（油气储运工程专业论文）除油水力旋流器三维数值模拟研究.pdf

r e s e a r c ho nt h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no f d e o i l i n gh y d r o c y c l o n e j ux u a n z e ( o i l & g a ss t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz i l i a b s t r a c t r e c e n t l y , m o r ea n dm o r er e s e a r c h e sh a v ef o c u s e do na p p l y i n gt h em e t h o do f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) t os t u d y i n gt h eh y d r o c y c l o n e 。 a d o p t i n gt h ea d v a n c e dc o m m e r c i a lc f ds o f t w a r 口- f l u e n tw h i c hi sb a s e do nt h e f i n i t ev o l u m em e t h o d ( f v m ) a st h er e s e a r c h i n gt o o l so f3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd e o i l i n g h y d r o c y c l o n e s s u m m a r i z i n gam e t h o do fm e s hg e n e r a t i o nt h r o u g ha n a l y z i n gt h eg e o m e t r i c s t r u c t u r eo fh y d r o c y c l o n e ；a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fc f da n dt u r b u l e n c e s i m u l a t i o n ， a s c e r t a i n i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，c o n v e c t i o n d i f f u s i o nd i s c r e t i z a t i o n s c h e m ea n d p r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n ga l g o r i t h mr e a s o n a b l y c o m b i n e dw i t ht h es w i r lm o t i o n i nf l u i d m e c h a n i c s ，c o m b i n a t i o nv o r t e x t h e o r y a n dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si n t h e h y d r o c y c l o n e ，e x h i b i t i n gt h ef l o wa n dt u r b u l e n c es c a l a rf i e l do ft h e w sh y d r o c y c l o n ew h o l l v d e o i l i n gh y d r o c y c l o n em a j o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r sw a ss i m u l a t e d w h i c hc o n c l u d e dt h ep r i n c i p l e so ft h ee f f e c to ft h ef l o wf i e l d o nt h e b a s i so ft h ec f d m e t h o d sa n dt h es u c c e s s f u ls i m u l a t i o no f s i n g l e - p h a s ef l o wf i e l d ，f u r t h e rs t u d yo ft w o p h a s e f l o wm o d e lh a sb e e nd o n ea n dc o n c l u d e dc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n o ft h eo i lf i e l d ， r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wa