來躍深，雒明世，張 峰，張 飛

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院， 西安 710021；2.西安石油大學(xué) 計算機學(xué)院， 西安 710065)

螺旋管具有優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特性和自生的離心力場，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。目前，在石油處理方面，螺旋管對多相流的作用已得到充分體現(xiàn)，其通過強制方式使流體做螺旋運動的時間延長，以此克服了旋流入口節(jié)流壓力損失大以及離心力作用時間不足等瓶頸。

目前國內(nèi)對螺旋管的研究已取得了一定成果，文獻[1]模擬了帶孔螺旋管內(nèi)油水兩相流在不同流速和不同油水配比工況下的油水組分、各相流量等重要性能參數(shù)的變化和分布情況。文獻[2]對旋流管內(nèi)氣液固三相的分離進行了實驗研究。文獻[3]對無孔螺旋管和開孔螺旋管以及回轉(zhuǎn)半徑和入口流量對流場分布和螺旋管分離器分離性能的影響做了分析。文獻[4]對螺旋管內(nèi)氣液兩相流動阻力特性進行了實驗研究，得到了不同工況條件下螺旋管內(nèi)阻力數(shù)據(jù)，確立了摩擦阻力與相關(guān)物理量的函數(shù)關(guān)系。文獻[5]利用Fluent軟件，采用Realizablek-ε模型對不同流速、不同開孔條件下螺旋管內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬分析。目前對螺旋管的研究較多，但對螺旋管的理論分析與設(shè)計研究較少，文中基于螺旋管分離原理，利用Fluent軟件仿真螺旋管對氣液分離的作用以及不同流速下的氣液分離狀況。

1 螺旋管設(shè)計

流體經(jīng)過管路進入螺旋管，使流體的運動由線速度變?yōu)榻撬俣?，進而產(chǎn)生了離心力，受離心力作用以及氣液兩相之間存在的密度差，使氣液實現(xiàn)了分離，在管內(nèi)可形成較為明顯的分離界面[6]。

螺旋管內(nèi)氣液兩相的分離是通過其產(chǎn)生的離心力來實現(xiàn)的，螺旋管的主要參數(shù)有口徑、匝數(shù)和回旋半徑等[7]。

螺旋管的口徑主要是通過入口流速和離心加速度來確定的，螺旋管的三維模型如圖1所示。入口流速v和離心加速度a的計算公式分別為

(1)

(2)

式中：Q為流體總流量；D1為截面直徑；D2為螺旋管回旋直徑。

由式(1)～ (2)，可得

(3)

(4)

假設(shè)入口流體內(nèi)氣相與液相均勻分布。流體流經(jīng)螺旋管的過程中由于離心的作用，密度較大的液滴會沿著螺旋管截面徑向向外移動，移動的最大距離為截面直徑D1；密度較小的氣相移動方向相反，二者均移動結(jié)束，氣相與液相即實現(xiàn)了分離。液滴移動距離D1所需時間為

(5)

其中u為液滴的移動速度。

流體在螺旋管中流動的時間為

(6)

其中n為螺旋管匝數(shù)。

令t1

(7)

根據(jù)式(3)、式(4)及式(7)即可確定螺旋管的參數(shù)。

2 仿真及分析

根據(jù)螺旋管設(shè)計與計算方法,可計算出螺旋管各部分的參數(shù)，可得螺旋管的三維模型，如圖1所示。

圖1 螺旋管模型

數(shù)值仿真模擬分別對兩種工況進行，分別是入口速度為1.65 m·s-1與3.00 m·s-1，其他的條件包括歐拉模型、湍流模型、溫度及壓力等保持不變。在湍流計算中，常用的湍流模型有單方程(Spalart-Allmaras)模型、k-ε模型[8-9]、雷諾應(yīng)力(Reynolds Stress Model，RSM)模型和大渦模擬(Large Eddy Simulation,LES)模型等。從目前對螺旋管的數(shù)值模擬研究中發(fā)現(xiàn)，多數(shù)文獻采用RNGk-ε模型，并取得了較好的計算結(jié)果。RNGk-ε模型是對瞬時N-S方程用重整化的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的一種改進的k-ε模型[10]，此模型對具有旋轉(zhuǎn)流動的流場的計算更好。因此在本模擬中湍流流動模型選用RNGk-ε模型。湍流模型設(shè)置如圖2所示。

