离心式气液分离器主要结构参数分析_冯进
GLCC原理资料
离心式气液分离器设计学生：王茂辉机械工程学院指导教师：冯进机械工程学院【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 CycloneAuthor: 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 on.It’s a new disengaging equipment which replace the traditional volumetype 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 step.The 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 theoryexamination, 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 theengineering design and the theoretical design.【Key words】Under balanced drilling technology ，cyclone separator, Gas-Liquid two-phase flow, separation mechanism odel ，Design第一章引言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。
基于CFD的离心式气_液分离器结构设计及仿真优化_张慢来
收稿日期:2008 03 06基金项目:长江大学科研启动基金资助项目(801140010113)作者简介:张慢来(1979 ),男,广东汕尾人,讲师,硕士,现从事流体机械及工程方面的教学与研究工作,E mail:zhmanlai@ 。
文章编号:1001 3482(2008)10 0050 06基于CFD 的离心式气 液分离器结构设计及仿真优化张慢来,冯 进(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)摘要:运用CFD 技术优化设计了一种新型离心式气 液分离器,以去除气侵钻井液中的小气泡。
通过CFD 模拟,研究分析了该分离器内湍流状态下的2相流动,以及分层、分离、旋流等复杂现象。
模拟结果显示,由于分离器内的运动部件 转鼓旋转,钻井液形成强迫旋流,不同密度的气、液相在离心力作用下发生分离。
试验测试结果表明,该分离器试验模型的分离性能显著、稳定,保证了钻井液性能尤其是密度的稳定,从而验证了CFD 的有效性。
在内流场分析的基础上,对分离器试验模型进行仿真优化,改进了入口方式和转鼓结构。
结果表明,切向入口有利于改善来液的流动;分离器增加1个旁通管形成循环支路后,有利于降低背压,使排气管壁上的液滴流回到分离器。
关键词:离心式气 液分离器;2相流动;转鼓;分离性能中图分类号:T E931.102 文献标识码:ADesign and Simulation Optimization of C entrifugal Gas liqu id Separation Based on C FDZH ANG M an lai,FENG Jin(Col lege of Mechanical Eng ineer ing ,Y angtz e Univer sity ,J ingz hou 434023,China)Abstract:W ith the technolog y of CFD,a new kind of centrifug al gas liquid separ ation is designed and o ptimized to separ ate gas entrained in dr illing fluid.T he centr ifugal separator has an upper fluid inlet,an upper gas outlet,and the bottom is a fluid outlet.In this separator,a rotary drum mounted to a rotating shaft is driven