王增輝,馬興亮

(中海油石化工程有限公司 工藝室，山東 青島 266100)

軸流導(dǎo)葉分離器核心部件為導(dǎo)向葉片，因此, 導(dǎo)向葉片的形狀與尺寸對(duì)軸流導(dǎo)葉分離器的性能及分離效率有重大影響，導(dǎo)向葉片一般由4或8個(gè)葉片經(jīng)特定的曲線旋轉(zhuǎn)固定在圓筒壁上形成。短路流和二次流夾帶對(duì)分離器的分離效率影響較大。軸流導(dǎo)葉分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過(guò)流面積大，中間流道的連接于管柱整體結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，能夠與常規(guī)坐封工藝和起下作業(yè)工藝吻合，顯著降低加工制造難度和加工成本及現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)難度，適宜于井下狹長(zhǎng)空間環(huán)境的安裝操作，是用于井下分離設(shè)備的理想分離設(shè)備[1]。

1 建立模型

1.1 幾何模型

實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)量與模擬計(jì)算驗(yàn)證一樣均選取軸流導(dǎo)葉旋流分離器，軸流導(dǎo)葉旋流分離器是帶內(nèi)構(gòu)件復(fù)雜的旋流分離器，其內(nèi)部的流場(chǎng)非常復(fù)雜。軸流導(dǎo)葉旋流分流器為軸向進(jìn)料，由導(dǎo)向葉片強(qiáng)制導(dǎo)流產(chǎn)生旋流，在分離空間筒體段與椎體段實(shí)現(xiàn)氣液相分離。軸流導(dǎo)葉旋流分離器主要由進(jìn)料室、導(dǎo)向葉片、分離空間筒體段與椎體段、排氣管以及集液槽組成[2]。其示意圖如1所示。

軸流導(dǎo)葉旋流分離器的筒體段直徑為100mm，采用的導(dǎo)向葉片傾斜角度為25°，導(dǎo)向葉片共有8個(gè)葉片，內(nèi)徑為70mm，外徑為100mm， 而排氣管的內(nèi)徑為60mm。由此可知導(dǎo)向葉片與內(nèi)徑之間存在一段為加厚段。此加厚段的作用是縮小導(dǎo)向葉片的流通截面積，提高氣液兩相流進(jìn)料的速度，使導(dǎo)向葉片的造旋功能更好。

為防止氣相從底部流出，專門設(shè)置了集液槽。當(dāng)軸流導(dǎo)葉分離器處于分離過(guò)程時(shí)，集液槽為封閉狀態(tài)。分離結(jié)束后打開(kāi)放出其中的液相產(chǎn)品，收集液相產(chǎn)品，計(jì)算分離效率。因此集液槽的直徑要遠(yuǎn)大于分離段。防止進(jìn)入集液槽液相被旋流再次帶到軸流導(dǎo)葉分離器的分離段。軸流導(dǎo)葉分離器的各部分尺寸見(jiàn)表1。

圖1 軸流導(dǎo)葉旋流分離器

表1 軸流導(dǎo)葉旋流分離器尺寸

表1(續(xù))

為方便實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果與模擬計(jì)算得出的壓力、速度值進(jìn)行對(duì)比，在旋流分離器內(nèi)部由上到下取十個(gè)橫截面。軸流導(dǎo)葉旋流分離器導(dǎo)向葉片下方的環(huán)形空間取二個(gè)截面為Z1、Z2。軸流導(dǎo)葉旋流分離器分離筒體段取4個(gè)截面分別為Z3、Z4、Z5、Z6。軸流導(dǎo)葉旋流分離器分離椎體段取二個(gè)截面為Z7、Z8。同樣集液室取二個(gè)界面為Z9、Z10。以排氣管底部中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，具體橫截面縱向坐標(biāo)如表2所示。

表2 分離器橫截面縱向坐標(biāo)

表2(續(xù))