n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c y , r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i tr a t i oa n d s e p a r a t i o ne f f i c i e n c ya n dg r a d ee f f i c i e n c yo nt h et h e w sh y d r o c y c l o n e ( d c = 2 0 m m ) ； e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e l a t i v ee r r o rb e t w e e nt h es e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lt e s t i n gd i dn o te x c e e d5 ，w ec a nk n o wt h a t s i m u l a t i n g h y d r o c y c l o n es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eu s i n gs o f t w a r ef l u e n tw a sf e a s i b l e a tt h es a l n et i m e b yu n s t e a d yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl i g h tp h a s es e p a r a t i n gp r o c e s si nt h e d e o i l i n g h y d r o c y c l o n e ，t h ep r o c e s so fs e p a r a t i n g ，a g g r e g a t i n ga n ds h i f t i n go ft h el i g h tp h a s e ( o i l ) w a s g a i n e da n dt h es i z eo ft h ec o n ew a sr e v e a l e d t h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro fs e p a r a t i o n e f f i c i e n c yw a st h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s d e o i l i n gh y d r o c y c l o n ew i t hd i f f e r e n tc o n ea n g l e w a ss i m u l a t e da n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t ，g a i n e dt h ec o n ea n g l eo nt h ei m p a c to fo i l w a t e r s e p a r a t i o n f i n a l l y ，t h eo p t i m i z a t i o no fd e s i g np r i n c i p l e sb a s e do nc f dw a sp r o p o s e d i nc o n c l u s i o n ，t h es t u d yo fm a t h e m a t i c a lm o d e l s ，c o m p u t a t i o n a lm e t h o d sa n d p r i n c i p l e s o f o p t i m i z a t i o nc a r la c c u r a t e l yf o r e c a s tt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do fd e o i l i n gh y d r o c y c l o n e i ta l s o l l p r o v i d e s b a s i ct h e o r ya n de x p e r i e n c ef o rs t u d y i n go n d e o i l i n gh y d r o c y c l o n es u c ha s s e p a r a t i o nm e c h a n i s m ，f l o wa n dt u r b u l e n t s c a l a rf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d ：o i l w a t e rs e p a r a t i o n ，d e o i i i n gh y d r o c y c l