by a m otor.T hrough CFD simulation,the turbulent tw o phase flow in the separato r is studied,and the complex phenom enon o f layer,separatio n,and sw irl is especially discussed.T he sim ulation result show s that a forced vo rtex is form ed during rotary drum rotating,and gas liquid tw o phase w ith different density is separated under centr ifu g al function.Further more,the separation efficiency of the produced ex perim ental separato r is tested,and it indicates that the centrifugal gas liquid separato r per for ms steadily and efficiently,thus the validity of CFD is verified.In additio n,on the basis of analyzing inner flow field,simu lation optimizatio n of exper im ental separato r is done to improve the structure of inlet and r otary drum.T he simulation result show s that tang ential inlet is m ore useful to im pro ve the fluid flo w,and the side pipe,fo rming a circulation,added to the separator is g ood to reduce back pr essure,and makes the dr oplet o n the w all of vent pipe flow back to the separator.Key words:centrifugal gas liquid separato r;tw o phase flow ;rotary dr um ;separatio n efficiency2008年第37卷 石油矿场机械第51期第50页 OIL FIELD EQUIPM ENT2008,37(10):50~55在钻井中,为了安全钻井防止井喷失控的事故发生,需要对受侵钻井液进行气、固、液、油4相分离[1],特别是气、液2相的有效分离是保证钻井液性能,尤其是密度稳定的有效手段。
一种新型离心式气液分离器分离性能的数值模拟与试验研究
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｎ ｗ ｋ ｎ ｆ ｅ ｔ ｆ ｇ ｌ ａ —ｉｕ ｄ ｓ ｐ ｒ ｔｒｉ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｓ ｐ ｒ ｔ ｇ ｓｅ ｔ ｉｅ ｎ ｄ ｌ ｎ ｕ ｄ ｓｒ ｃ ： ｅ ｉｄ ｏ ｎ ｒ ｕ ａ ｓ ｌ ｉ ｅ ａ ａｏ ｅ ｉｎ ｄ ｔ ｅ ａ ａｅ ａ ｎ ｒ ｎ ｄ ｉ ｒ ｌ ｇ ｆ ｉ ．Ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｕ ａ ｃ ｉ ｇ ｑ ｓ ａ ｉ ｉ ｌ ｈ ｅ ｔ ｆｇ ｉ ｌ ｓ ｐ ｒ ｔｒｉ ｃｕ ｅ ｖｎ ａ ｔ ｏ ａｙ ｄ ｕ ｗｈ ｃ ｕ ｔｄ ｔ ａｒ ｔ ｔ ｇ ｓ ａ ｔ ｓｄ ｖ ｎｂ ｔｒ Ｕ ｄ ｒｔｅ ｍｏｉｎ ｏ ｏａ ｉｇ ｅ ａ ａｏ ｎ ｌ ｄ ｓａ ｍｏ ｉｇ ｐ ｒ ｒ ｔｒ ｒ ｍ ｉ ｈ ｍｏ ｎｅ ｏ ｏ ａｉ ｈ ｆ ｉ ｒ ｅ ｙ ａ ｍｏｏ ． ｎ ｅ ｔ ｆ ｔｔ － ｎ ｉ ｈ ｏ ｒ ｎ
