文 闖,曹學(xué)文,吳梁紅

(中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555)

新型超聲速旋流分離器設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

文 闖,曹學(xué)文,吳梁紅

(中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555)

設(shè)計(jì)一種靜態(tài)導(dǎo)向葉片安裝在拉伐爾噴管之前,使流體經(jīng)旋流后再進(jìn)入拉伐爾噴管進(jìn)行膨脹降溫的新型超聲速旋流分離器。新型超聲速旋流分離器中氣流的旋轉(zhuǎn)發(fā)生在亞聲速段,使得分離器內(nèi)的激波更容易控制,降低能量損失,使液滴的再蒸發(fā)影響程度減小,從而提高分離器的分離性能及壓力恢復(fù)能力。對(duì)新型超聲速旋流分離器內(nèi)流體的流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:隨著升壓比的增大,激波位置由擴(kuò)壓器向噴管方向移動(dòng),升壓比控制在 40%～73%內(nèi),超聲速旋流分離器可正常工作;氣流在拉伐爾噴管出口處形成低溫、低壓區(qū),馬赫數(shù)達(dá)到 2.0,靜溫達(dá) -98.82℃,靜壓達(dá) 82.945 kPa;新型分離器內(nèi)旋流場(chǎng)離心加速度可達(dá) 243 558g(g為重力加速度),能夠?qū)崿F(xiàn)良好的超聲速氣液旋流分離。

超聲速;旋流分離器;升壓比;激波;數(shù)值模擬

超聲速旋流分離器主要由拉伐爾噴管、超聲速整流管、旋流部件、擴(kuò)壓器等構(gòu)件組成,具有密閉無(wú)泄漏、無(wú)需化學(xué)藥劑、結(jié)構(gòu)緊湊輕巧、簡(jiǎn)單可靠 (無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件)、支持無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。第一代超聲速旋流分離器采用先膨脹再旋流原理,其旋流部件是安裝在超聲速整流管段的超聲速翼[5-6],當(dāng)氣流以超聲速流經(jīng)過(guò)該超聲速翼時(shí),軸向速度轉(zhuǎn)化為切向速度,產(chǎn)生巨大的離心力將氣流中的水和重?zé)N凝析液滴分離出來(lái)。但是,由于超聲速翼處于超聲速區(qū),速度的轉(zhuǎn)化是在超聲速條件下進(jìn)行的,翼后產(chǎn)生復(fù)雜的膨脹波和斜激波,這樣一方面導(dǎo)致激波難以控制,降低了分離器的壓力恢復(fù)能力,另一方面導(dǎo)致能量的損失增大,降低了超聲速旋流分離器的分離性能。因此,筆者針對(duì)第一代超聲速旋流分離器存在的不足,根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)的相關(guān)理論,設(shè)計(jì)一種靜態(tài)導(dǎo)向葉片安裝在拉伐爾噴管之前,使流體經(jīng)旋流后再進(jìn)入拉伐爾噴管進(jìn)行膨脹降溫的新型超聲速旋流分離器。

1 新型超聲速旋流分離器設(shè)計(jì)

將超聲速旋流分離器內(nèi)的軸向速度向切向速度的轉(zhuǎn)化設(shè)定在亞聲速條件下進(jìn)行,即在流體經(jīng)噴管膨脹到超聲速之前就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),則葉片后就不會(huì)產(chǎn)生膨脹波和斜激波,這樣便降低了分離器內(nèi)的能量損失,而且該結(jié)構(gòu)使得液滴的再蒸發(fā)影響程度減小,可有效地提高分離效率,同時(shí)膨脹波和斜激波的消失使得擴(kuò)壓器內(nèi)的激波變得容易控制,為提高分離器的壓力恢復(fù)能力提供了條件?；诖嗽O(shè)計(jì)思想,將該分離器的旋流部件安裝在亞聲速段,即將一組靜態(tài)導(dǎo)向葉片安裝在拉伐爾噴管之前,安裝位置如圖1所示。

圖 1 新型超聲速旋流分離器結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic di agram of new superson ic swirling separator

