入口管下傾角度對(duì)旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響*

韓孟霞 何利民 羅小明 呂宇玲 王玉柱

中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院

入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)以及其分離效率具有重要的影響，而入口管的下傾角度就是其中一個(gè)重要的影響因素。柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由靠近壁面的準(zhǔn)自由渦和軸心位置的準(zhǔn)強(qiáng)制渦組成。入口管的下傾造成分離器等高度截面上最大切向速度值的減小，同時(shí)增加了分離器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性：切向速度最低點(diǎn)位置沿軸向發(fā)生擺動(dòng)，不同下傾角度擺動(dòng)的方向和幅度不同；渦核邊界往入口管的對(duì)面方向發(fā)生了擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度隨下傾角度的增加而增大。入口管的下傾使分離器內(nèi)部壓力分布的對(duì)稱(chēng)性變差，壓力分布的扭曲程度隨下傾角度的增加而增大。

柱狀旋流分離器；切向速度；渦核邊界；下傾角度；壓力損失

柱狀旋流分離器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，在石油化工行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)：入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)以及其分離效率具有重要的影響，而入口管的下傾角度就是其中一個(gè)重要的影響因素。入口管下傾會(huì)引起柱狀旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性體現(xiàn)在內(nèi)部速度場(chǎng)、渦核及壓力場(chǎng)的分布上。采用數(shù)值模擬的方法分析不同下傾角度的入口管對(duì)柱狀旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響，包括不同橫截面處切向速度的分布，渦核邊界的擺動(dòng)以及壓力損失的變化規(guī)律。

1 幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

柱狀旋流分離器采用切向入口形式，入口槽為扇形，入口管下傾角度分別為0、10、20、30和40°。在數(shù)值模擬中保證不同下傾角度入口管的橫截面積、長(zhǎng)度相同，且入口橫截面中心處于分離器主體的相同高度上。對(duì)分離器計(jì)算流域采用分區(qū)域非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分。

2 邊界條件和數(shù)值解法

2.1 邊界條件

模擬的流動(dòng)介質(zhì)為空氣，密度為1.225kg/m3，黏度為1.7894×10-5Pa·s。將流體流動(dòng)假設(shè)為不可壓縮，將入口邊界設(shè)定為速度入口邊界，入口速度取12m/s，并計(jì)算入口處湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε。出口邊界為流動(dòng)出口，按湍流流動(dòng)充分發(fā)展處理。計(jì)算模型的壁面采用無(wú)滑移邊界條件，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來(lái)計(jì)算。

2.2 數(shù)值解法

為提高計(jì)算速度，同時(shí)保證計(jì)算的收斂性、精度、穩(wěn)定性，計(jì)算過(guò)程分三步進(jìn)行[1]：

（1）首先在穩(wěn)態(tài)條件下，采用RNGκ-ε湍流模型求解RANS，計(jì)算方法采用SIMPLE算法，離散格式采用絕對(duì)穩(wěn)定的一階迎風(fēng)格式，設(shè)定收斂條件，計(jì)算收斂時(shí)形成的初步渦旋流場(chǎng)。

（2）以RNGκ—ε模型計(jì)算的流場(chǎng)作為初始條件，繼續(xù)采用SIMPLE算法，改用RSM湍流模型，空間離散格式采用QUICK格式，壓力差補(bǔ)格式采用PRESTO!格式，計(jì)算至一定程度時(shí)，旋流器內(nèi)開(kāi)始形成Rankine渦形式的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

（3）以穩(wěn)態(tài)RSM模型計(jì)算的流場(chǎng)作為初始條件，切換成非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用PISO算法，離散格式仍采用二階精度的QUICK格式。

3 模擬結(jié)果

3.1 模型檢驗(yàn)

采用以上數(shù)值解法得到的柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由內(nèi)外兩層漩渦組成，分別為靠近壁面的準(zhǔn)自由渦和軸心位置的準(zhǔn)強(qiáng)制渦。在準(zhǔn)自由渦區(qū)域，切向速度從壁面處沿徑向向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域，切向速度從軸心沿徑向向外迅速增大。因此，該數(shù)值解法能有效地反應(yīng)柱狀旋流分離器的內(nèi)部流場(chǎng)。在物理上，將準(zhǔn)強(qiáng)制渦所包圍的區(qū)域稱(chēng)為“渦核”，它是由各切向速度最高點(diǎn)沿軸向方向所包絡(luò)的渦束組成的。本文將研究渦核邊界，即切向速度最高點(diǎn)的包絡(luò)面，而切向速度最高點(diǎn)即準(zhǔn)自由渦區(qū)域和準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域交匯的徑向位置。