ｂ ａ ｅ ，ｆｒ ｅ ｗｉ ｉ ｇ ｆ ｗ ｉ ｆｒ ｄ ａ ｄ ｔｅ ｇ ｓ ｗ ｔ ｏ ｅ ｓｔ ｖ ｓ ｔｗ ｒ ｘｓｃ ｎｅ ，ｗ ｉ ｈ ｉｕ ｄ ｗ ｔ ｉｈ ｄ ｎ ｉ ｌｄ ｓ ｏｃ ｄ ｓ ｒ ｎ ｏ ｓ ｏ ｍｅ ｎ ｈ ａ ｉ ｌｗ ｄ ｎ ｉ ｍｏ ｅ ｏ ａ ｄ ａ ｉ ｅ ｔｒ ｈ ｌ ｔ ｅ ｌ ｉ ｉ ｈｇ ｅ ｓｔ ｌ ｌ ｈ ｙ ｅ ｑ ｈ ｙ ｍｏ ｅ ｕｗａ ｄ ｒ ｄ ａｌ ｓｒ ｓ ｌ ｏ ｆ ｃ ｆｃ ｎ ｒ ｕ ａ ｏ ｃ ．Ｆ ｒｒｌ ｔ ｅ ｍｏ ｉｎ ｅ ｉｔ ｇ ｂ ｔ ｅ ｎ ｄ ｆ ｒ ｎ ｈ ｅ ｆｇ ｓａ ｄ ｌ — ｖ ｓ ｏ ｔ ｒ ａ ｉｌ ａ ｅ ｕ ｔ ｆ ｆ ｔｏ ｅ ｔ ｆ ｇ ｆ ｒ ｅ ｏ ｅ ａｉ ｔ ｘ ｓｉ ｅ ｗ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｙ ｅｅ ｉ ｌ ｖ ｏ ｎ ｆ ｐｓ ａ ｑ
离心式气液分离器流场的全三维数值模拟
[收稿日期]6 [作者简介]冯进(5),男,年大学毕业,博士,教授,现主要从事流体机械及工程方面的教学与研究。
离心式气液分离器流场的全三维数值模拟 冯 进,丁凌云,张慢来 (长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)[摘要]针对适用于高密度、高粘度钻井液气液分离系统二级分离的离心式气液分离器,运用CFD 商业软件对其进行了全三维数值模拟,通过选取适当的数学物理模型得出了分离器内部气液两相流的运动情况和分布状况,探讨了分离器内的局部流场情况,指出了原模型的一些不足,提出了改进后的分离器模型。
[关键词]离心式气液分离器;气液两相流;流场;数值模拟[中图分类号]TQ051184[文献标识码]A [文章编号]16731409(2006)04011204离心式气液分离器是依据离心分离原理实现相间的分离,具有结构简单、能耗低、重量轻、应用方便等优点。
理论和试验研究表明,改进离心式气液分离器的结构对提高其性能具有重要的作用。
然而,由于分离器内部气液两相的运动非常复杂,对其流场的研究存在着一定难度。
随着科学技术的发展,计算流体动力学软件(Computational Flui d Dynamics ,CFD )技术不断完善,已越来越广泛应用于流体力学的各类问题的计算机模拟。
现代CFD 技术在很大程度上可替代耗资巨大的流体动力学实验,在科学研究和工程技术中产生巨大的影响[1]。
笔者借助FL UEN T CFD 软件平台,采用N 2S 方程[2](RANS),配合k 2εRN G 湍流模型[3],对离心式气液分离器流场进行了全三维数值模拟计算。
考虑分子粘滞力的影响,壁面区域采用壁面函数法处理。
在入口处采用速度入口边界条件,在出口处采用压力出口边界条件,而对于转鼓则采用旋转壁面边界条件。
求解时采用SEG 2RE G A TED 算法,利用非结构网格上的SIMPL EC 方法[2]实现压力速度的耦合。
通过对不同结构参数分离器流场的模拟,得出了一些有价值的流场信息,并在此基础上提出了改进模型。
离心泵的工作原理及主要部件性能参数Word版
离心泵的工作原理及主要部件性能参数离心泵——生产中应用最为广泛，着重介绍。
§ 2.1.1离心泵（Centrifugal Pumps）一．离心泵的工作原理及主要部件1．工作原理如左图所示，离心泵体内的叶轮固定在泵轴上，叶轮上有若干弯曲的叶片，泵轴在外力带动下旋转，叶轮同时旋转，泵壳中央的吸入口与吸入管相连接，侧旁的排出口和排出管路9相连接。
启动前，须灌液，即向壳体内灌满被输送的液体。
启动电机后，泵轴带动叶轮一起旋转，充满叶片之间的液体也随着旋转，在惯性离心力的作用下液体从叶轮中心被抛向外缘的过程中便获得了能量，使叶轮外缘的液体静压强提高，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s。
液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体的流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的压强进一步提高。
液体以较高的压强，从泵的排出口进入排出管路，输送至所需的场所。
