（机械设计及理论专业论文）基于fluent的高效测试分离器流场分析与内构件优化.pdf

北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名：鲢。筮 日期：趔! ：墨：2 7 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：经叁 导师签名：之叁丝! 鹜 日期： 芦，一 学位论文数据集 中图分类号 t h 3 2 学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1o o l0 2 0 1 1 0 6 1 5 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名陈基学号 2 0 0 8 0 0 0 6 1 5 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源自选项目研究方向测试分离器内流场分析 论文题目基于f l u e n t 的高效测试分离器流场分析与内构件优化 关键词 测试分离器，数值模拟，分离效率，流场分析 论文答辩日期 2 0 1 1 5 3 l 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师 颜廷俊副教授北京化工大学石油机械 评阅人l王奎升教授北京化工大学化工过程机械 评阅人2芦涛副教授北京化工大学流动与传热 撇员蝴王奎升教授北京化工大学机电一体化技术 答辩委员1何立东研究员北京化工大学动力机械 答辩委员2杨卫民教授北京化工大学高分子材料成型加工 答辩委员3张亚军教授北京化工大学机械自动化 答辩委员4张有忱教授北京化工大学机械工程 答辩委员5周俊良教授北京化工大学工业产品造型设计 答辩委员6钱才富教授北京化工大学化工机械 答辩委员7薛平 研究员北京化工大学 聚合物加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) ( ( 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 l 摘要 基于0 u e n t 的高效测试分离器流场分析与内构件优化 摘要 油气水三相测试分离器主要是应用重力分离的原理，将油气水三相分 离，进行分别计量，对新开发油井进行评价，为分析油藏求得地层流体的 井口压力、温度、产能及物性等参数，适用于陆上和海上平台。本课题所 设计的测试用油气水三相分离器内部结构较复杂，主要包括旋流器、下箱 体式进料结构、迷宫构件、斜板组构件、聚结构件等。由于直接进行油气 水三相数值模拟分析，难度较大，本文采取对模型进行简化的方法，将测 试分离器内部构件分别进行考察。旋流器的数值模拟采用雷诺应力模型进 行油气两相的数值模拟，优化旋流器各个结构参数，达到较好的气液分离 效果；布液板采用单相水进行数值模拟，对比速度场，选取开孔面积为进 料面积4 0 倍的同心圆布孔的布液板；整流构件采用单相水进行数值模拟， 根据其速度场的差异，选择迷宫板组作为整流构件；除液板在理论计算满 足的情况下，采用油气两相进行数值模拟，考察其对流场的影响；聚集构 件采用油水两相进行模拟，根据其分离效果不同，最终选择蛇形板。并将 所有内构件组合进行综合进行了整体的气液分离效果考察和油水分离效 果考察，结果显示测试分离器对气液分离和油水分离均具有较理想的分离 效果，满足气中含液设计要求s 5 ，水中含油茎5 ，油中含水5 。 关键词：测试分离器，数值模拟，分离效率，流场分析 北京化丁人学硕一 ：学位论文 t e s tb a s e do nt h ee f f i c i e n ts e p a r a t i o no f f l u e t nf l o wf l e l da n a “s i sa n do p t i m i z a t i o n o ft h ec o m p o n e n t s a b s t r a c t t h et h r e e - p h a s es 印a r a t o ri s 埘m 撕l yu s e dt os 印a r a t et h et h r e ep h a s e a n dm e a s u r et h e mt oe v a l u a t et h ea b i l i t yo fn e wd e v e l o p m e n tw e l l sa n d a n a l y s i s t h em i x t u r ef l u i do b t a i n e dw e ll h e a d p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r e ， p r o d u c t i v i t y p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n do t h e rp a r a m e t e r so ft h er e s e r v o i r f o n l l a t i o nf o ro n s h o r ea n do f f s h o r ep l a t f o r m s t h ei n t e m a ls t r u c t u r eo ft h e t h r e e 。