工況1：采用歐拉模型，打開能量方程，湍流模型選擇RNGk-ε，入口速度1.65 m·s-1，環(huán)境溫度295 K，壓力為標準大氣壓，螺旋管內(nèi)各匝截面流體的分布如圖3所示。

觀察圖3中螺旋管截面內(nèi)氣相和液相的分布情況，可以看到，螺旋管第1匝的入口截面基本是均勻的，說明這時流體剛進入螺旋管，基本還沒有開始分離。從第2匝到第4匝，螺旋管截面分布明顯不均勻，流體逐漸分離為氣相、液相及過渡區(qū)；第5匝到第7匝，分布的不均勻性已非常明顯，分離程度進一步深化；到了第7匝以后，分布情況基本不再發(fā)生變化，說明分離過程已經(jīng)結(jié)束，螺旋管某一匝(第7匝)截面的放大圖如圖4所示。

圖2 湍流模型設(shè)置

圖3 工況1氣液分離云圖

從圖3可以看出流體在螺旋管中的分離過程，隨著流體在螺旋管內(nèi)的流動，匝數(shù)增加，流體在螺旋管內(nèi)逐漸地分離，氣相逐漸集中在螺旋管的內(nèi)上部，液相逐漸集中在螺旋管內(nèi)下部，到了一定程度基本不再變化。

圖4中，當流體流動到螺旋管第7匝處，氣液分離以后氣相在螺旋管內(nèi)上部的體積分數(shù)達到了98.7%，面積約占螺旋管截面的30%，液相集中在螺旋管內(nèi)下部的近壁面處。中間存在較厚的過渡區(qū)域，氣液兩相的分界面不清晰。

圖4 螺旋管第7匝的氣液分離云圖

工況2：入口速度增加到3.00 m·s-1，其他條件與工況1相同，各匝截面流體的分布如圖5所示。

從圖5可以看出，螺旋管第1匝的入口截面仍然均勻；從第2匝到第4匝，螺旋管截面分布的不均勻性變化非?？?；到了第4匝以后，分布情況基本不再變化，分離已經(jīng)結(jié)束，螺旋管第4匝的截面放大圖如圖6所示。圖6中，氣液分離以后氣相在螺旋管內(nèi)上部的體積分數(shù)達到了99.6%，面積約占螺旋管截面的50%；液相在螺旋管內(nèi)下部的近壁面處的體積分數(shù)達到了95%；分界面清晰，中間的過渡區(qū)域明顯變薄。

與工況1相比較，由于入口流體流速增大，流體在螺旋管內(nèi)的分布不再變化的現(xiàn)象從第7匝提前到第4匝，氣相在螺旋管內(nèi)的體積分數(shù)進一步提高，過渡區(qū)域變薄，氣液兩相的分界面清晰，說明氣液兩相的分離效果提高了。這表明螺旋管入口流體流速以及螺旋管內(nèi)流體流速對分離過程與分離效果有重要影響，流速大則分離過程短，分離效果好；或者說要達到一定的分離程度，高的入口流速使螺旋管的匝數(shù)可適當減少。在設(shè)計分離器時，如果流速較高，則可以適當減少螺旋管匝數(shù)，進而減小分離器體積；另外，對于螺旋管的形狀(或結(jié)構(gòu))、材料，只要可以降低流動的阻力，加快流動速度，同樣能夠提高分離效果，減小分離器體積。

圖6 螺旋管第4匝的氣液分離圖

根據(jù)圖6所示的分離完成時螺旋管截面流體分布狀況，若分別在氣相和液相集中處開排出孔，將氣相和液相提前排出，可減小螺旋管出口的飛濺與混合。

3 結(jié) 論

螺旋管通過離心原理實現(xiàn)密度不同流體的物理分離，流速對分離效果有著重要的影響。通過對螺旋管內(nèi)氣-液分離過程中各截面流體分布進行仿真可見，在本文條件下當流速為3.00 ms-1時螺旋管第4匝的分離程度優(yōu)于流速為1.65 m·s-1時第7匝的分離程度，驗證了螺旋管對氣液分離的作用及速度對分離的影響。入口速度越大，分離速度越快，分離效果越好，為提高流體分離效果、減小分離器體積提供了方法和依據(jù)。