当泵内液体从叶轮中心被抛向外缘时，在中心处形成了低压区，由于贮槽内液面上方的压强大于泵吸入口处的压强，在此压差的作用下，液体便经吸入管路连续地被吸入泵内，以补充被排出的液体，只要叶轮不停的转动，液体便不断的被吸入和排出。
泵离心泵旋转泵漩涡泵往复泵由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。
气缚现象：不灌液，则泵体内存有空气，由于ρ空气<<ρ液，所以产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，达不到输液目的。
通常在吸入管路的进口处装有一单向底阀，以截留灌入泵体内的液体。
另外，在单向阀下面装有滤网，其作用是拦阻液体中的固体物质被吸入而堵塞管道和泵壳。
启动与停泵：灌液完毕后，此时应关闭出口阀后启动泵，这时所需的泵的轴功率最小，启动电流较小，以保护电机。
启动后渐渐开启出口阀。
停泵前，要先关闭出口阀后再停机，这样可避免排出管内的水柱倒冲泵壳内叶轮，叶片，以延长泵的使用寿命。
离心泵的工作原理及主要部件性能参数
离心泵的工作原理及主要部件性能参数离心泵是一种常见的工业设备，广泛应用于水处理、化工、石油、能源等领域。
它通过离心力将液体从低压区域输送到高压区域，实现液体的输送和增压。
下面将详细介绍离心泵的工作原理和主要部件的性能参数。
一、离心泵的工作原理离心泵的工作原理基于离心力的作用。
当电机驱动叶轮高速旋转时，液体被吸入泵的中心，并沿着叶轮的叶片被甩离。
这个过程中，液体受到离心力的作用，从而产生压力，推动液体流动。
离心泵通常由进口、叶轮、出口和密封装置等部件组成。
1. 进口：进口是离心泵的入口，用于吸入液体。
进口通常具有一定的尺寸和形状，以确保液体能够顺利进入泵体。
2. 叶轮：叶轮是离心泵的核心部件，也是产生离心力的关键。
叶轮通常由多个叶片组成，当电机驱动叶轮旋转时，液体被甩离叶轮，产生离心力。
3. 出口：出口是离心泵的出口，用于将液体排出。
出口通常具有一定的尺寸和形状，以确保液体能够顺利流出泵体。
4. 密封装置：密封装置用于防止液体泄漏。
常见的密封装置包括填料密封和机械密封。
填料密封通过填充密封材料来实现密封，而机械密封则通过机械装置来实现密封。
二、离心泵的主要部件性能参数离心泵的性能参数对于选择合适的泵型和使用情况非常重要。
以下是离心泵的主要部件性能参数的详细介绍：1. 流量：流量是指单位时间内通过泵的液体体积。
它通常以立方米每小时（m³/h）或加仑每分钟（GPM）为单位。
流量的大小决定了泵的输送能力，对于不同的应用场景，需要选择适当的流量。
2. 扬程：扬程是指液体从进口到出口所需的总能量。
它通常以米（m）或英尺（ft）为单位。
扬程的大小决定了泵的输送距离和输送高度，对于不同的应用场景，需要选择适当的扬程。
3. 功率：功率是指泵所需的能量。
它通常以千瓦（kW）或马力（HP）为单位。
功率的大小决定了泵的能耗和驱动能力，对于不同的应用场景，需要选择适当的功率。
4. 效率：效率是指泵的能量转化效率。
泵与压缩机-离心泵1-5讲解
4．轴面液流过流断面
轴面液流过流断面的概念与一般液流的过 流断面一样，是指同一流过流断面上所有液体 质点的轴面速度均与此面相垂直，称此面为轴 面液流过流断面。它是绕泵轴的一个旋转面。
二、液体在叶轮中的流动分析
1.几点假设
液体是沿轴向进入叶轮中心，然后沿径向 流出叶轮，再流入泵的压液室内。液体在叶轮 流道内的流动情况较为复杂，它在流过叶轮的 同时又被叶轮的叶片强迫着一起转动，使研究 和分析更加困难。为了便于从理论上进行分析， 引用以下两点假设：
§2.1.2 离心泵的工作原理
1. 工作过程
离心泵在启动之前，泵内应灌满液体，此过 程称为灌泵。工作时，原动机通过泵轴带动叶轮 旋转，旋转叶轮中的叶片驱使液体一起旋转，因 而产生离心力。在离心力作用下，液体沿叶片流 道被甩向叶轮出口，并流经蜗壳送入排出管。液 体从叶轮获得能量，使压力能和速度能均增加， 并依靠此能量将液体输送到工作地点。
5．按泵轴的方向 (1)卧式泵 泵的轴线处于水平布置的泵。 (2)立式泵 泵的轴线处于水平布置的泵。
6．按泵的用途 清水泵、污水泵、砂泵、杂浆泵、输油泵、
耐腐蚀泵、热油泵等。
§2.1.4 离心泵的主要工作参数
离心泵的主要工作参数包括：流量、扬程、 功率、效率、转速和汽蚀余量等。 1．流量