p h a s es e p a r a t o ri sc o m p l e x ，i n c l u d i n gc y c l o n e ，t h eb e l o wb o xt y p ef e e d s t l l j c t u r e ，am a z ec o m p o n e n t s ，i n c l i n e dp l a t eg r o u pa n dp 0 1 y m e rs t m c t u r e b e c a u s eo ft h ed i 伍c u l t yo fd i r e c t e dn u m e n c a ls i m u l a t i o nf o r t h e t h r e e - p h a s e s e p a r a t o r ，t h em o d e l i ss i m p l i f i e da n dt h ei n t e m a lc o m p o n e n t sa r ea n a l y z e d s e p a r a t e ly t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec y c l o n ei su s e dt oo p t i m i z et h e s t m c t u r a lp a r a m e t e r so ft h ec y c l o n et oo b t a i nb e t t e rs 印a r a t i o ne m c i e n c y w i t hr e y n o l d ss t r e s sm o d e l ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fb o a r di su s e dt o c o n t r a s tt h ev e l o c i t yo ft h es i n 9 1 e - p h a s ew a t e rt os e l e c tt h ef e e dh o l ea r e a4 0 t i m e so ft h eb o a r dw i t hc o n c e n t r i cc i r c l e sh o l e ：t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s t e a d yf l o wb o a r di su s e dt oc o n t r a s tt h ed i f f e r e n c e so ft h ev e l o c i t v6 e l dt o s e l e c tt h em a z eb o a r da st h es t e a d yf l o wb o a r d ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f i n c l i n e dp l a t eg r o u p si su s e dt oa n a l y z et h es e p a r a t i o ne f n c i e n c yo f g a sa n d o i l ；t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o a l e s c e n c eb o a r di su s e dt oa n a l v z et h e s e p a r a t i o ne f h c i e n c yo fo i la n dw a t e rt os e l e c tt h et pb o a r d t h en u m e r i c a l 摘要 s i m u l a t i o nr e s u l to fa l lt h ei n t e m a lc o m p o n e n t sa n do v e r a l lt h es e p a r a t o rw i t h g a s 1 