拟在短期尚无法用于求解实际工程中的复杂湍流问题。大涡流模拟（Large Eddy

Simulation LES）是在大涡尺度的网格尺寸内求结N─S方程，由于计算量仍很大，只能模拟一些简单流动，如弯道等，目前也不能直接用于工程。而基于求解雷诺时均方程的模拟，即统观模拟，利用某些假设将雷诺时均方程中高阶未知关联项或者时均量来表达，从而使雷诺时均方程封闭。因此统观模拟当前成为解决工程实际问题的有效手段。

所谓湍流模型理论就是以雷诺平均运动方程为基础，依靠理论与经验引进一些模拟假设，建立一组描述湍流平均值的封闭方程组的计算方法。该模型的平均行为，应与实际的湍流统计平均行为基本一致。

1925年Prandtl提出的动量传递理论以及后来提出的自由剪切层模型、泰勒的涡量传递理论的冯-卡门的相似性理论等一系列半经验理论，其基本思想都是建立关于雷诺应力的模型假设，使雷诺平均运动方程得以封闭。由于只考虑了一阶湍流统计量的动力学微分方程，即平均运动方程，仅引人附加的代数关系而没有引进任何高阶统计量的微分方程，因此属于零方程模型。这种模型对运动的预测性很差，不适用于有回流的复杂运动。

Kolmogorov和Prandtl提出的单方程模型虽较半经验理论有所改进，且Cd和Cu值也较容易确定，但L值的确定并不比混合长度的确定容易。因而单方程模型同样只适用于简单流动，不适用于带回流的复杂流动。

在所有的双方程模型中，K-ε双方程模型的应用最为普遍，先后由周培源（1945）、Harlow-Nakayama(1968) 、Jones-Launder(1972)提出。在进一步简化的模型中，人们放弃给雷诺应力建立方程的想法，将它们直接用推广的Bossinesq涡粘性模式来表示。大量的预报及实验结果对照表明，K-ε模型可以成功或基本成功用于以下几种情形：无浮力平面射流、平壁边界层、管流、通道流或喷管内流动、无旋涡及弱旋的二维和三维流动。由于它采用了同向性湍流疏运的假设，故它不适应具有非同向性湍流输运的强旋流。

在离心分离器内流场中，因切速度远远大于径向和轴向分量，因而，通常采用雷诺应力模型（RSM）、代数应力模型（ASM）或RNG模型来代替K-ε模型。

雷诺应力模型RSM对雷诺应力及通量项采用微分方程直接求解，具有很大通用性，这一模型的优点在于可准确地考虑各向异性效应。

代数应力模型（ASM）是雷诺应力模型在一定条件下的简化表达式，表达式形式 17

随简化条件而异，由应力代数表达式加上κ及ε方程构成，因此又称为扩展的K-ε模型或者2个半方程模型。应用该模型可避开求解雷诺应力方程所面临的十分复杂的计算工作，又较好地预报了流动的各向异性的特点。

RNG K-ε模型是一种修正的K-ε模型，在文献[33][34]中有较详细的讨论。它从原始的基本方程推导而来，其中使用了所谓的“Kolmogorov”数学技巧。Kolmogorov定律：E（k）=k 。RNG模型是一个更一般，更基本的模型，尤其对强旋流流场及高曲率流线的离心分离器有着很好的改进效果。

在FLUENT中有多种湍流模型可选择，包括常用的Spalart-Allmaras单方程模型、标准K-ε模型、和K-o模型、雷诺应力模型以及大旋涡模型。选择合适的湍流模型是数值计算中及其重要的环节，不同湍流模型的使用会产生不同的流场细节。本文应用RNGK-ε模型预测离心式分离器的内流场。

5.1.3多相流模型

多相流的数值计算方法有两种：欧拉—拉格朗日（Euler-Lagrange）方法和欧拉—欧拉（Euler- Euler）方法。

1.拉格朗日离散项模型

在Fluentzhong中的拉格朗日离散项模型遵循欧拉—拉格朗日方法。流体相为连续相，直接求解时均N-S方程，而离散相通过计算流场中大量的粒子，气泡或是液滴的运动得到。离散相和流体相之间有动量、质量和能量的交换。该模型假设离散相（第二相）的体积比率很低。粒子或液滴运行轨迹的计算是独立的，被安排在流相计算的指定间隙完成。这样处理能较好的符合喷雾干燥，煤和液体燃料燃烧，以及一些粒子负载的流动情况，但是不适合用于液-液混合物，流化床和其它第二相体积率不容忽略的情形。

