螺旋管内油水分离流场数值模拟分析

第２２卷第１期　２０１０年２月　

中国海上油气　

ＣＨＩＮＡ　ＯＦＦＳＨＯＲＥ　ＯＩＬ　ＡＮＤ　ＧＡＳ　Ｖｏｌ＿２２　ＮＯ．１　

Ｆｅｂ．２０１０　

螺旋管内油水分离流场数值模拟分析　王　涛　李清平　喻西崇　姚海元　（中海油研究总院）　摘　要　利用Ｆｌｕｅｎｔ软件，采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　ｋ－ｅ模型对不同流速、不同开孔条件下螺旋管内部流场　进行了数值模拟分析。入口流速较高时，螺旋管内油水界面为向内侧管壁倒伏的“Ｖ”字形，“Ｖ”字　形内侧为油相，外侧为水相；螺旋管横截面上流体速度与压力沿径向由内侧管壁向外侧管壁逐渐增　大。根据模拟结果提出了螺旋管开孔优化设计方法：在高入口流速下，螺旋管外侧管壁开孔位置应　选择在螺旋管横截面水平位置及其上、下一定角度处（同时开孔），从而提高油水分离效率；在保证　管内压力为正值的前提下，可考虑在内侧管壁开孔释放分离出的油。为降低系统压损，应尽量降低　入口流速。　

关键词　螺旋管　油水分离　数值模拟　开孔位置　

螺旋管旋流分离技术是一种油水分离技术，　目前还处于工业试验和数值模拟研究阶段。“十　五”期问，中海石油研究中心与中国科学院力学研　究所合作率先将螺旋管旋流分离技术应用到了工　业试验分离器样机中，通过现场试验取得了较好　的油水分离效果；同时，中国科学院力学研究所龚　道童、周永等人采用多相流模型对螺旋管在低入　口流速（０．７９７　ｍ／ｓ）下的油水分离进行了数值模　拟和实验研究，提出了低人口流速下螺旋管管壁　的最佳开孔位置¨１　］。在低入口流速下，由于流体　所受的径向离心加速度较小，此时重力加速度对　油水分离是一项不能忽略的重要影响因素，同时　较低的径向离心加速度也不利于油水快速分离。　而在高速旋转情况下，液滴能得到较大的离心加　速度，油水会产生快速分离，分离系统的分离效率　能得到提高，这样就能大大减小分离系统的体积。　高效、紧凑螺旋管油水分离系统的研究，对于螺旋　管旋流分离技术在海洋采油平台工艺分离系统中　的应用有着重要意义。本文对入口流速为１．５～　１５．０　ｍ／ｓ情况下螺旋管内流场、管线压降进行了　模拟分析，并选择较高人口流速（１５．０　ｍ／ｓ）模拟　了不同开孑Ｌ位置下螺旋管内油水分布状况，并根　据模拟结果提出了一种有助于螺旋管内油水快速　分离的新开孔方法。　１模型选择及数值模拟条件　１．１　模型选择　在数值模拟计算中，模型的选择直接影响到模　拟结果的正确性。大量的紊流计算表明ｋ－ｅ模型具　有较好的计算稳定性、经济性和计算结果的准确　性ｌ３］，但是标准是一￡模型在处理Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力的各　个分量时假定粘度系数　是相同的，即假定　是　各向同性的标量，而在弯曲流线的情况下，湍流实际　上是各向异性的，因此／１　也应该是各向异性的张　量。文献Ｅ４３中指出，标准ｋ－ｅ模型在时均应变率特　别大的情形下有可能导致负的正应力，从而可能导　致模拟结果失真。而Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ是一￡模型在计算湍　动粘度时充分考虑了旋转的影响，这样就使模拟结　果能够更加接近实际情况，因此本文选用了Ｒｅａｌｉｚ—　ａｂｌｅ　ｋ－ｅ模型。　在利用Ｆｌｕｅｎｔ软件计算时，对多相流模型选择　了混合模型。混合模型是一种简化的多相流模型，　可用来求解以不同速度运动的多相流动。它假设在　非常小的空间尺度上流体各相在速度上是平衡的，　相之间的耦合非常强烈，因此可用于均相流和有相　间滑移的多相流动数值模拟。　第一作者简介：王涛，男，工程师，主要从事多相流动研究。地址：北京市东城区东直门外小街６号海油大厦（邮编：１０００２７）。　第２２卷第１期　王涛等：螺旋管内油水分离流场数值模拟分析　５３　法及装置正在申请专利，在此不赘述。另外需要说　明的是，不管是在螺旋管外侧管壁还是内侧管壁开　孔，在设计开孔的尺寸和数量时都应该综合考虑人　口处流体的含油率、流量以及油水分离程度等因素　的影响，同时应考虑到部分流体从螺旋管内流出后　对整个螺旋管内部流场造成的影响。理论上讲，开　孔的尺寸应该越小越好，这样可以尽量降低流体流　出对螺旋管内部流场造成的影响；但同时要保证单　相流体能够通过各孔完全从螺旋管内流出，以达到　利用螺旋管进行油水分离的目的。　２．４不同入口流速下螺旋管系统压降分析　以不开孔螺旋管人口流速为横坐标，以系统整　体压降为纵坐标绘制曲线图（图９），由图９可见，　系统压降随着入口流速的增加而增大，入口流速　为１５．０　ｍ／ｓ时系统压降接近４个大气压（约４００　ｋＰａ），且压降曲线的斜率随着入口流速的增大逐渐　增大，表明螺旋管内流体的流动速度是影响螺旋管　压降的主要因素之一。因此，在将管内混合流体完　全分离开的前提下如何降低入口流速是需要确定的　问题。在实际应用中可以以数值模拟结果为基础确　定不同工况下螺旋管的最佳入口流速。　