i q u i ds e p a r a t i o na n do i l 一w a t e rs e p a r a t i o ns h o w e dt h a tt h et e s ts e p a r a t o r h a sa ni d e a ls e p a r a t i o ne 币c i e n c ya n di tc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r i ：m e n t so f 1 i q u i dc o n t a i n i n gg a ss5 ，w a t e rc o n t a i n i n go i ls 5 ，o i lc o n t a i n i n gw a t e rs 5 k e y w o r d s ：t h et e s ts e p a r a t o r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es e p a r a t i o n e 所c i e n c y ，f l o wf i e l da n a l y s i s 目录 目录 第l 章绪论1 项目研究的目的意义1 国内外研究现状及趋势2 气液分离方法的研究一2 油水分离方法的研究3 测试分离器内构件简介3 研究的主要内容5 研究方法6 第2 章多相流基本方程及湍流模型计算7 2 1 控制方程7 2 1 1质量守恒方程7 2 1 2动量守恒方程7 2 2 湍流模型的选择8 2 3控制方程的离散及离散格式的选择9 2 3 1有限体积法9 2 3 2离散格式10 2 4f l u e n t 软件简介一11 2 4 1f l u e n t 基本构成一1 1 2 4 2数值模拟与优化的求解步骤1 2 2 4 3多相流模型及其适用场合1 3 第3 章建模过程及网格理论17 3 1 几何结构l7 1 2 3 1 2 2 2 2 3 41_，_，_1，_1l，-j，l 北京化t 人学硕i ：学位论文 3 2网格戈0 分1 8 3 3网格质量评定2 0 第4 章测试分离器数值模拟及流场分析2 3 4 1旋流器的数值模拟2 3 4 2布液板的数值模拟2 6 4 3 整流构件的数值模拟3 0 4 4斜板组的数值模拟3 3 4 5聚结构件的数值模拟3 6 4 6整体气液模拟结果3 9 4 7整体油水分离模拟分析4 2 4 8本章小结4 6 第5 章现场实验。4 7 5 1 5 2 5 3 第6 章结论5 l 参考文献。5 3 致j 射。5 5 研究成果及发表的学术论文5 6 7 9 9 4 4 4 统程果系流结验验验实实实 作者和导师简介 北京化t 火学硕l ：论文 c o n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1p u 印o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep r i o j e c t l 1 2r e s e a r c hs t a t u s 2 1 2 1s t u d y o f g a s 一1 i q u i ds e p a r a t i o n 2 1 2 2r e s e a r c ho no i l - w a t e rs 印a r a t i o n 3 1 2 3i n t e m a ls 包m c t u r eo ft h et e s ts e p e r a t o r 3 1 3m a i nc o n t e l l to f t h e p r o j e c t 5 1 4t b s tm e t h o d 6 c h a p t e r2t h eb a s i ce q u a t i o n so fm u l t i p h a s ef l o wa n dt u r b u l e n c e n l o d e l 7 2 1e q u a t i o n s 7 2 1 1t l l em a s sc o n s e a t i o ne q u a t i o n 一7 2 1 2m o m e n m 】f i lc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n 7 2 2t h ec h o i c eo f t u r b u l e n c em o d e l 8 2 3d i s c r e t ee q u a t i o n sa i l dd i s c r e t ec h o i c ef o m a t 9 2 3 1t h et h e o r yo f f i n i t ev