2.欧拉—欧拉模型

在欧拉—欧拉方法中，不同的相被处理成互相贯穿的连续介质。由于一种相所占的体积不能被其他相占有，故引入相体积分数（phasic volume fraction）。体积分数是时间和空间的连续函数，各相的体积分数之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程，这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系，从而使上述方程封闭，另外，对于小颗粒流（granular flows），可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。在FLUENT中，有三种欧拉—欧拉多相流模型：流体体积模型（VOF），混合（Mixture）模型以及欧拉（Euler）模型。混合模型和欧拉模型主要用于模拟相间的混合和分离。

（1）流体体积模型（VOF）

柱式气液旋流分离器结构设计

VOF模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一相的体积分数来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括预测流体中大气泡的运动和气液界面的稳态和瞬态变化。

（2）混合模型（Mixture）

混合模型求解混合物的动量方程，并通过相对速度描述离散相。混合模型是欧拉模型在几种情况下的很好替代。当颗粒相广泛分布或界面规律未知时，完善的多相流模型是不切实际的。在这种情况下，混合模型能取得较好的结果。

混合模型的应用包括低负载的粒子负载流，气泡流，沉降，以及旋风分离等多相流。混合模型也可用于没有相对速度的均匀多相流。

（3）欧拉模型（Eulerian）

欧拉模型是Fluent中最复杂的多相流模型。它建立含有n个动量方程和连续方程的方程组来求解各相。压力项和各界面交换系数耦合在一起，耦合方式依赖于所含相的情况。颗粒流（液—固）与非颗粒流（液—液）的处理是不同的。对于颗粒流，可应用分子运动理论求得流动特性。不同相之间的动量交换也依赖于混合物的类别。该模型的应用包括气泡柱，上浮，颗粒悬浮，以及流化床。

3.多相流求解策略

解决多相流问题，先选择最能符合实际的流体模式。然后根据不同的模式，选择恰当的多相流模型。如在气—液或液—液多相流中，大致有泡状流，弹状流，断塞流及自由液面流四种模式。对于离心分离器，主要是分离在来连续液相中分散的小气泡（含气率为10%左右），气泡的运动一般认为是泡状流，可选用混合模型或欧拉模型。以下为混合模型和欧拉模型的求解策略。

启动混合模型求解，采用0.2或更小的滑流速度欠松弛因子开始计算。如果解显示出好的收敛趋势，可逐渐增加欠松弛因子。初始计算是可以不求解题解分数和滑流速度方程，当计算收敛后，在求解这些方程。

启动欧拉模型求解，为了提高收敛性，在求解多相流模型前可以先获得初始解再继续计算。初始解可通过混合模型得到。由于欧拉模型对内存及收敛要求较高，在下面的数值计算中，多相流模型选用混合模型。

5.1.4 数值计算方法

目前关于数值计算的方法有：有限差分法、有限元法、边界元法等。在CFD中，有限差分法占主导地位，且最为成熟，目前已经发展了多种收敛性好、精度高的离 19

散格式，较常用的有：Taylor（泰勒）展开法、有限容积法。与有限差分法相比，有限单元法在流体力学应用还远远不够成熟，易出现数值溢出、数值发散等问题。Flent采用有限容积离散动量方程，速度和压力耦合采用SIMPLE、SIMPLEC及PISO算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QUICK等格式。在多种情况下，中心格式的计算稳定性好于迎风格式。代数方程可以采用多重网格及最小残差法。

对于旋转坐标系中的流动问题，求解过程经常变得不稳定。这是因为当旋转项的影响很大时，动量方程高度耦合。高速的旋转会产生一个很大的径向压力梯度，从而推动流体向轴向和径向流动，并在流场中形成旋涡或旋度的分布。为了改善求解的稳定性，可以采用以下方法：

●采用PRESTO方法离散压力项，这种方法非常适合于旋流中的大压力梯度。

●减小速度的欠松弛因子，将设为0.3～0.5或更低。

●用一个较低的旋转速度开始计算，然后逐渐增加，最后获得合理的结果。

5.1.5 边界条件的处理

边界条件包括流动变量在在边界处的值。FLUENT中可处理的边界条件包括：进口边界条件（压力、速度、质量进口、进风口、进气扇、压力出口、压力远场边界条件，质量进口、通风口、固体壁面、对称面、周期边界、轴，内部区域：流体、固体；内部表面边界：风扇、换热器、多孔跳跃、壁面、内部类型。

5.2 计算前处理

计算前处理主要包括离心式分离器三维流道模型的建立及网格的划分。在本文采用FLLUENT的前处理器Gambit来实现。

柱式气液旋流分离器结构设计