o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m p u t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ，f l u e n t , t u r b u l e n c em o d e l ，m u l t i p h a s em o d e l ，o p t i m i z a t i o np r i n c i p l e s 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：莎尻鼍： r j 一 日期：年月同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期： 日期： 年月 同 年月同 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 水力旋流器( h y d r o c y c l o n e ) 是种根据离心力场远大于重力场的原理来分离液体 混合物的设备，上世纪5 0 年代水力旋流器开始应用于选矿，其后陆续出现大量有关水力 旋流器的操作性能、内流场分布、分离效率和结构优化方面的研究，目前水力旋流器己 广泛应用于矿冶、船舶、石油、化工、食品等行业。水力旋流分离在液液分离方面的 应用要比固一液分离晚很多，这主要是因为液液分离的难度要远远大于固液分离。液- 液分离用水力旋流器起源于英国，从2 0 世纪6 0 年代开始，由南安普顿大学的m a r t i nt h e w 教授领导的多相流与机械分离教研室开始研究利用水力旋流器分离油水两相介质的可 行性【l 】，随后他们经过将近十年的研究，终于得出了肯定的结论，并设计出双锥双入口 的f 型水力旋流器【2 】，在实验过程中取得了满意的结果。该技术与传统的液液分离装置 相比较，离心力场强度大约有1 0 0 0 - 2 0 0 0 倍重力加速度，两相分离的时间约两秒，仅为 常规液液分离设备所需要时间的几十分之一；具有分离性能好，处理量大，体积小重 量轻，操作费用低，对安装环境无特殊要求等特点；此外，液液旋流器无运动件，工 作可靠，操作方便，维护和保养费用极低。随着液液旋流器结构的不断改进，其使用 范围不断扩大，除常用于含油污水处理【3 1 外，还可用于油田采出液预分离【4 】和原油脱水 【5 1 ，以及在高含水采油井下初级预分离。旋流管的多管串联和并联的模数化组合设计， 使液液旋流分离装置的结构更加紧凑，重量更轻，与常规液液分离装置相比，模块化 旋流分离装置可节约安装面积4 5 、减轻重量9 0 以上，进一步增强了液液旋流器适应 生产发展和不同环境对污水排放标准要求的应变能力。至i j l 9 8 5 年，正式在英国北海油f 日 和澳大利亚巴氏海峡油田的海上石油开采平台使用，进入工业应用阶段。目前，许多国 家的油田，尤其是海上石油开采平台，由于空间的限制，大量采用水力旋流器作为原油 脱水或生产用水的水处理的标准设备【6 j 。 1 2 除油水力旋流器的结构 除油水力旋流器的具体结构形式多种多样，根据构成特点和工作特点可概括为三种 基本型式四段式、三段式和旋转式【_ n 。图1 1 所示旋流器由四段组成，即圆柱段、大 锥段、小锥段和平尾段，习惯上称之为双锥旋流器。图1 2 所示旋流器由三段组成，即 圆柱段、锥段和平尾段，常称之为单锥旋流器。图1 3 所示旋流器的结构比较复杂，它 由外圆筒、内圆筒、锥形转轮、电机和机械密封组成，内圆筒与锥形转轮连接，由电机 第一章绪论 驱动旋转，一般称之为动态旋流器。本文研究的是静态旋流器，后面所提到的旋流器、 水力旋流器和除油水力旋流器均是指静态旋流器。 溢流 溢流 图1 1四段式除油水力旋流器结构示意图 f i g t 一1 s k e t c hm a po fd o u b l ec o u e $ d e o i l i n gh y d r o c y c i o n e 图1 2 三段式除油水力旋流器结构示意图 f i 9 1 - 2 s k e t c hm a po fs i n g l ec o n ed e o i l i n gh y d r o c y c l o n e 底流口 d u 底流口 d u 图l - 3 动态水力旋流器结构示意图 f i g l - 3 s k e t c hm a po fd y n a m i cd e o i l i n gh y d r o c y c l o n e 1 3 除油水力旋流分离的基本原理 除油水力旋流器是利用混合液中油水密度之差，在水力旋流器内进行离心分离。图 1 4 为水力旋流器内部涡流流动状态示意图，由该示意图可以看出，两种液体介质的混 合物由入口切向进入旋流腔，入口处的速度v ；为 k = q , a , ( 1 1 ) 一般来说，v ；都大于5 m s ，从切向方向高速进入旋流腔的液体在腔内急剧旋转，产 生强烈的涡流，后面接连而来的液体推动着旋流腔内的液体边旋转边向下运动，其运动 呈螺旋形。这些旋转着的液体向下进入大锥角锥体段后，旋流器体的内径逐渐减小，如 果忽略摩擦作用，根据角动量守恒，旋转速度将不断加大，经过较短的大锥角圆锥段后， 迅速地过渡到长度较大、锥角较小的小锥角段，在这里，内径变化缓慢，旋转加速度趋 于缓和。