o l u m e 9 2 3 2t h ed i s c r e t ef o n n a t 1 0 2 4 f l u e n ts o r w a r e 1 1 2 4 1f l u e n tb a s i cc o m p o n e n t s 1 2 2 4 2t h es t e p so fn u m e n c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns o l u t i o n 12 2 4 3m u l t i p h a s ef l o wm o d e la n do c c a s i o n s 1 3 c h a p t e r3t h e o r e t i c a lm o d e l i n ga n dm e s h 1 7 3 1g e o m e t r y 1 7 3 2m e s h 1 8 3 3m e s hq u a l i t ye v a l u a t i o n 2 0 i v 一i ! 窒垡王叁堂堡! ：堡苎一 一一 c h a p t e r4n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h et e s ts 印a r a t o ra n da n a l y s i so f n o wf i e l d 2 3 4 1n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c y c l o n e 2 3 4 2n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f l i q u i dd i s t r i b u t o rp l a t e 2 6 4 3n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f r e c t m e re l e m e i l t s 3 0 4 4n u l n e r i c a ls i m u l a t i o no f i n c l i n e dp l a t e 乎伽p ”j j 一 ， 4 5n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f p o l y i l l e r 蛐m c t u r e 3 6 4 6t h er e s u l t so fo v e r a l lg a s 1 i q u i ds i m u l a t i o n 3 9 4 7t h er e s u l t so f o v e r a l lo i l w a t e rs 印a r a t o r 一4 2 4 8c h a p t e rs u m 】嘁呵4 6 c h a p t e r 5e x p e r i m e n t 4 7 5 1e x p 甜m e n t a ls y s t e i n 4 7 5 2e x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 4 9 5 3e x p 嘶m e n t a lr e s u l t s 4 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 5 l r e f e r e n c e s 5 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 5 5 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e dp 印e r 5 6 a u t h o ra n dt l l t o ri n t r o d u c t i o n 5 7 v 第l 审绪论 1 1 项目研究的目的意义 第1 章绪论 在陆上和海上的油气田勘探开发过程中，为分析油藏求得地层流体的井口压力、 温度、产能及物性等参数，需使用油气水三相测试分离器对油井进行试油作业，将地 层产出流体中的油、气、水进行分离，并进行准确计量l lj 。它是加速油气田勘探开发 进程和进行油气田动态监测的主要技术手段【2 j 。现场特别是海上油气井测试要求其油 气水测试分离器应具有体积小、方便移运、精度高等特点【3 】。 目前，国内外进行油气井试油测试有分离计量和不分离计量二种方法。分离计量 就是将油井的来液通过一定的设备和方式将油、气、水三相进行分离，使其各相介质 流经各自的管道并通过相应的单相流量计进行计量；不分离计量是指不分离油井采出 液，直接进入特定的装置( 一般使用射线检测技术) 进行计量并通过相关计算得到各 相流量。