1.2 網(wǎng)格劃分

通過(guò)構(gòu)體創(chuàng)建軟件得到流體經(jīng)過(guò)的區(qū)域時(shí)，幾何模型流體域建立后用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過(guò)程中的一個(gè)重要步驟，其劃分的好壞會(huì)影響到計(jì)算收斂的快慢和結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般來(lái)講，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，收斂所耗費(fèi)的時(shí)間增加，但結(jié)果的準(zhǔn)確性提高，應(yīng)綜合考慮兩方面的因素。本論文進(jìn)行旋流分離器的模擬計(jì)算，內(nèi)部為氣液兩相流場(chǎng)，計(jì)算時(shí)需要選擇雷諾應(yīng)力模型，因此全部采用六面體網(wǎng)格，降低網(wǎng)格的總數(shù)目，在保證計(jì)算精度的前提下加快收斂速度。

由于軸流導(dǎo)葉旋流分離器內(nèi)部的導(dǎo)向葉片非常復(fù)雜且尺寸小而分離器筒體段與椎體段尺寸大。劃分網(wǎng)格時(shí)先將構(gòu)體劃分為多塊子區(qū)域，各區(qū)域采用不同的尺寸，分別生成各個(gè)子區(qū)域的單元網(wǎng)格，再將各單元網(wǎng)格拼接形成總體網(wǎng)格。模擬計(jì)算前將各個(gè)子區(qū)域的交接面連接起來(lái)，這樣流體才能通過(guò)[3]。軸流導(dǎo)葉旋流分離器的網(wǎng)格圖如2所示。

1.3 邊界條件及計(jì)算方法

計(jì)算前處理設(shè)置入口(INLET)邊界類型為速度入口控制條件，流體介質(zhì)選為15℃下的空氣，入口速度為6.88m/s。入口介質(zhì)的密度為1.23kg/m3，粘度為1.78×10-5Pa·s。出口(OUTLET)為壓力控制條件，排氣管壓力為0atm；集液槽排液口不出任何物質(zhì)，為封閉壁面，氣相全部從排氣管流出。

選用RSM模型，流體的湍流強(qiáng)度認(rèn)為是中等湍流強(qiáng)度取5%，壁面均為無(wú)滑移光滑壁面。殘差為10-5，離散格式采用高階處理方式，保證計(jì)算的準(zhǔn)確度。采用局部步長(zhǎng)法，加快收斂速度[4]。

由于RSM模型計(jì)算非常復(fù)雜，若初值不好收斂速度非常慢，甚至出現(xiàn)震蕩波動(dòng)。因此首先用RNGk-ε模型上風(fēng)方案離散格式計(jì)算得到的結(jié)果為初值，再用RSM模型高階離散格式得到最終結(jié)果。最終得到旋流分離器內(nèi)部的蘭金渦形式的內(nèi)部流場(chǎng)[5]。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)軸流導(dǎo)葉旋流分離器的入口條件與數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)一致，經(jīng)過(guò)煙霧發(fā)生器制造極少的煙霧跟蹤分子，通過(guò)LDV測(cè)速儀測(cè)得各分離器內(nèi)部橫截面的跟蹤霧滴的切向速度與軸向速度，得出其速度分布。軸流導(dǎo)葉旋流分離器導(dǎo)葉下方的環(huán)形空間每間隔2mm測(cè)一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，軸流導(dǎo)葉旋流分離器筒體段與椎體段間隔3mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)而由于集液槽直徑大，集液槽每間隔5mm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。每個(gè)點(diǎn)測(cè)量1000次取平均值作為此點(diǎn)測(cè)量值。同理利用五孔探針得到各截面各個(gè)點(diǎn)的壓力分布。同數(shù)值模擬計(jì)算得到的各截面速度壓力的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析。

2 切向速度對(duì)比

圖3為軸流導(dǎo)葉旋流分離器切向速度分布圖，由圖3可以看出氣液相進(jìn)料經(jīng)過(guò)軸流導(dǎo)葉后才產(chǎn)生切向速度。在排氣管口附近切向速度最大。