由于液体高速旋转，产生很大的离心加速度，受离心力的作用，密度较大相( 水) 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 向边壁运动，通过下游出口( 底流口) 排出旋流器体；而密度较小相( 油) 向轴中心迁 移，通过上游出口( 溢流口) 排出旋流器体。上下游出口流量可通过调节上下游出口处 背压阀的开度来改变，也可通过改变进口流量来改变。实际情况下，油滴在旋流器内所 受的力除了离心力，还有向心浮力、斯托克斯阻力、m a g n u s 力等，这就导致了油滴在旋 流器内分离过程非常复杂，并伴随着油滴的破碎和聚集的过程。 顶碾出i ：1 硬盘 线 l 斑部出t 3 图l _ 4 除油水力旋流器分离原理示意图 f i g l - 4s k e t c hm a po ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fd e o i l i n gh y d r o c y c i o n e 1 4 除油水力旋流器的特征参数 旋流分离技术同其它任何技术一样，有许多特征参数，其中部分属于专用的名词。 对于除油水力旋流器，这些参数主要包括处理量、分流比、分离效率、压力降及压降比 等，下面对一些主要参数进行介绍。 1 4 1 处理量 水力旋流器的处理量通常是指其入口的总流量q ，国际标准单位为m 3 s ，一般也写 作m 3 h 、1 m i n 等。除油水力旋流器的处理量需要在一个合适的范围之内，如果过低，混 合液在旋流器内的旋转速度慢，不能形成较强的涡旋流，不利于分离：而过高又可能会 导致粒径较大的油滴破碎为更细小的油滴，同时加剧了旋流器内的湍流强度，同样也不 利于油水分离。 1 4 2 分流比 进入水力旋流器的总液量最终从溢流和底流两个出口排出，它们的流量分别是溢流 流量q 。和底流流量鱿，通常引入分流比的概念来描述出口流量与入口流量之间的比例 3 第一章绪论 关系。对于除油水力旋流器，分流比反映了溢流口流量占入口流量的比例，其关系如下： f = a o q j ( 1 - 2 ) 一般评价一台水力旋流器性能的好坏，一方面要看其是否具有较高的分离效率，另 一方面还要看是否具有较小的分流比。除油水力旋流器处理含油污水时，既要求底流管 排出的净化水中的含油量要小于某一允许的指标，同时又要求分流比尽可能小，否则会 有更多的含油废水从溢流管排出，而这部分液体仍存在二次净化的问题，因此这部分的 液量越小越好。另外，即使溢流达到了一定的要求，分流比过大也会使净化液体流量变 小，综合效益下降。 降低分流比也是有一定前提的，即应满足对主液流的处理效率的要求，否则将无从 谈起。有时为了进一步改善混合液的处理效果，甚至需要适当加大分流比。因此，在水 力旋流器的实际操作过程中，两出口都需加以控制，即底流液体必须达到分离效率要求， 溢流口的流量应尽量降低，以获得较高的综合效率。 1 4 3 分离效率 水力旋流器通常是用来分离两相介质的分离设备，尽管它是利用数百倍，甚至上千 倍于重力加速度的离一t ：, 3 u 速度来分离两相介质的，但其分离过程与其它许多工业上应用 的分离设备一样，是一种不完全分离，因而，必须引入分离效率这一概念来评定其分离 性能。这里介绍几种常用的除油水力旋流器分离效率的表示方法。 1 质量效率 若从净化角度出发，可将分离效率简单定义为溢流中所含油相的质量与水力旋流器 入口油相总质量之比，称之为质量效率，即 r 。= m 。m ， ( 1 3 ) 式中，为质量效率；m 。为溢流中油的质量；m 。为入口混合液中油的质量。 水力旋流器是连续运行的，因此无任何物料的积累，进料的总质量应等于两种出口 物料的质量之和，即 m ，= 聊。+ m 。 ( 1 - 4 ) 因而质量效率7 7 。可由入口、溢流和底流中任意两个进行计算，这就给出了质量效率测 定时的三个可能的物流组合方法。若旋流器入口、溢流和底流的流量及含油浓度分别是 q 、q o 、q 和c ，、c 。、c 。，则质量效率可进一步表示为 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 ”i m o = 酱= 警小器小”，鲁 5 ， 从上式可以看出，质量效率不但与含油浓度有关，还与分流比的大小有关，即该 效率计算中包含了分流的部分，因此用它来衡量水力旋流器的效率具有一定的片面性。 因为假设水力旋流器没有任何分离作用，即进v 1 与两出口的浓度均相同，只起到分流 器的作用，则旋流器的分离效率应等于零，但此时按该式计算的分离效率为 r 。= 2 一( 2 一f ) = f ( 1 6 ) 即此时的效率等于分流l k f ，这说明上式表示旋流器的净化效果是不完全的。尤其当分 流比较大时，质量效率与旋流器实际的分离效果偏差较大。 如果仅希望考察其分离效果，则需要将分流造成的影响消除掉，引入应用最为广泛 的水力旋流器简化效率7 7 ，的概念。 2 简化效率 简化效率的表达式为 旷筹( 1 - 7 ) 简化效率r ，满足了效率定义的基本要求，即没有分离效果( 即r 。