在分離器入口流量為 300 m3/h,入口絕對(duì)壓力為 0.6 MPa,溫度為 30℃的工況條件下,對(duì)該超聲速旋流分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)靜態(tài)導(dǎo)向葉片。流體在流經(jīng)分離器的靜態(tài)導(dǎo)向葉片后發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)氣流在超聲速?lài)姽苋肟诒砻娴那芯€(xiàn)方向產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)氣體射流,使發(fā)生凝結(jié)的液滴被拋向壁面。對(duì)靜態(tài)導(dǎo)向葉片采用葉柵設(shè)計(jì)法,葉型中心的形狀采用圓弧型,圓弧形中線(xiàn)由一段圓弧構(gòu)成。設(shè)計(jì)葉片弦長(zhǎng)為 60 mm,扭曲角為30°,安裝角為 40°。

(2)拉伐爾噴管。拉伐爾噴管可以使氣流膨脹以獲得超聲速,并在出口處形成低溫低壓。氣流在通過(guò)拉伐爾噴管的過(guò)程中,發(fā)生絕熱膨脹,沒(méi)有熱量的損失或增加,近似于等熵過(guò)程。在噴管內(nèi)溫度急劇下降的過(guò)程中,氣流達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)開(kāi)始凝結(jié),出現(xiàn)成核現(xiàn)象,隨后液滴開(kāi)始生長(zhǎng),形成氣液混合物。在該超聲速旋流分離器中,由于流體停留的時(shí)間特別短(只有幾毫秒),是一個(gè)不平衡的瞬態(tài)過(guò)程,因此不會(huì)形成水合物[7]。

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,拉伐爾噴管亞聲速收縮段采用雙三次曲線(xiàn)法設(shè)計(jì),喉部為一段光滑圓弧,超聲速擴(kuò)張段按富爾士消波法設(shè)計(jì)[8]。本工況下設(shè)計(jì)的拉伐爾噴管入口直徑為 70 mm,收縮段長(zhǎng)為130.62 mm,喉部直徑為 9.58 mm,擴(kuò)張段長(zhǎng)為36.12 mm,噴管出口直徑為 12.41 mm,噴管長(zhǎng)為166.74 mm。

雙三次曲線(xiàn)法公式為

式中,D1,Dcr,D分別為收縮段進(jìn)口、出口及任意 x處的截面直徑;L為收縮段長(zhǎng)度;Xm為前后兩段曲線(xiàn)連接點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo),本設(shè)計(jì)取 Xm=0.45。

(3)擴(kuò)壓器。擴(kuò)壓器是新型超聲速旋流分離器的重要部件,它相當(dāng)于二次壓縮機(jī),通過(guò)擴(kuò)壓器可將氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。由于擴(kuò)壓器入口處的氣流速度為超聲速,要求超聲速氣流進(jìn)入擴(kuò)壓器后能夠形成強(qiáng)烈的正激波,使氣流的速度降為亞聲速,所以在設(shè)計(jì)擴(kuò)壓器時(shí)主要考慮在總壓損失盡可能小的條件下將超聲速氣流減速至亞聲速狀態(tài),并提高擴(kuò)壓器的出口靜壓,以達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的背壓條件。本設(shè)計(jì)采用流量函數(shù)法將擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)成錐形[7],設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓器入口直徑為 12.41 mm,出口直徑為23.40 mm,長(zhǎng)為 104.82 mm。

本研究設(shè)計(jì)的分離器全長(zhǎng)為 571.56 mm,入口直徑為 70 mm,出口直徑為 23.40 mm,分離器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 新型超聲速旋流分離器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of new designed superson ic swirling separator