圖3為軸流導(dǎo)葉旋流分離器切向速度模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖。由圖可以看出軸流導(dǎo)葉分離器的筒體段與椎體段的切向速度模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值接近，導(dǎo)葉下方環(huán)形空間與集液槽處切向速度模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值有差距，但規(guī)律基本一致。

圖3 軸流導(dǎo)葉旋流分離器切向速度分布圖

圖4 各橫截面實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算切向速度對(duì)比圖

軸流導(dǎo)葉旋流分離器的筒體段與椎體段的切向速度均呈蘭金組合渦結(jié)構(gòu)，即內(nèi)部?jī)?nèi)旋流為強(qiáng)制渦，切向速度隨半徑增大而增大；外部外旋流為自由渦，切向速度隨半徑增大而減小。強(qiáng)制渦即渦流內(nèi)各點(diǎn)有相同的旋轉(zhuǎn)角速度，就像旋轉(zhuǎn)的剛體一樣。因角速度相同則切向速度與旋轉(zhuǎn)半徑呈正比關(guān)系。自由渦即無(wú)摩擦流體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即各流體微元的動(dòng)量矩相同，則切向速度與旋轉(zhuǎn)半徑呈反比關(guān)系。如上圖所示各截面切向速度存在最大值。軸流導(dǎo)葉旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)切向速度最大的軌跡呈最大切線速度軌跡面。如上圖所示最大切線速度軌跡面為圓筒軌跡面形狀，且最大切向速度軌跡面在排氣管筒體內(nèi)部，其直徑為排氣管尺寸的2/3倍。筒體段與椎體段的最大切線速度值從上到下略有減小。

如圖4所示內(nèi)旋流切向速度從零到最大增大速度很快，而外旋流切向速度從最大值到器壁的較小值緩慢減小。同時(shí)近壁處切向速度仍然很大，則離心力也依然很大，有利于氣液相分離。軸流導(dǎo)葉旋流分離器導(dǎo)向葉片下方的環(huán)形空間切向速度分布比較平穩(wěn)，但最大切向速度數(shù)值比筒體段的要小。集液槽內(nèi)切向速度分布依然呈蘭金組合渦，同樣最大切向速度比筒體段小。除上述規(guī)律外，排氣管內(nèi)部靠近邊壁處切向速度依然高達(dá)15m/s，而排氣管中心很小。表明排氣管內(nèi)部也存在旋流，氣體邊旋轉(zhuǎn)邊上升[6]。

3 軸向速度對(duì)比

圖5為軸流導(dǎo)葉旋流分離器軸向速度分布圖，由圖可以看出排氣管下方區(qū)域，外側(cè)流體向下運(yùn)動(dòng)而內(nèi)側(cè)流體向上運(yùn)動(dòng)。存在一個(gè)軸向速度為零的曲面。

圖5 軸流導(dǎo)葉旋流分離器軸向速度分布圖

運(yùn)用LDV下圖為軸流導(dǎo)葉旋流分離器軸向速度模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖。由圖5可以看出軸流導(dǎo)葉分離器的筒體段與椎體段的軸向模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值非常接近，導(dǎo)葉下方環(huán)形空間與集液槽處軸向速度模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值有差距，但規(guī)律基本一致。

圖6 各橫截面實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算軸向速度對(duì)比圖

如圖6所示：軸流導(dǎo)葉旋流分離器筒體段與椎體段的軸向速度可以分為二個(gè)區(qū)域，分離器內(nèi)部為向上流動(dòng)的上行流，分離器外部為向下流動(dòng)的下行流。二個(gè)區(qū)域間存在明顯的分界面，即軸向速度為零的軌跡面。在軸流導(dǎo)葉分離器器壁附近下行軸向速度達(dá)到最大值，對(duì)外旋流將液相帶到底部非常有利。而內(nèi)部的上行流在中間附近達(dá)到上行軸向速度達(dá)到最大值，而中間線附近存在一個(gè)滯留域，軸向速度減小甚至軸向速度出現(xiàn)變向的可能。軸流導(dǎo)葉旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)上行流與下行流間軸向速度為零的軌跡面稱零速包絡(luò)面。零速包絡(luò)面的形狀與軸流導(dǎo)葉旋流分離器筒錐段的形狀相似，其直徑為所在位置分離器直徑的0.6倍。與且隨軸向位置下移，下行流最大軸向速度略有減小[7]。