= f ) 时，简化 效率，7 ，为零，而完全分离( 即r 。= 1 ) 时，简化效率7 ，= l 。 将质量效率表达式( 1 5 ) 代入简化效率表达式( 1 7 ) ，得 r ，= 1 一c 。c f ( 1 8 ) 该式可很好地表达水力旋流器的实际处理效果，也是最常用的水力旋流器分离效率表 达式。 但简化效率没有考虑分流比对分离效果的影响，例如有两台水力旋流器，入口浓 度、底流出口浓度及处理量等其它条件都一样时，分流比应当越小越好，所以综合考 虑这一因素，需引入综合效率的概念。 3 综合效率 1 9 8 0 年t h e w 等人【8 】提出了旋流器的综合效率的表达式，即 叩= 鲁( 鼍专净- r ) 壶驴舡砚 m 9 ， 式中，k 为与入口浓度有关的常数，即k = 1 ( 1 一c ，) ；c i 、c o 为水力旋流器入口及溢 5 第一章绪论 流口浓度，。 可见，它由简化效率、分流比及入1 ：3 浓度三者共同决定。一般来说，只有f c ，时， 才有可能将水中含的油除掉，所以刁 7 7 ，。在其它条件一致的情况下，分流比越大，综 合效率7 7 越小，这就修正了简化效率r ，表达式中不包含分流比这一因素的缺陷。 4 迁移效率( 粒级效率) 前面三种效率都没有考虑分散相( 油滴) 进口粒径的影响，仅用它们作为评价除 油水力旋流器分离性能的标准还不够，因此，有必要采用迁移效率( 粒级效率) 。迁 移效率的定义是，在分散相中粒径为x 的油滴，经过旋流器分离后，从连续相中分离出 来的概率。其关系式如下： m ，g ) = m 。( x ) m ，g ) = 1 一：ig ) c - 。( 1 一，) c j ；g ) ( 1 1 0 ) 式中，g ) 为粒径频度分布函数，表示在分散相中粒径为x 的油滴所占的质量比例。 在实际应用中，常用折算迁移效率m ：g ) ，即 m ：g ) = 1 一无g e c ，b ) ( 1 1 1 ) 转换迁移概率m ：g ) 与迁移概率m p g ) 的关系为： m ，g ) = 1 + m ：g x l f ) ( 1 1 2 ) 迁移概率反映了除油水力旋流器的分离能力，图1 5 是除油水力旋流器的折算迁移 效率曲线f 9 1 。 d p m 图1 5 除油水力旋流器的折算迁移效率曲线 f i g l 5 c o n v e r s i o nm i g r a t i o ne f f i c i e n c yc u r v eo fd e o i l i n gh y d r o c y c i o n e 1 4 4 压力降 水力旋流器具有两个出口，因此压力降劬包含两个含义。假设水力旋流器入口压 力为p ，底流压力为p 。，溢流压力为p 。，则 底流压力降为 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 卸。= p ，一p 。 ( 1 13 ) 溢流压降为 卸。= p f p 。 ( 1 - 1 4 ) 对于除油水力旋流器，底流排出大量液体，因而卸。比较重要，更能代表混合液流 经水力旋流器所损失能量的大小。介质在水力旋流器内的分离过程是依靠压力的损失 来获取所需的能量的，所以，在处理量相同的前提下，如果能获得相同的分离效果， 压力降越低越好。在实际操作中，可以通过调节溢流和底流口直径的大小来适当改变 压降。 1 4 5 压降比 水力旋流器的压降比尸伽是指溢流压力降与底流压力降之比，即 p d r = 0 ，一p 。) 0 ，一p 。) ( 1 1 5 ) 前人的实验研究表明【l o 】，压降比的大小受溢流管直径d 。及分流比腊因素的影响， 而与处理量q 无关。压降比的合理确定将有利于水力旋流器分离性能的充分发挥，并 且对旋流器的实际应用也是非常有益的。 1 5 除油水力旋流器的研究方法 1 5 1 数学方法 用数学方法来研究旋流器就是用数学解析的方法来描述水力旋流器内部的流场特 性，一直是水力旋流器流场研究的重要方法。上世纪5 0 年代初，d r i e s s e n 1 1 1 就曾推导出 空气柱直径与溢流管尺寸之间的数学关系式；自6 0 年代以来，许多学者相继开始应用n s 方程及流体连续性方程来研究水力旋流器内部单一流体介质的运动情况。但是，由于n s 方程本身是一组相当复杂的二阶非线性偏微分方程，迄今为止在数学上还没能对其作完 整的解析，所以，研究者们在应用此方程时都必须做出这样或那样的假设，使得得出的 结论或多或少带有主观的成分。另外，水力旋流器内部的流场是高度的湍流流场，而湍 流的研究尚未获得突破性进展，对湍流产生的机理还不是很清晰，所以很难准确的用数 学解析的方式将其表达出来，就整体而言，目前对湍流理论的研究基本上还是停留在当 初由雷诺提出的雷诺方程的基础上。因此，至今还没有一个比较令人满意的统一的水力 旋流器数学模型。 1 5 2 实验方法 正是由于在数学上很难得出一套比较满意的数学模型来指导实践，所以在旋流器的 7 第一章绪论 研究过程中实验方法就显得尤为重要，一直占有举足轻重的地位。 水力旋流器流场的测定方法按出现的前后顺序大致可分为：流动显形法 1 2 - 1 3 】、光学 测定法【1 4 1 和激光测速法【1 5 19 】等。 流动显形技术是最早用于流场测定的方法。