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 湍流模型選擇

超聲速旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)十分復(fù)雜,CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)是研究超聲速旋流分離器的重要手段,其中的 FLUENT軟件適用于模擬亞聲速、跨聲速和超聲速流動(dòng)的大范圍內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的可壓縮流動(dòng)。在 FLUENT給出的湍流模型中:零方程模型和一方程模型計(jì)算速度快,但計(jì)算精度偏低;雷諾應(yīng)力模型計(jì)算精度高,但計(jì)算量相當(dāng)大;二方程模型介于二者之間,其計(jì)算精度可滿(mǎn)足工程應(yīng)用,計(jì)算速度又能被目前的計(jì)算機(jī)所承受,因此在工程運(yùn)用中最為普遍。二方程模型中的 RNGk-ε模型適用于高雷諾數(shù)湍流場(chǎng)的求解,尤其對(duì)強(qiáng)旋流流場(chǎng)有著很好的改進(jìn)效果,因此考慮到計(jì)算精度和運(yùn)行速度,本研究中選用 RNGk-ε模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[9]。

2.2 計(jì)算方法

超聲速旋流場(chǎng)是在非常精細(xì)網(wǎng)格上的高速可壓縮流動(dòng),因此選用耦合隱式算法。流動(dòng)方程采用二階迎風(fēng)格式求解,湍流模型中湍流動(dòng)能方程和湍流動(dòng)能耗散率方程均采用一階迎風(fēng)格式求解?？紤]到計(jì)算精度,對(duì)流場(chǎng)參數(shù)變化劇烈的靜態(tài)導(dǎo)向葉片周?chē)M(jìn)行局部網(wǎng)格加密,加上耦合隱式算法所需內(nèi)存較大,提高了數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求,選用parallel算法可合理解決這一問(wèn)題[10]。

2.3 流體物性

數(shù)值模擬計(jì)算中流體介質(zhì)為飽和凝析氣,其天然氣物性及相平衡特性如下:

(1)密度。對(duì)于可壓縮流體的密度關(guān)系式,選取理想氣體狀態(tài)方程 p=ρRT,即密度變化遵照理想氣體定律,在 FLUENT密度選項(xiàng)中選擇理想氣體計(jì)算密度。

(2)黏性。與溫度相關(guān)的 Sutherland定律可以很好地適用于高速可壓縮流體。該定律使用理想化的分子間作用力勢(shì)函數(shù),公式是由二或三系數(shù)指定。本文選用三系數(shù)的 Sutherland黏性定律。

(3)熱傳導(dǎo)系數(shù)。模擬能量和黏性流動(dòng)時(shí)需要定義熱傳導(dǎo)系數(shù)。由于選用氣體定律定義密度,所以選用分子運(yùn)動(dòng)論定義熱傳導(dǎo)系數(shù)。

(4)比定壓熱容。在 240 K

2.4 邊界條件

針對(duì)超聲速可壓縮氣體流動(dòng)特征,設(shè)定進(jìn)口邊界為壓力入口,出口邊界為壓力出口,固體壁面采用無(wú)滑移、無(wú)滲流、絕熱邊界。對(duì)于高馬赫數(shù)可壓縮流動(dòng),操作壓力的意義不是很明顯,因此取操作壓力為零,采用絕對(duì)壓力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

進(jìn)、出口邊界需要指定的參數(shù)如下:

(1)總壓、總溫、靜壓和入口湍流參數(shù)。總壓、總溫和靜壓根據(jù)入口條件得到,指定湍流強(qiáng)度和黏性比作為湍流參數(shù)。

(2)靜壓、回流總溫和出口湍流參數(shù)。靜壓由設(shè)計(jì)的出口壓力給出,忽略壁面散熱和其他形式的能量損失時(shí),總能量不變,回流總溫與入口總溫相等,仍指定湍流強(qiáng)度和黏性比作為湍流參數(shù)。

3 分離器內(nèi)流體流動(dòng)規(guī)律分析

3.1 升壓比和激波

保持溫度和入口壓力恒定,調(diào)整出口壓力,研究升壓比 (定義為分離器出口靜壓與入口靜壓的比值)對(duì)激波的影響,分析結(jié)果如圖 3所示。圖 3中以拉伐爾噴管出口為零點(diǎn),旋流分離段長(zhǎng)為 100 mm,后接擴(kuò)壓器。研究表明,隨著升壓比的增大,激波由擴(kuò)壓器向拉伐爾噴管方向移動(dòng)。當(dāng)升壓比為 40%時(shí),激波位于擴(kuò)壓器內(nèi);當(dāng)升壓比為 73%時(shí),激波位置前移到擴(kuò)壓器入口;再增大升壓比,激波進(jìn)入旋流分離段,當(dāng)升壓比達(dá) 80%時(shí),激波進(jìn)入拉伐爾噴管。