3.2 速度場(chǎng)

由X=0截面的切向速度云圖分布可知：入口管下傾角度為0°時(shí)，柱狀旋流分離器內(nèi)部切向速度基本呈軸對(duì)稱(chēng)分布，切向速度最低點(diǎn)位置基本位于中心軸，但隨著入口管由水平方向變?yōu)橄聝A方向，該位置發(fā)生擺動(dòng)，尤其是在入口以下位置；而且，隨著入口管下傾角度的增大，這種擺動(dòng)愈加明顯，并且擺動(dòng)方向與擺動(dòng)幅度隨下傾角度的變化而變化。因此，入口管的下傾增加了柱狀旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性。

圖1為不同入口管下傾角度的渦核邊界對(duì)比。由圖1可知，隨著入口管由水平方向變?yōu)橄聝A方向，渦核邊界發(fā)生擺動(dòng)，往入口管的對(duì)面方向擺動(dòng)，而且，擺動(dòng)幅度隨下傾角度的增大而增大。這是由于入口管下傾角度不同，造成分離器內(nèi)部流場(chǎng)不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定會(huì)影響渦核邊界沿軸向的分布規(guī)律，而下傾角度越大，切向速度場(chǎng)的不穩(wěn)定性越強(qiáng)，渦核邊界的擺動(dòng)幅度也就越大。關(guān)于分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定性影響，宋健斐等[2-3]對(duì)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的不穩(wěn)定性影響做了詳細(xì)的分析。

圖1 不同入口管下傾角度的渦核邊界對(duì)比

3.3 壓力場(chǎng)

對(duì)于旋流分離器而言，壓力損失是其分離性能的一個(gè)重要指標(biāo)。壓力損失是靜壓和動(dòng)壓損失的和，即總壓損失，主要包括入口壓力損失、分離空間內(nèi)的壓力損失和溢流管內(nèi)的壓力損失。切向進(jìn)口的旋流分離器進(jìn)口壓力損失非常小，相比于其他壓力損失可以忽略；分離空間內(nèi)的壓力損失主要包括分離空間限制旋流場(chǎng)的損失和分離器壁面的摩擦損失。

圖2是不同入口管下傾角度的柱狀旋流分離器的壓力損失曲線。由圖2可知，壓力損失隨下傾角度的增加先急劇降低后緩慢降低。這是因?yàn)殡S著入口管下傾角度的增加，氣流在分離空間內(nèi)的旋流速度（切向速度）減小，湍流黏性應(yīng)力能量損耗和壁面摩擦損失減小，造成了壓力損失的降低。

圖2 不同下傾角度的壓力損失

4 結(jié)論

（1）柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由靠近壁面的準(zhǔn)自由渦和軸心位置的準(zhǔn)強(qiáng)制渦組成。在準(zhǔn)自由渦區(qū)域，切向速度從壁面處沿徑向向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域，切向速度從軸心沿徑向向外迅速增大。準(zhǔn)強(qiáng)制渦所包圍的區(qū)域稱(chēng)為“渦核”，切向速度最高點(diǎn)的包絡(luò)面就是該渦核的邊界，而切向速度最高點(diǎn)即準(zhǔn)自由渦區(qū)域和準(zhǔn)強(qiáng)制渦區(qū)域交匯的徑向位置。

（2）入口管的下傾造成分離器等高度截面上最大切向速度值的減小，同時(shí)增加了分離器內(nèi)部流場(chǎng)的不均勻性：切向速度最低點(diǎn)位置沿軸向發(fā)生擺動(dòng)，不同下傾角度擺動(dòng)的方向和幅度不同；渦核邊界往入口管的對(duì)面方向發(fā)生了擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度隨下傾角度的增加而增大。

（3）入口管的下傾使分離器內(nèi)部壓力分布的對(duì)稱(chēng)性變差，壓力分布的扭曲程度隨下傾角度的增加而增大。

[1]金向紅，金有海，王建軍，等．軸流式氣液旋流分離器內(nèi)氣相流場(chǎng)的數(shù)值研究[J]．高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2009，23（5）：748-755.

[2]宋健斐，魏耀東，時(shí)銘顯．旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)的非軸對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)[J]．過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2004（z1）：562-566.

[3]宋健斐，魏耀東，時(shí)銘顯．蝸殼式旋風(fēng)分離器氣相流場(chǎng)的非軸對(duì)稱(chēng)特性的模擬[J]．化工學(xué)報(bào)，2006，56（8）：1397-1402.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.023

基金論文：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)與裝備”（2012AA09A213）。