由于它不需要气液分离，对于新井求产测试，还需后续的分离设备，以便将 各相分别储存，所以，不分离计量一般用于输油管线上，具有体积小、使用方便的特 点。由于油气水三相介质在管线中的流动工况复杂、成分变化较大，大部分的相关技 术目前还处在理论研究和实验室研究阶段，而采用的y 射线【4 卅的在线计量手段得到了 较多的现场应用。三相分离计量具有计量精度高，操作简单等特点，但所需体积稍大。 目前国内外油气井三相测试普遍使用该型装置【7 8 j 。 测试分离器主要是应用重力分离的原理，将油气水三相分开，在分离器的内腔 上部是气室，气的出口在上部；堰板又将容器的下部分成油室和水室，进入分离器的 流体首先到达水室上部，在重力的作用下，最下部是水，水上面是油，油上部的空间 为天然气。目前，国内外生产的测试用油气水三相分离器的分离原理除自然沉降外， 主要是通过罐内各种不同形式的内构件利用浅池原理加快其三相分离过程。资料显 示，国外分离器的的应用已有百余年的历史，但理论研究始终落后于实践，近年来， 多相流理论和计算机技术的迅速发展极大地推动了分离器的理论研究；国内关于测试 用三相分离器的文献和研究资料均较少，其研究主要体现在测试三相分离器宏观上的 结构仿制或经验改造上。随着流体计算技术以及计算机软件的发展，部分研究者还进 行了生产用三相分离器内部流场规律的研究，但对于各内构件j l ：作机理以及分离效率 缺乏定量的认识p 一0 1 。 国内油田使用的测试用分离器大部分都是从e x p r o ，h a l l 洒u n o n 等国外公司进口 北京化- t 人学顾j j 学位论义 的，整套设备费用估计需要5 0 0 力，对油田和企业都是一个较大的负担，但又必不可 少。随着海上石油开采量的增长，测试用分离器的需求也在增加。因此，总结一套油 气水三相测试分离器的设计思路和方案，建立油气水三相测试分离器的评价指标，选 定一些促进气液分离、油水分离的优化结构模型已经成为国内油田的迫切需要。 1 2 国内外研究现状及趋势 近2 0 年来，美国i d a l l o 大学采用激光多普勒测速仪( l d v ) 对分离器中的速度场 进行了模拟试验1 1 】；英国h 甜。撕a t t 【1 2 】大学以相位多普勒测速仪( p d p a ) 为技术手段， 研究了重力式油水分离设备中的二维和三维流动特性；s h e u 公司采用放射性示踪法对 现场分离设备的流动特性进行了停留时间分布测试【1 3 】。海上测试用油气水分离器与生 产用三相分离器都是采用重力式分离，由于经常移动以检测不同油井产量分布，因此 对其装备的体积上有一定的要求。 国外几家石油开采和技术服务公司，如e x p r o 、h a l l i b u r t o n 、s c h l u m b e r g e r 等公司 生产的分离器应用较广。由于国外公司产品分离效率高且体积较小，目前国内油田特 别是海上油f f l 使用的多是国外公司产品；国内主要有惠博普等公司在研制生产，其成 熟产品主要是生产用三相分离器。 国内外的计算机数值模拟主要是应用于生产用分离器，鲜见针对测试分离器的研 究。本课题采用数值模拟方法研究测试分离器的流场分布和结构改进。 1 2 1 气液分离方法的研究 由于气液两相流体力学发展缓慢，很多工作均为气液旋流分离技术的应用和试验 研究，即根据不同的要求研制不同结构的气液旋流分离器，并对其分离特性进行试验 测量和性能分析【1 4 。16 1 。 1 9 9 6 年，f r a n c a 等研制了螺旋片导流式气液旋流分离器，因性能优越。体积较小， 因此国内外的井下油气分离基本都采用了螺旋式油气分离器。2 0 0 5 年，中国石油大学 ( 华东) 多相流实验室金有海老师【1 4 】研制了轴流导叶式气液旋流分离器。与切向进口的 g l c c 【l6 j 相比，采用轴向为进料口，导向叶片使流体产生旋转。另外还有管道式气液 旋流分离器，用法兰将之安装在输送管道上，具有高效率、撬装化、可移动与小型化 等优点，且可降低输送成本，消除了气液两桐流输送时容易产生的断流、堵塞以及沈 _ i 等i 彩l ：| | 流输送的闽题。 对j e 液疑流器内部i 维流场的结构， j ：测试r 段限制，所以实测研究进展一 第l 章绪论 直较慢。然而只有在了解旋流分离器内连续相和液滴( 气泡) 的运动规律后，才能真j 下 认识气液旋流分离器的分离机理，并为旋流分离器的工程设计和改善其分离性能提供 理论基础。 虽然在旋流器内部流场结构的实验研究方面，人们进行了大量的工作，并取得了 很大的进展，但由于流场内流体运动的复杂性，并受多相流动力学和实验流体力学发 展的限制，目前还有许多现象无法解释。尤其是气液旋流分离过程中，气泡和液滴在 运动过程中的碰撞粘结、团聚破碎和扩散的机理及其与流动特性的相互关系还不清 楚。 