早在1 0 0 多年前，著名的雷诺试验所采 用的就是流动显形技术，它直接在流体中加入染料，以显示流体的流动状态。该技术是 应用比较多的一种测试方法，但是这种测试方法较为粗糙，只能对流场做出一些定性的 测定。 光学测定法于上世纪5 0 年代i 扫k e l s a l l 首次应用于旋流器的流场测定，其基本思想是 用光学显微镜的物镜以适当的速度跟随流体中光散射粒子的运动，进而将物镜的速度换 算为流体的速度。该方法操作比较繁琐且存在不少不足，没有被广泛采用。 激光测速法最早是在上世纪6 0 年代提出来的，在8 0 年代初被用于水力旋流器流场的 测定。由于该技术具有量程广、空间分辨率高、对流场无干扰等优点，使得该技术一经 应用便引起了人们的广泛注意，成为后来比较认可的测量方法。但是该测试方法要求被 测液体以及容器都是透明的，而且需要加入散光子；另外的一个不足就是设备成本太高， 目前，三维的流体激光测速仪国产化还有一定难度，而进口的三维流体激光测速仪( 多 普勒激光测速仪l d v ) 的价格都在几十万美元以上，这使得该技术的推广应用受到很大 的限制，也只有资金实力比较雄厚的科研单位才有能力安装。 1 5 3 数值模拟方法 流体数值模拟【2 川属于计算流体力学的范畴，是伴随着计算机技术和数值技术的发展 而发展起来的一种新型的研究方法，前者是物质基础，后者是理论基础。众所周知，大 部分的工程流体力学问题都是非线性的，人们根据流体力学基本规律而建立起来的控制 方程也大都是非线性的偏微分方程。在很难求得其精确解或解析解的情况下，不得不提 出各种简化，但是在假设条件下得出的解在很多情况下无法正确反映各种复杂的流动现 象。 计算机技术的发展使得计算流体力学中的巨型计算成为可能，以前人工需要1 0 0 万 年才能完成的计算量在现代的高级计算机上仅需要几分钟就能完成，从而人们可以对所 要模拟的流场进行更精细的网格划分。另外，数值计算方法本身的发展，也极大的推动 了计算流体力学的发展，各种算法的提出使计算精度和速度都得到了极大的提高，特别 是网格生成技术的发展使得数值模拟结果精度更高、分辨率更高、计算更易于收敛，对 一些物理模型复杂的流场的模拟也相当成功。在上述各种技术共同发展的推动下，计算 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流体力学在近十几年有了飞速的发展，并出现了不少优秀的c f d 专业工程软件。 数值模拟法有诸多优点，首先是几乎不需要试验设备，不需要物理样机，方便快捷； 其次，由于不需要其他的辅助设备，也就不存在辅助设备对流场带来的负面的影响；再 者，数值模拟的结果清晰，一个模拟试验几乎可以测得所有参数的结果，不需要重复试 验，因而可以省时省力省钱。目前数值模拟已经成为流体力学发展和工程应用的一种重 要工具。可以想象，随着计算机软硬件技术的发展，数值模拟法的应用领域将更为广阔， 也是研究水力旋流器最有前途的方法之一。 本文就是应用美国f l u e n t 公司推出的一种计算流体专业软件叫l u e n t ，对除 油水力旋流器进行三维数值模拟研究。 1 6f l u e n t 软件简介 f l u e n t 软件的设计基于“c f d 计算机软件群的概念” 2 1 】，针对每一种输运过程 的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，使之在计算速度、稳定性和精度等各方 面达到最佳，从而高效率地解决各个领域的复杂流动与传递过程的问题，因此在航空航 天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其中在石油天然气 工业上的应用包括：多相流、管道流动、井下分析、喷射控制、环境分析、燃烧等。 f l u e n t 本质上是一个基于有限体积法的求解器，因此，它既继承了有限差分法的 丰富离散格式，具有良好的守恒性，又能像有限元法那样采用各种形状的网格以适应复 杂的边界几何形状【2 2 】，同时还提供了健壮的压力速度耦合算法。它在模型方面也十分 丰富，如定常和非定常流动，层流( 包括非牛顿流模型) ，湍流( 包括最先进的湍流模 型) ，多相流、不可压缩和可压缩流动，传热，化学反应等等。c f d 模拟过程受到计算 机硬件条件的限制，目前对于特别复杂的三维问题，计算速度还比较慢，为此f l u e n t 软件尽可能采用各种加速收敛技术，如多重网格法、残差光顺法与当地时间步长法等， 并且利用并行算法缓解单机容量不足与计算时间过长的不足。同时f l u e n t 还采用了 统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投 入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。可见， f l u e n t 的工程应用价值毋庸置疑，这也是本文应用它分析除油水力旋流器内流动与两 相分离问题的原因所在。 1 7 计算流体动力学在水力旋流器研究中的应用 旋流分离设备虽然结构简单，但影响其分离效率的结构参数和操作参数很多，流动 9 第一章绪论 与分离过程也相当复杂，不仅是典型的多相湍流，而且是有回流的强旋流动。