油水分离旋流器三维数值模拟与结构优化
【摘要】：油水分离旋流器是一种利用两相流的密度差，在离心力场中将分散相从连续相中分离出来的一种设备。其结构简单、无相对运动部件，具有分离效率高、价格低廉、操作维修方便，可满足不同生产中的特殊要求等优点。因而在矿山、石油、环保、化工等领域得到了广泛应用。近年来，随着计算机技术的飞速发展，使得应用计算流体动力学(CFD)技术模拟油水分离旋流器内流场成为可能。目前应用计算流体动力学的原理和方法对水力旋流器内部流场进行数值模拟研究受到越来越多学者的重视。
本文采用CFD软件中最精细的雷诺应力湍流模型，基于控制体积法，应用PC-SIMPLE算法，对油水分离旋流器内部流场进行了数值模拟。通过对单相流数值模拟得到旋流器内部流场的速度分布特性、压力分布特性、湍动能及其耗散律分布特性规律。对油水两相流数值模拟得出了油滴粒径、流量及分流比的变化对分离效率的影响，油水两相流场的分布规律和油水两相流的分离特性。从两相流数值模拟的轴向剖面油相浓度分布图可以看出旋流器的油水分离主要是在旋流腔和锥段实现的，这与理论分析的结果是一致的。所建立的数学模型实现了对油相液滴径向滑移速度分布规律的模拟，这将有助于对旋流器油水分离过程进行分析。
为了验证数值计算结果，对旋流器进行了分离特性实验研究，并且将实验数据同数值模拟结果进行了比较。入口流量-分离效率关系和分流比一分离效率关系两个方面的数值计算结果和实验数据的相对误差分别在8％和10％以内，说明本论文所采用的边界条件处理方法、建立的CFD模型和选用的湍流模型等都是正确的，采用的数学模型及算法对油水分离旋流器内部流场的数值计算是可行的。
在流场模拟中考虑了分散油相的流动特性，用计算二相流的湍流数学模型和处理分散油相的方法，研究油水分离旋流器的结构参数对流场和分离性能的影响，经过对几何结构单要素和多要素组合的大量优化计算，得出一些有参考价值的结论。
采用计算流体动力学CFD软件包对油水分离旋流器的两相流场及其主要性能进行了数值模拟研究和结构尺寸优化，在上述研究基础上，优化设计若干种油水分离旋流装置，其中具有阿基米德螺旋进口的两种典型结构分离效率得到明显提高，内流场的稳定性进一步增强，分离性能得到改善。结果表明，选用RSM(Reynolds stress model)湍流模型可以对旋流器流场进行较全面准确的数值模拟，依据模拟结果设计的结构能高效的处理油田产出液，为从理论上对旋流器进行深入研究、设计高效分离设备提供了一条新途径。
【关键词】：油水分离 湍流模型 数值模拟 结构优化 高效分离设备 【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TE93
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2006.146017
【目录】：
- 摘要2-3
- ABSTRCT3-7
- 1 绪论7-19
- 1.1 概述7-8
- 1.2 国内外研究现状8-12
- 1.2.1 国内外研究新进展8-9
- 1.2.2 旋流器的理论发展9-12
- 1.3 计算流体动力学(CFD)简介12-14
- 1.3.1 CFD概述12
- 1.3.2 CFD在水力旋流器研究中的应用12-14
- 1.4 油水分离旋流器的流场研究方法14-16
- 1.4.1 理论分析14
- 1.4.2 实测研究方法14-15
- 1.4.3 湍流数值模拟15-16
- 1.5 本论文的主要研究内容及研究方法16-19
- 1.5.1 本论文主要研究内容16-17
- 1.5.2 本论文研究方法17-19
- 2 油水分离旋流器三维流动基本方程及湍流模型19-34
- 2.1 油水分离旋流器内流体流动的基本特征19-20
- 2.2 油水分离旋流器特性参数20-24
- 2.2.1 分离效率20-23
- 2.2.2 处理量23
- 2.2.3 分流比23-24
- 2.3 油水分离旋流器内流体流动的基本方程24-25
- 2.4 适用于旋流器流场计算的几种湍流数学模型25-31
- 2.4.1 标准k-ε模型27-28
- 2.4.2 RNG k-ε模型28-29
- 2.4.3 雷诺应力模型(RSM)29-31
- 2.5 两相流模型31-34
- 2.5.1 两相流模型概述31-33
- 2.5.2 两相流场的数学模型33-34
- 3 油水分离旋流器数值模拟计算34-48
- 3.1 引言34-35
- 3.2 数值计算建模过程35-42
- 3.2.1 计算模型的几何结构35-36
- 3.2.2 网格划分及定义边界条件36-40
- 3.2.3 数值解法40-42
- 3.3 边界条件和控制参数设定42-44
- 3.3.1 边界条件42-43
- 3.3.2 控制参数43-44
- 3.4 模型选择44-48
- 4 模拟计算结果分析与试验验证48-70
- 4.1 单相流场的数值计算结果及分析48-56
- 4.1.1 数值模拟迭代计算48-49
- 4.1.2 流体迹线的数值模拟49-50
- 4.1.3 速度场分布特性50-53
- 4.1.4 压力场分布特性53-55
- 4.1.5 湍动能及其耗散率分布特性55-56
- 4.2 两相流场的数值计算结果及分析56-61
- 4.2.1 数值模拟迭代计算56
- 4.2.2 油相浓度分布56-57
- 4.2.3 滑移速度分布57-58
- 4.2.4 油水分离旋流器分离性能模拟58-61
- 4.3 实验验证61-68
- 4.3.1 实验研究61-64
- 4.3.2 油水两相流场数值模拟结果与实验数据的比较64-68
- 4.4 小结68-70
- 5 油水分离旋流器结构优化70-96
- 5.1 油水分离旋流器结构的单要素优化70-87
- 5.1.1 CFD分析前处理71-72
- 5.1.2 入口72-74
- 5.1.3 圆柱段74-75
- 5.1.4 锥段75-81
- 5.1.5 尾管段81-84
- 5.1.6 溢流管84-87
- 5.2 油水分离旋流器结构优化设计87-96
- 5.2.1 进口结构优化设计89-92
- 5.2.2 旋流器结构优化设计92-96
- 6 结论与建议96-98
- 6.1 结论96
- 6.2 建议96-98
- 参考文献98-103
- 致谢103-104
- 附录 A:数值模拟计算数据104-110
- 附录 B:作者硕士期间学术论文发表情况110
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