对于气液旋流分离器的c f d 模拟研究起步较晚，随着计算机技术的发展，近年来， 人们对旋流器进行了大量的c f d 研究，由于有关理论还不完善，以这些理论为基础的 c f d 只能是在相当程度上与真实流场的一种近似，各种模型和计算还需不断的改进。 气液旋流分离技术正被越来越广泛地应用于工业生产中，由于受气液两相流体力学发 展的限制，加上不确定的因素较多，计算复杂，目前虽然气液旋流分离技术的开发和 应用已经取得了一定的成效，但从整体上看，理论研究落后于实际应用。对于旋流器 内部气液两相三维强旋湍流的流动机理以及颗粒的碰撞、团聚和扩散机理，还缺乏系 统而透彻的研究，其结构设计和流场分布的进一步的理论分析以及c f d 研究还有待 发展【1 7 1 。本文中气液分离采用重力分离和旋流分离相结合的方法。 1 2 2 油水分离方法的研究 油水分离技术是十分重要的研究课题之一，主要是采用重力分离和旋流分离【1 8 也】。 其中，重力分离【2 3 】为油水分离的主要形式。重力分离主要是通过增大油水相间密度差、 降低连续相间粘度、增大分散相粒径、缩短液滴的有效沉降距离等方法促进油水分离。 油水分离技术已从自然沉降、加热沉降、化学沉降、热化学沉降、电化学沉降、粗粒 化沉降发展到当前的多层板式聚结沉降。 世界各国的石油研究机构投入大量精力进行油气水三相分离的课题研究，国外已 经有了较为成熟的设计套路【2 4 】，国内针对生产用的油气水三相分离器也有了自己的设 计方案f 2 5 之9 1 ，不过一般参考a p l 标准，而针对油气水三柏测试用分离器的研究较少。 1 2 3 测试分离器内构件简介 测试分离器内构件多种多样，不过一般可以分为进料结构、整流结构、聚结、捕 雾等四种功能构件，入口构件的宅要作h j 是吸收进料的混合物动能，减少涡流、混流 北京化t 人学硕1 ：学位论文 等现象的发生。入口构件一般可以分为旋流式入口，上孔箱式入口、下孔箱式入口、 蝶形入口、捕鼠式入口。整流构件的概念是陆耀军p o j 提出的，其包括迷宫板、孔板、 田字板等结构。聚结构件分为两种，规整构件和散堆填料。主要规整构件包括波纹板、 蛇形板、平行板、斜板平行板掣3 1 】。主要散堆填料包括丝网填料、羊毛填料、玻璃填 料、聚四氟乙烯填料等f 3 2 1 。捕雾构件一般分为冲击式捕雾和旋转式捕雾，冲击式捕雾 主要是由丝网、过滤器、挡板等组成。旋风式捕雾主要是利用离心力，进行分离。本 文对内构件的考察主要是前三种功能的考察，将用在生产用分离器中的一些结构用于 油气水三相测试分离器。 图1 1 测试分高器 f i gl lt h ew e l lt e s ts 印a r a t o r 测试分离器和生产用的分离器有较大区别。首先是作用不同，测试分离器主要用 于测试油f f l 新井的物性参数，需要经常移动，管汇均是根据现场情况进行连接；而生 产用分离器主要用于油f f l 的集输站以及石化炼厂，固定不动，管汇也是根据设计方案 固定不变的。其次是体积不同，测试分离器体积一般比较小，方便其移动；生产用分 离器体积一般比较大，以便于重力沉降。再次是精度要求不一样，测试分离器精度要 求比生产分离器精度稍低，满足勘探需要即可，而生产用分离器对每一相的分离效果 均要求较高。其他还有一些区别，比如牛产用分离器可采用破乳剂等方澍3 3 j 使三相更 好的分离。 4 第j 章绪论 1 3 研究的主要内容 图1 2 生产川分离器 f i g 1 - 2t h es 印a r a t o rf o rp r o d u c t i o n 根据本课题的意义，并结合现场工况，确立了本文主要研究内容如下： ( 1 ) 分离器内构件数值仿真优化研究。 为使经旋流器后底流口流出的油、气、水混合物呈现平稳流动、消除窝流，在分 离器内部分别设置起稳流、促进气液分离、油水分离等作用的构件。 考察旋流器的结构尺寸对分离效率的影响的研究； 布液板不同孔径、不同排列对分离器内部流场分布规律影响的研究； 不同稳流板结构对分离器内部流场分布规律影响的研究； 除液板结构对分离器内部流场分布规律影响的研究； 聚结板结构对分离器内部流场分布规律影响的研究； ( 2 ) 结构优化组合后分离器内总体流场分前j 数值仿真研究。 与生产用三相分离器相比，测试用分离器具有体积要求小( 便于移动) 、流爱人 ( 同产液5 0 0 m 3 d ，f l 产气5 0 1 0 4n m 3 d ) 、工作压力高( 8 9 m p a ) 7e 佛含 l i 蔫0 9 0 ) 等特点。相同条件下，为保证分离效率，流体流量增大会导致分离器体积增大；压力 增高使其气相部分密度增大，与液相密度差减小，分离难度增大：气体含量增高，使 其分离器内部的被分离液相比例发生变化，导致其填料结构随之变化。根据上述特点， 特别是气体含量较高的要求，提出在分离器内部添加旋流装置，将大部分气体先分离 出来。