因此,在恒定溫度和入口壓力,調(diào)整出口壓力的條件下,將升壓比控制在 40%～73%內(nèi),可保證激波在分離器旋流分離段以后,超聲速旋流分離器即可正常工作。升壓比的提高表明該新型超聲速旋流分離器的壓力恢復(fù)性能得到了改善,意味著天然氣流經(jīng)該分離器后壓能損失有所減少。

圖 3 升壓比對(duì)激波位置的影響Fig.3 Effect of relative pressure ratio on shock wave position

3.2 流場(chǎng)規(guī)律

對(duì)該超聲速旋流分離器內(nèi)部流體的流場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,截面平均馬赫數(shù)、平均靜溫、平均靜壓和平均切向速度沿軸向的變化規(guī)律如圖 4所示。從圖 4中可以看出,平均馬赫數(shù)在拉伐爾噴管之前基本為零,在噴管中快速增加,噴管出口處達(dá)到最大值2.0,之后在旋流分離段有所下降,在擴(kuò)壓器入口處產(chǎn)生突越,這是因?yàn)樵诖颂幃a(chǎn)生激波的緣故,馬赫數(shù)在經(jīng)擴(kuò)壓器后趨近于零。圖 4(b),(c)中顯示平均靜溫及平均靜壓在噴管之前基本保持不變,經(jīng)拉伐爾噴管膨脹后降至最低,在旋流分離段緩慢升高,在經(jīng)激波及擴(kuò)壓器的作用后有所恢復(fù)。由圖 4(d)可知,平均切向速度在靜態(tài)導(dǎo)向葉片之前基本為零,經(jīng)葉片旋流進(jìn)入拉伐爾噴管后迅速增大,進(jìn)入旋流分離段后有所減小,后來(lái)由于受到激波影響而急速下降,經(jīng)擴(kuò)壓器后趨近于零。

從以上分析可知,在設(shè)計(jì)的新型超聲速旋流分離器中,流體流速在拉伐爾噴管喉部處達(dá)到聲速,出口截面處達(dá)到超聲速,形成低溫低壓區(qū),凝析出了大量的游離水和重?zé)N凝液,具有很好的膨脹降溫效果。同時(shí),流體經(jīng)靜態(tài)導(dǎo)向葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),在拉伐爾噴管里產(chǎn)生巨大的離心加速度,取得了良好的旋流分離性能。數(shù)值模擬研究表明,在升壓比為 55%時(shí),溫度低至 -98.82℃,壓力低至 82.945 kPa,超聲速旋流場(chǎng)離心加速度高達(dá) 243 558g(g為重力加速度),可以達(dá)到很好的氣液分離效果。

圖 4 平均馬赫數(shù)、平均靜溫、平均靜壓及平均切向速度軸向分布Fig.4 Axi al distributions of averageMach number,average static temperature, average static pressure and average tangential velocity

4 結(jié) 論

(1)新型超聲速旋流分離器采用先旋流再膨脹原理,降低了能量損失,使得激波更容易控制,大大提高了分離器的分離性能和壓力恢復(fù)能力。

(2)隨著升壓比的增大,激波由擴(kuò)壓器向拉伐爾噴管方向移動(dòng),在恒定溫度和入口壓力、調(diào)整出口壓力的條件下,升壓比控制在 40%～73%內(nèi),即可保證超聲速旋流分離器的正常工作。

(3)該超聲速旋流分離器的噴管擴(kuò)張段形成超聲速流,在噴管出口處馬赫數(shù)達(dá)到 2.0,并形成低溫、低壓(-98.82℃,82.945 kPa)區(qū),超聲速旋流場(chǎng)離心加速度可達(dá) 243558g,具有良好的氣液分離效果。

[1] OKI MOTO F,BROUWER J M.Supersonic gas conditioning[J].World Oil,2002,223:89-91.