入口流速（ｍ／ｓ）　图９不同入口流速下系统压降曲线　

３结论　（１）在较高的人口流速下管内油水界面为倒伏　的“Ｖ”字形。　（２）对螺旋管外壁进行开孑Ｌ时，开孔位置应根　据油水界面的位置和形状确定；高入口流速下，建议　将开孑Ｌ位置选择在管壁外侧水平位置及其上下一定　角度处（同时开孔），这样更有利于管内分离出的流　体流出。　（３）螺旋管人口处流体速度较高时，在保证整　个系统压力为正压的前提下，螺旋管内壁开孔方法　

适用范围较广。　（４）在保证油水有效分离的前提下，应尽量降　低入口流速，以降低整个系统的压损。　

参　考文　献　［１］龚道童，吴应湘，郑之初，等．变质量流量螺旋管内两相流数值　模拟［Ｊ］．水动力学研究进展：Ａ辑，２００６，２１（５）：６４０—６４５．　［２３周永，吴应湘，郑之初，等．油水分离技术研究之一：直管和螺　旋管的数值模拟［Ｊ］．水动力学研究与进展：Ａ辑，２００７，　１９（４）：５４０—５４６．　［３］陶文铨．数值传热学［Ｍ］．２版．西安：西安交通大学出版社，　２００１．　［４］ＭＯＩＮ　Ｐ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｆｌｏｗｓ　［ｃ］．ＡＩＡＡ　Ｐａｐｅｒ，９７—１５７６１，１９９７．　收稿日期：２００９—０２—１９改回日期：２００９—０３—２７　（编辑：张金棣）　

Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｏｉｌ—ｗａｔｅｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ　Ｗａｎｇ　Ｔａｏ　Ｌｉ　Ｑｉｎｇｐｉｎｇ　Ｙｕ　Ｘｉｃｈｏｎｇ　Ｙａｏ　Ｈａｉｙｕａｎ　（ＣＮＯＯＣ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１０００２７）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ｛ｌＯＷ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｆｌｕｅｎｔ　６．１　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ　ｋ一￡ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎ—　ｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ．Ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ—ｗａｔｅｒ　ｉｎｔｅｒ—　ｆａｃｅ　ｉｎ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ　ｗａｓ　ｓｈｏｗｎ　ａｓ　ｆａｌｌｉｎｇ—ｄｏｗｎ“Ｖ’’　ａｔ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｉｎｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｉｓ　ｉｎｓｉｄｅ　ｏｆ　“Ｖ”ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｉｓ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｏｆ“Ｖ”．ｍｅａｎｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｆｒｏｍ　ｉｎｓｉｄｅ　ｔｏ　ｏｕｔｓｉｄｅ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎ　ｏｐｔｉｍｕｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　ｏｎ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈａｔ，ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｉｎｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ｏｆ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ　ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｒ　ａｂｏｖｅ　１ｅｖｅ１　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｋｅｐｔ，ｔｈｅ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｏｎ—　ｓｉｄｅｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｓｉｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｔｏ　ｒｅｌｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｓｅｐａ—　ｒａｔｅｄ　ｏｉｌ．Ｔｈｅ　ｉｎｌｅｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ａｓ　ｌｏｗ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅｌｉｃａｌ　ｐｉｐｅ；ｏｉｌ　ｗａｔｅｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ；ｎｕ　ｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｈｏｌｅ　

（蕾生０ｏｌＩ）进出