流量是指泵在单位时间内输送的液体量， 通常体积流量用Q表示，通常的单位 m3 / s 。 2．扬程
出口速度三角形的底边u2为叶轮叶片出口 边的圆周速度，大小按下式计算：
式中：
u2
D2 n
60
u2—叶轮叶片进口边的圆周速度(m／s)； D2 —叶轮进口边的 直径（m）； n —叶轮转速(r／min)。
出 口 速 度 三 角 形 的 高 C2r ， 只 与 流 量 和 叶 轮流道的通流面积有关。假设叶片为无限多、 无限薄的叶轮径向分速为 c2r ，则其大小可用 下式计算：
基于CFD的离心式气-液分离器结构设计及仿真优化
在 离心 力作 用 下发 生分 离。试验 测试 结果表 明 ， 分 离 器试验 模 型 的 分 离性 能 显著 、 定 ， 该 稳 保证 了
钻井液 性能 尤其是 密度 的稳 定 ， 而验证 了 Ｃ Ｄ 的 有 效性 。在 内流 场 分析 的 基 础上 ， 分 离器试 从 Ｆ 对
验 模 型进行 仿真 优化 ， 改进 了入 口方 式和转 鼓 结构 。结 果表 明 ， 向入 口有 利 于改善 来液 的 流动 ； 切
文献标 识码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ Ｏｐｔｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｎｔｉ ｕ ａ ｓｌｑｕ ｄ Ｓ ｐ ｒ ｔｏ ｓ ｄ ｏ ｓｇ ｎ ｉ ｌ ｔｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆ Ｃｅ ｒｆ ｇ ｌＧａ —ｉ ｉ ｅ ａ ａ ｉ ｎ Ｂａ ｅ ｎ ＣＦＤ
分 离 器 增 加 １个 旁 通 管 形 成 循 环 支 路 后 ， 利 于 降 低 背 压 ， 排 气 管 壁 上 的 液 滴 流 回 到 分 离 器 。 有 使 关 键 词 ： 心 式 气一 分 离 器 ； 流 动 ； 鼓 ； 离 性 能 离 液 ２相 转 分
中图分 类号 ： Ｅ ３．０ Ｔ ９ １１２
过 Ｃ Ｄ模 拟 ， 究分析 了该 分 离器 内湍 流状 态下 的 ２相 流 动 ， Ｆ 研 以及 分层 、 离、 流 等 复 杂现 象。 分 旋
模 拟 结 果 显 示 ， 于 分 离器 内的 运 动 部 件 —— 转 鼓 旋 转 ， 井 液 形 成 强 迫 旋 流 ， 同 密 度 的 气 、 相 由 钻 不 液
ｒ ｔ ｒ ｒ ｍ ｏ ａ ｉ ｏ ａ ｙ ｄ ｕ ｒ ｔ ｔｎｇ，ａ ｄ ｇ ｓ ｌｑ ｄ ｔ ｏ ｐｈ ｓ ｔ ｉｆ ｒ ｎｔｄ ｎ ｉｙ ｉ ｅ ａ ａ ｅ ｎｄ ｒｃ ｎｔ ｉｕ— ｎ ａ —ｉ ｕｉ ｗ ａ ｅ ｗｉｈ ｄ ｆｅ ｅ ｅ ｓｔ ｓｓ ｐ ｒ ｔ ｄ ｕ ｅ ｅ ｒｆ
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设计计算离心式气液分离器主要结构参数分析冯 进 丁凌云 张慢来 罗海兵(长江大学机械工程学院)摘要 在用于高密度、高粘度气侵钻井液的除气分离系统中,离心式气液分离器作为第二级分离器,其结构对分离性能有很大影响。
为了提高离心式气液分离器的分离效率,需对其结构参数作进一步分析。
按照正交试验方法,运用CFD商业软件对离心式气液分离器内流场进行了全三维数值模拟;分析了25个典型工况下每种模型内部气液两相流的运动情况和分布状况,得到了所有工况条件下分离器的分离效率;探讨了分离器主要结构参数对分离器分离效率的影响,提出了基于数值模拟基础上的理想分离器模型。
关键词 离心式气液分离器 气液两相流 流场 CFD 分离效率 数值模拟引 言离心式气液分离器是依据离心分离原理实现相间的分离,具有结构简单、能耗低、质量轻、应用方便等优点。
理论和实验研究表明,改进离心式气液分离器的结构对提高其性能具有重要的作用。
然而,由于分离器内部气液两相的运动非常复杂,对其流场的研究存在一定难度[1]。
随着科学技术的发展,CFD(Co m putational F l u i d Dyna m ics)技术不断完善,已越来越广泛地应用于流体力学各类问题的计算机模拟。
现代CFD技术在很大程度上可替代耗资巨大的流体动力学实验,在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。