軸流導(dǎo)葉旋流分離器導(dǎo)向葉片下方的環(huán)形空間軸向速度為下行流，靠近內(nèi)部軸向速度大。集液槽內(nèi)中心區(qū)域的軸向速度為上行流，且數(shù)值較大。其他位置由于集液槽直徑擴(kuò)大導(dǎo)致軸向速度較小。排氣管內(nèi)部邊壁處的軸向速度最大，中心基本為零，這是由于排氣管內(nèi)部大部分氣相流體在排氣管外部旋轉(zhuǎn)上升的緣故。

4 壓力對(duì)比

運(yùn)用五孔探針測(cè)量軸流導(dǎo)葉旋流分離器的內(nèi)部壓力分布與模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，圖7為模擬計(jì)算得到的壓力分布圖。

圖7 軸流導(dǎo)葉旋流分離器壓力分布圖

下圖為軸流導(dǎo)葉旋流分離器內(nèi)部的壓力模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比，軸流導(dǎo)葉旋流分離器的分離空間筒體段與椎體段的壓力模擬值與實(shí)測(cè)值分布趨勢(shì)一致，但是分離器內(nèi)部的實(shí)測(cè)值比模擬值大，而分離器器壁附近的模擬值比實(shí)測(cè)值大。集液槽內(nèi)模擬值與實(shí)測(cè)值差距較大，但是趨勢(shì)一致。

圖8 各橫截面實(shí)測(cè)與模擬計(jì)算壓強(qiáng)對(duì)比圖

軸流導(dǎo)葉旋流分離器筒體段與椎體段內(nèi)部的壓力分布為中間區(qū)域的壓力低，而靠近邊壁處壓力高。這是由于軸流導(dǎo)葉旋流分離器的強(qiáng)旋流離心力場(chǎng)影響下形成。壓力從中心到邊壁逐漸增大，從中心到排氣管直徑處壓力增大的快，從排氣管直徑到邊壁處壓力增長(zhǎng)的慢，這是由于外旋流的切向速度逐漸減小導(dǎo)致的。隨軸向位置下移，壓力略有減小。最大壓力出現(xiàn)在進(jìn)料室位置處，最小壓力出現(xiàn)在底部中心處。進(jìn)料室壓力比分離空間筒體段邊壁處壓力還大很多，表明流體經(jīng)過(guò)軸流導(dǎo)葉旋流分離器的導(dǎo)向葉片造旋將流體的靜壓能部分轉(zhuǎn)換成動(dòng)壓能。

軸流導(dǎo)葉旋流分離器的集液槽內(nèi)壓力分布同筒體段與椎體段一致，均是中心壓力低，邊壁壓力高。且中心處壓力模擬值比實(shí)測(cè)值大，而邊壁處實(shí)測(cè)值比模擬值大的多。排氣管內(nèi)部依然是邊壁處壓力比中心處大，同樣由旋流導(dǎo)致。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軸流導(dǎo)葉旋流分離器內(nèi)部的切向速度場(chǎng)、軸向速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值的考察可知。ANSYS CFD模擬計(jì)算軟件對(duì)旋流分離器的筒體段與椎體段的速度、壓力場(chǎng)預(yù)測(cè)良好，分離段切向速度均呈蘭金組合渦結(jié)構(gòu)，軸向速度內(nèi)部流場(chǎng)上行流與外部流場(chǎng)下行，存在軸向速度為零的軌跡面稱零速包絡(luò)面。壓強(qiáng)外部高，內(nèi)部低。可運(yùn)用數(shù)值模擬替代實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化旋流分離器操作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)。