再根据后续三相流体特性进行各不同内构件结构、型式的计算和仿真。最终研 北京化t 大学硕 j 学位论文 制出适合于测试用的油气水高效三相分离器。 1 4 研究方法 本论文运用计算流体动力学( c o m p u t a t i o nf 1 u i dd y n 锄i c s ) 和c f d 软件f 1 u e n t 6 3 对建立的测试分离器模型进行计算，首先针对各个不同的内构件进行结构参数和内流 场分析，得到影响内部流场的因素与分离效率关系。通过对内部流场的深入研究，掌 握流体的运动规律，为测试分离器的结构优化设计和尺寸优化提供理论指导。采用数 值模拟技术的疗法对测试分离器尺寸进行优化设计具有设计周期短、仿真梭拟能力强 等优点。 ( 1 ) 建立物理和数学模型 根据每部分内构件的作用上对其进行合理的简化，以建立相应的物理模型。根据 所建立的物理模型得到运行过程的控制方程和定解条件，从而确定其数学模型。对内 构件进行单独优化模拟和分析，然后进行组合模拟分析。细致考察影响分离效率的因 素。 ( 2 ) 技术方案； 查阅国内外生产和测试用分离器设计理论依据，并对其进行比较总结； 高效油气水三相分离器内部结构总体设计计算； 根据流体力学多相流流动理论，确定分离器内部油气水三相流动计算模型。利 用f l u e n t 流体数值模拟仿真软件对分离器内完成不同功能、不同型式内构件( 布液板、 稳流板、除液板、聚结板) 对流场分布的影响研究； 分析上述各部分的仿真结果，对其结构进行优选； 依据多相流理论，利用f l u e n t 数值模拟软件对全部优化后的分离器进行数值模 拟仿真，并对其结果进行分析。 本课题运用计算流体动力学理论，建立适合于测试分离器内部流场特性的湍流数 学模型。通过求解流体力学的基本数学方程，模拟出分离器内部流体的流动状态。分 析计算结果得到测试分离器内部流体的流动规律，为测试分离器装置的结构尺寸优化 设计提供理论依据。 6 第2 章多相流坫本方程及湍流模型汁算 第2 章多相流基本方程及湍流模型计算 油气水三相测试分离器是利用三相密度的不同采用重力分离的混合物分离设备。 混合物在消除涡流，平稳流动时，方便离散相的分离，才能有较好的分离效果。为了 实现这个条件，可以通过优化内构件的方法调整测试分离器内部流场分布。 长期以来，人们为了提高油水和油气的分离效率，对多相分离设备做了大量的工 作和研究，但对设备流动特性的研究却很缺乏。美国i d a l l o 大学采用激光多普勒测速 仪( l d v ) 考察分离中的速度场分布1 ，s h e n 公司采用放射性示踪法测试分离器内 部多相的停留时洲1 3 1 。结果表明，现场使用的分离设备存在很多问题，不能有效利用 分离空间，现有设备中存在严重的短路流和返混等现象。 2 1 控制方程 控制方程是指f l u e n t 软件中所使用的计算方程，包含诸多方程，其中最为基础的 是三大守恒定律。三大基本守恒定律分别是质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒 定律。本课题流体流动除了受三大定律支配外，还要遵守组分守恒。 由于测试分离器内流体流速较低，温度几乎没有变动，在仿真模拟中不考虑温度 变化和压缩，即不采用能量方程。 2 1 1 质量守恒方程 该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时问间隔内流 入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程 等+ 掣+ 掣+ 掣协， a砒巩瑟 毕v 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元 体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实 际上是牛顿第二定律。按照这一定律，可以导出x 、y 、z 三个方向的动量守恒方程。 掣+ 州炉一塞+ 等+ 等+ 等+ k 肥埘0 to xo x0 vo z 北京化- 丁人学硕f j 学位论文 掣协c 州= 一考+ 誓+ 鲁+ 誓+ t 2 国a t 、 。 如a x如8 z ”一卜叱 掣+ 圳删卜老+ 鲁+ 等+ 等峨亿4 ，乱 ” 昆舐巩瑟 扣_ 。v 式中，p 是流体微元体上的压力；k 、乞等是因分子粘性作用而产生的作 用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；e 、e 、t 是微元体上的体力。对于不可 压缩流动，若热交换很小以至可以忽略时，可以不考虑能量守恒方程。 2 2 湍流模型的选择 由于测试分离器结构复杂，流体流场也有较大的变化，针对不同的情况采用相应 的湍流计算模型。