笔者借助FLUENT CFD软件平台,按照正交试验法[2]进行规划,采用N-S方程(RANS)配合RNG - 湍流模型对离心式气液分离器流场进行了全三维数值模拟计算,探讨了分离器主要结构参数对分离器分离性能的影响关系。
试 验 规 划影响离心分离器分离性能的结构参数较多,任意结构的改变,都会对分离器的效率产生影响,全面考察每一项结构变化细节对分离器分离性能的影响,不仅工作量大,耗费时间长,而且考察一些不太重要的因素也完全没有必要。
在这里,主要考虑不同进口角度 、出口直径d、转鼓直径D1、液封高度h和漏斗锥度 等5个独立因素对除气效率的影响。
为了避免全面试验,提高效率,采取部分因子设计,进行25次正交模拟试验。
5项结构参数都取为5个水平,采用无因次方法。
表1为部分工况,分离器筒体内径D为400mm。
表1 部分正交试验方案试验序号/( )d/mm D1/mm h/mm /( )效率1880204210500 7761216100204290600 893032490204250650 842743290238290500 7258540120204330550 9019 1 几何模型几何模型以整个离心式气液分离器内流体流动区域及进液管和排液管为原型。
笔者用于计算的原始几何模型总体高度H=1560mm;筒体内径D= 400mm;转鼓初始直径D z=340mm,逆时针旋转;入口管直径d i=100mm;入口管当量长度L i =170mm,排气管和排液管初始直径均为d g o=d lo =100mm。
2 计算域选取及网格划分选取整个分离器内流体流动区域为计算域,由于计算区域形状比较复杂,采用四面体非结构化网格,在流场流动复杂的区域还对网格进行了加密处192007年 第35卷 第2期石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY理。
分离器的CFD 模型如图1所示,含107826个网格单元,转鼓部分网格如图2所示。
3 计算模型和边界条件工作介质为含有一定气量的钻井液,流量6 22m 3/h ,换算成入口速度为0 22m /s ,钻井液密度为1800kg /m 3,粘度0 05Pa s ,来液中气体体积分数为7%,气泡直径0 8mm ,转鼓转速1500r/m in 。
离心式气液分离器内的气液两相流动属于气体稀相流动,故将液体相看成连续相,而将气体看成分散相,数值模拟采用混合模型。
数值计算时运用分离的隐式求解方法、RNG - 模型。
同时,考虑离心式气液分离器内流体的强旋流动,对压力的离散采用PRESTO!(Pressure Staggering Opti o n)法[3],对动量方程和能量方程采用二阶迎风差分格式进行离散,速度与压力耦合采用SI M PLE 算法,连续性方程的收敛准则为10-5。
笔者的计算需要涉及到壁面边界和进出口边界。
进口边界取混合液的入口速度,同时确定第二相的体积分数。
气体出口和液体出口设为压力出口,表压为0。
固体壁面定义为无滑移壁面,其中转鼓设为旋转壁面。
对于紊流,需要说明其性质。
假设流场全为湍流流场,速度入口的上游流动充分发展,入口的湍流强度为5%,湍流粘性比为10%。
当残差下降到10-5以下,并且进、出口流量误差小于5%时认为计算收敛。
数值模拟结果与分析1 数值模拟结果评价通过数值模拟计算,检查其速度场和压力场分布情况,分别如图3、4所示。
由图3、4可以发现,当夹带有气泡的液流沿进口流道进入离心式气液分离器时,在转鼓旋转的作用下,因极强的离心力而形成强旋流动[4]。
在下部出口处检查发现液流中含气量明显减少,提取其进出口混合液密度,得到该分离器此种操作工况下的分离效率为77 6%,说明所采用的离心式气液分离器模型是成功的,可以用于承担高密度高粘度钻井液二级分离器的任务,同时鉴于分离器的分离效率并不是很理想,所以对该类型分离器进行优化设计是很有必要的。
图3 液相分布图图4 压力分布图2 分离器主要结构参数对分离性能的影响对数值模拟结果做极差分析,如表2所示。
表中m 1~m 5表示5项结构参数(与分离器直径之比)各自的5个水平。
通过将各结构参数对分离效率的影响排序,可以确定各个独立因素对分离效率的影响程度。
因素的极差越大,表明这个因素在不同的水平下,相应的除气效率之间差异大,这个因素对除气效率的影响也较大,是主要的。