[2] ALFYOROV V,BAGIROV L,DM ITR IEV L,et al.Supersonic nozzle efficiently separates natural gas components[J].Oil and Gas Journal,2005,5(103):53-58.

[3] L I U H W,L I U ZL,FENG Y X,et al.Characteristic of a supersonic swirling dehydration system of natural gas [J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2005,13 (1):9-12.

[4] 曹學(xué)文,陳麗,杜永軍,等.超聲速旋流天然氣分離器的旋流特性數(shù)值模擬[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,31(6):79-82.

CAO Xue-wen,CHEN Li,DU Yong-jun,et al.Numerical simulation of s wirling flow characteristicsof supersonic s wirling natural gas separator[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2007, 31(6):79-82.

[5] JASSI M E,ABED I NZADAGAN A M,MUZYCHKA Y. Computational fluid dynamics study for flow of natural gas through high-pressure supersonic nozzles:real gas effects and shockwave[J].Petroleum Science and Technology, 2008,26(15):1757-1772.

[6] JASSI M E,ABED I NZADAGAN A M,MUZYCHKA Y. Computational fluid dynamics study for flow of natural gas through high-pressure supersonic nozzles:nozzle geometry and vorticity[J]. Petroleum Science and Technology, 2008,26(15):1773-1785.

[7] 曹學(xué)文.超聲速旋流天然氣分離研究[D].西安:西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,2006.

CAO Xue-wen.A study on the supersonic swirling separation of natural gas[D].Xi′an:School of Energy& Power Engineering,Xi′an JiaotongUniversity,2006.

[8] 曹學(xué)文,陳麗,林宗虎,等.用于超聲速旋流分離器中的超聲速?lài)姽苎芯?[J].天然氣工業(yè),2007,27 (7):112-114.

CAO Xue-wen,CHEN Li,L IN Zong-hu,et al.The nozzle used in supersonic s wirling separators[J].Natural Gas Industry,2007,27(7):112-114.

[9] POPE SB.Turbulent flows[M].Cambridge:Cambridge University Press,2000.

[10] REUTHER J,ALONSOB J J,R I ML I NGER M J,et al. Aerodynamic shape optimization of supersonic aircraft configurations via an adjoint formulation on distributed memory parallel computers[J].Computers&Fluids, 1999,28(5):675-700.

(編輯 沈玉英)

Structure design and numerical si mulation of novel superson ic swirling separator

WEN Chuang,CAO Xue-wen,WU Liang-hong
(College of Storage&Transportation and A rchitectural Engineering in China University of Petroleum, Q ingdao266555,China)

The static guide vaneswere installed at the entrance ofLaval nozzle in the novel supersonic s wirling separator.The natural gaswas s wirledwhen going through the vanes,and then expanded in theLaval nozzle.In this new separator,the shock waves could be easily restricted in the diffuser.The energy loss and the impact of re-evaporation could be reduced,which would improve the separation and pressure recoveryperfor mance.The flow law in the separatorwasobtained by numerical simulation.The results show that shockwavesmove toLaval nozzle from the diffuserwith the increase of the relative pressure ratio, which is the ratio of the static pressure of the separator outlet to the inlet.When the relative pressure ratio is from 40% to 73%,the novel supersonic s wirling separator canwork.At the nozzle exit,theMach number is2.0,resulting in lower temperature(-98.82℃)and pressure(82.945 kPa).The maxi mal s wirling acceleration is 243 558g(gis the acceleration of gravity).The gas-liquid separation of supersonic gas can be realized well.

supersonics;s wirling separator;relative pressure ratio;shock waves;numerical simulation

TE 868

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.023

1673-5005(2010)04-0119-04

2009-12-28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2007AA09Z301);國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2008ZX05017-004)

文闖(1985-),男(漢族),江蘇沭陽(yáng)人,博士研究生,從事天然氣加工與處理技術(shù)研究。