以r e y l l o l d s 时均方法为基础的湍流模式理论是目前流体机械内部流 场计算中所采用的基本理论。其湍流模式主要有r s 双方程模型、i gr 一占紊流模 型、代数应力模型( a s m ) 和雷诺应力模拟( r s m ) 。r s 双方程模型具有简单、省机时 的特点，在工程中得到广泛的应用。但是，由于r g 双方程模型本身的简化，在实践 中发现其在旋流与浮力流的应用中尚有欠缺。i gr s 紊流模型是标准的k s 模型 的一种改进形式，与标准的k s 紊流模型相比，它主要有两点不同：( 1 ) 模型中的系 数都由理论推导产生；( 2 ) s 方程多了一个考虑强旋流下应变率对紊流耗散率影响的 附加项能够模拟湍流的各向异性。r s m 模型的优点是可以准确地考虑各向异性效应， 如浮力效应、旋转效应、曲率效应和近壁效应等，大多被用来模拟旋流器内具有强旋 流特点的流场。 r 方程： 掣+ 掣= 考箦斟+ 扣咿一协5 ， a 挑 n吒j 钙i 2 州 一 方程 半+ 掣= 刹+ 箦剖m 。p 长协6 ， a 挑 吼j i m2 ” “尼。 式中层是剪应力产生项，g ，j 是浮力产生项，“是湍动粘度。 在对内构架的单独考察性能时，旋流器构件的模拟采用雷诺应力模型( r s m ) ， r s m 方程计算模型如下所示，它体现了各种因素对湍流流动的影响，包括对流、湍动 扩散、分子粕性扩散、剪应力、浮力、粘性耗散、系统旋转等9 1 。 第2 章多相流牿本方程及湍流模型计算 掣+ 之掣：一导 p 砑+ 觋+ 觋】 d t o x k 0 x k 二 + 丢 丢c 面， - p ( 巧玺+ 瓦善 _ 筇c g ，坛万，。2 引 叫( 筹+ 等 一2 筹鼍一2 以c 觋+ 磊， 2 3 控制方程的离散及离散格式的选择 得到控制方程后，就要对流动区域离散化，即对空间上连续的计算区域进行划分， 把它划分成许多个小区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。然后将控制方 程在网格上离散，即把偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组。有限 体积法是目前c f d 领域广泛使用的离散化方法，其特点不仅表现在对控制方程的离散 结果上，还表现在所使用的网格上。有限体积法的核心体现在区域离散方式上。 2 3 1 有限体积法 有限体积法的基本思路为：将计算区域进行网格划分，并使每个网格点周围有一 个互不重复的控制体积；将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控制体积积分，从而得 出一组离散方程，其中的未知数是网格点上的因变量矽。为了求出控制体积的积分， 必须假定值在网格点之间的变化规律。简言之，子域法加离散，就是有限体积法的 基本方法。 采用有限体积法的主要步骤为： ( 1 ) 将计算区域进行网格划分，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积。 ( 2 ) 将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空问与时间作积分。 ( 3 ) 选定未知函数及导数对时i 、口j 及空间的局部分行曲线，即型线，也就是如何从相 邻节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数值的插值方式。 ( 4 ) 对各个项按选定的型线作出积分，并整理成关于节点上未知值的代数方程。对 于所研究的旋流器单相流场的r s m 模型，只考虑稳态问题，可写出各控制方程的通用 表达式的改写形式： ( ，舻( r 矿笋+ & ( 2 - 8 ) 呶：o x ；o x ； 9 北京化t 人学硕 ：学位论文 2 3 2离散格式 征使用有限仟秋坛建豆阂散刀程时，很重要的一步是将控制体枳界回上的物理量 及其倒数通过节点物理量插值求出。引入插值方式的目的就是为了建立离散方程，不 同的插值方式对应于不同的离散结果，因此，差值方式常称为离散格式。本文对动量 方程、湍流能k 方程、湍动能耗散率、雷诺应力方程采用了q u i c k 差分格式，具有 守恒特性。 ( 1 ) q u i c k 差分格式 当流动沿着j 下方向，即 0 ，沈 o 时，存在： 丸= 詈九+ 詈诈一吉九w c 2 9 ， 允= 詈吮+ 詈九一吉九c 2 一- 。) 此时，离散方程变为： ( 巩一詈乃+ 2 + 詈e ) 砟= ( 巩+ 詈+ 吉e ) 九+ ( 。一言e ) 龙一昙乃九 可得到q u i c k 差分格式的离散方程： a p 丸= 以矽咖+ 口力狮+ 以e 斑+ 以髓矽髓( 2 1 1 ) 式中， a p = 口e + a w + a e e + a w