反之,极差小,该因素影响小,是次要的。
从表2中还可以看出各因素的主次关系:转鼓直径>出口直径>进口角度>液封高度>漏斗锥度。
其中转鼓直径和出口直径对分离器的除气效率影响较大,是主要因素。
进口角度和液封高度对分离效率的影响次之,漏斗锥度对分离效率的影响最小。
下面仅就转鼓直径和出口直径对分离器的影响作进一步分析。
20 石 油 机 械2007年 第35卷 第2期表2 试验因素水平5项结构参数各自对应的分离效率进口角度出口直径转鼓直径液封高度漏斗锥度m10 80110 70200 71180 74940 8092 m20 74620 73650 78650 75660 7660 m30 80540 82870 85420 80090 7694 m40 77350 80100 80690 80320 7730 m50 78530 84390 75290 80200 7985极差R0 05920 14180 14250 05380 0432 从图5可看出,出口直径对分离器分离效率的影响较大。
分离效率随着分离器出口直径的增大逐渐增大,前一段基本上呈线性关系,但增大到一定程度后则趋于平稳,笔者的前期研究和实验研究结果表明,出口直径达到0 25D(即100mm)后对分离器分离效率影响不大。
转鼓是离心式分离器的核心部件,由图6的分离效率与转鼓直径的关系曲线可知,转鼓直径与分离器筒体直径比对分离器分离效率的影响很大。
模拟结果表明,分离效率随着分离器转鼓直径的增大而逐渐增大,但增大到一定程度后则呈下降趋势,对于笔者所建立的离心式分离器模型,转鼓直径在0 51D(即204mm)附近时,其分离效率达到最高点。
图5 分离效率与出口直径的关系曲线图6 分离效率与转鼓直径的关系曲线仿真计算的理想模型根据数值计算模拟结果,提出仿真计算的理想模型,其结构参数为:分离器外筒体直径440mm,内壁直径400mm,筒高1210mm,其他主要结构参数为:进口角度27 ,出口直径100mm,即约为分离器内壁直径的 ,转鼓直径为原模型直径的0 6倍,大小为204mm,即为分离器内壁直径的 为宜;液封高度在200~250mm均可取,偏小则不能保证大部分气体从上部排气管流出,偏大则会导致上部排气管携液问题加重;漏斗锥度取为60 即可,对分离器分离性能影响不大。
对理想离心式分离器模型进行数值模拟,其结果显示该优化模型进口混合液密度为1610 4454 kg/m3,分离后钻井液密度为1786 5067kg/m3,计算可得在同样的工作介质条件下该理想模型的分离效率为92 882%,明显有了很大的提高。
结果跟预计的一致,显然数值模拟计算能够给设计提供很好的指导。
结 论(1)原分离器模型基本上能满足实际运行要求,但需对其结构进行优化处理,提高其效率。
(2)模拟结果表明,转鼓直径和出口直径对分离器的除气效率影响较大,是主要因素。
进口角度和液封高度对分离效率的影响次之,漏斗锥度对分离效率的影响最小。
(3)仿真计算的理想模型具有更好的水力性能,能够显著地提高分离效率。
(4)采用CFD方法来数值模拟流体机械,能够大大减少试验次数,节省试验费用,缩短产品从设计到完善的时间。
参 考 文 献1 刘大有.两相流体动力学.北京:高等教育出版社,1993,46~552 侯化国,王玉民 正交试验法 长春:吉林人民出版社,1985,11:22~503 彭维明,张文秀.分离器中内部流场对分离性能的影响.石油学报,2001,22(6):77~854 H oekstra A J,D erksen J J A n expe ri m en tal and nu m er i ca lst udy o f turbulent s w irli ng fl ow i n gas cy clones Che m i ca l Eng ineer i ng Sc ience,1999,54:2055~2065第一作者简介:冯 进,教授,生于1958年,1997年毕业于石油大学(北京)石油天然气机械工程专业,获博士学位,现从事教学和流体机械及工程研究工作。
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收稿日期:2006-09-07(本文编辑 王志权)212007年 第35卷 第2期冯 进等:离心式气液分离器主要结构参数分析。