为了揭示 液液水力旋流器中的流动与分离规律，从2 0 世纪8 0 年代初期至2 0 世纪9 0 年代中后 期，众多的学者对它进行了实验研究，但由于实验条件的限制，单纯采用实验研究手段 周期长且费用高。近十几年来，随着计算机硬件技术及c f d 仿真技术的日趋成熟，数 值方法日益成为研究油水分离用水力旋流器的一种重要手段。数值模拟技术资金投入 少、设计计算速度快，还可以全面深入揭示流场，不存在因实验测试手段的限制而检测 不到的“盲区 ，取得了许多重要成果。 1 7 1 流场数值研究进展 国内外的研究者针对旋流器内的流动特性，采用各种不同的湍流模型进行数值研 究，得出了众多有意义的结论。 b o y s a n $ i j s w i t h e n b a n k 等( 1 9 8 2 ) 2 3 1 用代数应力模型对旋风分离器的两相湍流进行 数值计算，其研究思想和计算方法对水力旋流器的两相流场数值模拟有重要参考价值。 p e r i c l e o u s 等( 1 9 8 7 ) 【2 4 1 采用p h o e n i c s 程序求解了n s 方程，并成功预测t k e l s a l l t l 3 1 的实测结果，对旋流器内单相流场的数值预报进行了有益的尝试，并认为标准的k 一占应 作修正才能适用于旋流器的流场计算。 d u g g i n s 矛l f r i c h ( 1 9 8 7 ) 2 5 i 采用修正的k 一占湍流对强旋转流进行了模拟。该模型是 对标准k g 湍流模型的改进，即对不同方向的湍动粘性分别进行处理的办法，径向和 轴向的雷诺切应力的湍动粘性，由标准k 一占湍流模型来计算，而切向的雷诺切应力的 湍动粘性从则由以下混合长度模型计算： ：孵r ：i 誓一堡i ( 1 - 1 6 ) f 刃，1 该模型引入湍流各向异性的特性，较为准确地描述了湍流及其扩散，流动的描述更 为精确。但是，对于湍动粘性张量只考虑了雷诺切应力方向的影响，而忽略了旋转流动 对雷诺正应力的影响，未完全考虑湍流的各项异性特性，故有待进一步完善。 h a r g r e a v e s 和s i l v e s t e r ( 1 9 9 1 ) 【2 6 1 采用与b o y s a n 和s 埘t 1 1 e n b a n k 相同的模型，模拟了 液液旋流分离管中的强旋湍流，预报结果与实测比较吻合，取得了许多对揭示液液旋 流分离机理具有重要价值的数值计算结果。 h s i e h 和r a j 锄a n i ( 1 9 8 8 ，1 9 9 1 ) 2 7 1 采用修正的普朗特混合长理论模型，用涡流函 数法对n s 方程进行求解，这是由于在轴对称假设的前提下，绕轴的同一周向速度无变 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 化，所以该运动具有二维性质，可以用流函数描述，计算结果与实测值吻合较好。 d y a k o w s k i 和w i l l i a m s ( 1 9 9 3 ) 2 8 1 采用k 一占湍流模型和雷诺应力分量的6 个代数方程 联立求解，这是一种较为简单的雷诺应力代数模型，亦称扩展k 一占模型。该模型考虑 了湍流粘性的各向异性特征以及平均涡量与平均应变率之间的非线性关系，是较为完善 的水力旋流器流体流动模型，但模型中雷诺应力代数式的精确性有待进一步深入探讨。 m a l h o t r a l ( 1 9 9 4 ) 1 2 9 1 针对旋流管中湍流具有各向异性的特点，对标准k f 模型中 的耗散项进行了如下修正： e s - e e = c d ( 等h 嘉 其中，当雷诺数比较大时l = v , c l k n 5 、c f = o 1 8 + 0 1 8 5 ( p g ) ，从而可得到较标准k s 模型有所改进的模拟结果。 h e 等( 1 9 9 9 ) 2 0 】在k s 模型中引入r i c h a r d s o n 数来修正湍动能耗散率，从而考虑了 旋流器内由于强旋涡运动而造成的各向异性问题，计算得到了速度分布，其结果在精度 上的偏差与他们使用的网格也有很大关系。 c u l l i v a n 等( 2 0 0 3 ) 3 1 1 分别采用f l u e n t 软件中的各种湍流模型对旋流器的湍流场 进行了计算比较，表明r s m 模型具有更强的旋流湍流的模拟能力，还表明r s m 模型中的 压力应变项采用线性压力应变模型计算是不适合旋流器模拟的，而采用二次压力张力 模型计算的结果更精确。 凌国平( 1 9 9 5 ) 3 2 1 采用修正的p r a n d l e 混合长度湍流粘性模型，在锯齿边界网格上对 旋流器的内流场进行了模拟，得到轴向、径向、切向速度分布和流线图，并与多普勒激 光测速仪的测试结果进行了比较，基本吻合，但边壁处误差较大。 戴光清、李建明等( 1 9 9 7 1 9 9 9 ) 3 3 - 3 4 1 分别采用修正了k 一占模型系数的模型和各向 异性模型，对不同工况下水力旋流器( d = 8 0 m m ) 的三维单相速度场和压力场进行了数 值模拟：并用二维激光多普勒测速仪进行了实测验证，实测结果与计算值基本一致，说 明在三维条件下对旋流器流场的数值计算，与二维条件下相比，计算结果将大有改善。 陆耀军、周力行等( 1 9 9 9 2 0 0 1 ) 3 5 - 3 8 分别采用标准k 一占模型、r n g k s 模型和d s m 模型，对液液旋流管中的单相强旋湍流进行了二维轴对称条件下的数值模拟研究。结 果表明r n g k s 模型的数值预报结果虽然较标准k 一占模型有所改进，但这种改进却是 局部的、有限的，总体上讲，两者的预报结果同实验间仍存在定性上的不合理性，而d s m 模型则给出了与实验值吻合较好的预报结果，不仅对切向速度分布的r a n k i n e 涡结构和 第一章绪论 轴向速度分布的近轴回流区作出了合理预报，而且揭示了雷诺应力的各向异性特性，只 不过在旋流管的进口附近，预报结果同实验间尚存在较大偏差，不过，分析认为这一偏 差的出现，并不一定是模型缺陷所致，而有可能同二维轴对称的计算简化有关，若在三 维条件下进行计算，也许会得到更好的预报结果。 李玉星等( 2 0 0 1 ) 3 9 l 采用r n g k 一占模型，以s i m p l e r 算法为基础，通过数值计算 得到了液液水力旋流器内流体流动的速度矢量图和流线图。计算结果与理论分析一致， 证明了模型和算法的正确性，为进一步研究旋流器的结构优化、粒子跟踪和旋流器特性 参数对分离效率的影响等打下了基础。 邹宽等( 2 0 0 4 ) 4 0 l 用雷诺应力模型进行了水力旋流器的水相流场计算，计算得到的 轴向和切向速度分布与实验数据基本吻合，且比文献 1 4 】在相同假设条件下采用修正的 k s 模型的结果更接近实验结果。计算结果给出了水力旋流器内的流线图、零轴速包 络面( l z v v ) 以及等压线，为进一步计算旋流器内的多相流动建立了基础。 魏新利等( 2 0 0 5 ) 4z j 用f l u e n t 软件，采用雷诺应力湍流模型( r s m ) 对油水分离 用水力旋流器的流场进行了数值模拟。结果表明旋流器流场呈r a n k i n e 涡的特点，且与 前人实验结果吻合较好，说明该湍流模型和算法是可行的，但是似乎过分夸大了似固核 涡的范围，且各截面上的最大切向速度点所在的位置不致，而激光多普勒测速仪所测 得的最大值点大致在同一圆柱面上。 梁政等( 2 0 0 7 ) h 2 采用雷诺应力湍流模型( r s m ) ，对水力流流器内部流场进行了 数值模拟，得出旋流器径向速度的分布规律基本上是，速度值沿着半径向里先逐渐增加， 然后又逐渐降低；并从理论上作了定性的对比分析，认为标准k 一占湍流模型和 b o u s s i n e s q 假设均不适合水力旋流器流场。他们又对同一水力旋流器在相同参数条件下 分别选择不同的湍流模型进行了模拟【4 3 】，并将模拟结果与实验结果对比，认为r s m 模型 尽可能多地考虑了影响雷诺应力的因素，特别适于模拟高速旋转流体，只要处理合理， 模拟结果与实验测试结果的误差一般不超过1 0 ；而k g 模型的模拟结果与实验测试 结果相差太大，不适用于水力旋流器流场模拟。因此，在设计研究各种类型的水力旋流 器时，首先推荐采用r s m 模型模拟水力旋流器流场。 赵立新等( 2 0 0 7 ) m j 采用雷诺应力湍流模型，对油水分离用水力旋流器进行了数值 模拟，其结果表明旋流器内存在循环流和短路流现象，且内部流场的切向速度和轴向速 度的模拟结果与以往实验结果在定性分析上是基本一致的，说明该湍流模型和计算方法 的选取是正确的，而且所建立的数学模型可实现对径向速度分布规律的模拟，为进一步 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 研究水力旋流器特征参数对分离效率的影响和结构优化奠定了基础。 从上述国内外的研究可以看出，对旋流器内流场的模拟早期主要采用单方程的普朗 特混合长度模型，再到两方程的k g 模型，直到近几年广泛应用的雷诺应力模型表明， 强旋湍流的流场模拟需要更复杂的湍流理论模型来说明湍流的各向异性和产生机理。就 目前的研究来看，应用雷诺应力模型对旋流器的流场进行模拟，在精度和计算量上都为 广大研究者接受。但是在雷诺应力模型中，湍流耗散率仍采用了各向同性的雷诺应力耗 散模型，这对于旋流器内的强旋湍流场模拟是不希望看到的。 对强旋湍流场模拟的另一种选择就是大涡模拟( l e s ) ，其基本思想是直接计算大尺 度湍流涡，而对小尺度湍流涡仍采用模型实现。在国外，s l a c k 等( 2 0 0 0 ) 4 5 1 用l e s 模拟 了旋风分离器，精确地预报了速度分布，同时得出：对于同一个几何模型，若采用l e s 模拟相对于雷诺应力模型需要更精细的网格。d es o u z 和s i l v e i r a ( 2 0 0 4 ) 4 6 】用l e s 模拟 了7 6 m m 的旋流管，d e l g a d i l l o 和r a j a m a n i ( 2 0 0 5 ) 4 7 1 用l e s 模拟了h s i e h s ( 1 9 8 8 ) 7 5 m m 的旋流管，他们都得到了非常精确的速度分布，特别是对切向速度的预报尤为精确。虽 然它需要更大的计算