螺旋管复合气液分离器结构优化设计成稿丫.doc

大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘 要螺旋管复合气液分离器是一种新型的复合式气液分离器，它具有结构紧凑、能耗低、重量轻、易于安装等优点。现阶段主要用实验方法对分离器的分离性能和操作性能进行研究。如果用理论分析计算和流场数值模拟研究分离器内流体流动的规律，以及结构尺寸变化对分离效率和压降的影响等，则可缩短研究周期、节省实验经费，获取完整的分离器内部流动状态的信息。 本文根据计算流体力学的原理和方法，以流场数值模拟为基础，利用大型流体计算软件FLUENT对螺旋管复合气液分离器螺旋分离部分内部流体的运动规律进行了模拟分析，得出了内部流场的分布特点。在此基础上，以提高分离效率为目的对螺旋管复合气液分离器的整体结构、运行参数、螺旋分离部分的结构尺寸进行了优化设计，得到了螺旋分离部分最优的结构尺寸和分离器最佳的运行参数。关键词：旋流分离器；气液分离；优化；数值模拟AbstractThe toroid composite knockout is known as a new composite knockout, which has the compact composition, light weight, low power used and can be easily fixed. At the moment, the mean method to research the performance of the separation and operation is the experimental means. The research cycle and experimental funds will be decreased as well as the acquirement of the integrity cyclone interior flow regime information, if the theoretical analysis calculation and the numerical simulation of the flow field can be used to research the movement law of the fluid in the knockout and the effect of the composition size to the separation efficiency and the pressure drop. Movement laws for fluid in toroid composite knockout were simulating analyzed by the FLUENT, according to the theory and method of CFD, basing on numerical simulation of flow field. And the internal movement laws was given. At the same time, by using the above method, the overall structure, the operational parameter of the toroid composite knockout and the composition size of the toroid have been optimized to enhanced the separation efficiency, which is also succeed in the practical use. Key words: Cyclone Separator; Gas/Liquid Separation; Optimization; Numerical Simulation 目 录第1章 概 述11.1 油气分离工艺发展简介11.2 计算流体力学(CFD)简介31.3 FLUENT-CFD软件简介5第2章 螺旋管复合气液分离器工作原理分析62.1螺旋管复合气液分离器结构模型62.2螺旋管复合气液分离器工作原理分析82.3边界条件12第3章 螺旋分离部分两相紊流数值模拟153.1 模型相关初始参数的设定153.2 螺旋分离部分建模153.3 应用GAMBIT对螺旋管进行前处理173.4 应用FLUENT对螺旋管内部流场进行数值计算223.5 内部流场的模拟结果分析26第4章 螺旋分离部分的优化设计314.1 优化设计的目的及意义314.2 螺旋分离部分运行参数的优化314.3 螺旋分离部分结构的优化39结论46参考文献47致谢48III大庆石油学院本科生毕业设计（论文）第1章 概 述气液分离作为油气集输的首要阶段在整个集输系统中占据重要地位，气液分离质量的好坏对后续的油气计量，原油、天然气净化等工艺流程的进行有着重要意义，对最终的油气产品质量也有着不可忽视的影响。应用计算流体力学方法和工具软件可有效的对各种分离器内部流场分布、分离原理进行模拟分析，从而得到最佳的分离效率。1.1 油气分离工艺发展简述1.1.1气液分离器的分类及特点气液分离过程通常是在气液分离器中进行，气液分离器是油气田用的最多、最重要的设备之一。有时候分离器也作为油气水以及泥沙等多相的分离、缓冲、计量之用。油气分离器按照分离器的功能可以分为油气两相分离器、油气水三相分离器、计量分离器、和生产分离器等；按其工作压力可以分为真空（低于0.1兆帕）、中压（1.5-6兆帕）和高压（高于6兆帕）分离器等；按其实现油气分离主要用的能量又可分为重力式（容积式）、离心式（旋流式）、和复合式等。1.1.2容积式气液分离器容积式属常规气液分离器，具有结构简单的特点，在油田上应用比较广泛。容积式气液分离器一般采用重力沉降罐的结构形式，采用气液重力沉降分离原理。按其外形可以分为卧式、立式、卧式双筒分离器、过滤式分离器。1.1.3气液旋流分离器传统的容积式气液分离器具有结构简单，容易设计等优点，但其体积庞大，占地面积大，处理时间较长，能耗大。特别是对于海上油田的油气生产运行来说，独特的生产环境使得容积式气液分离器的应用受到很大的限制。因而基于经济上和操作上的原因致使一种新型的气液分离装置应运而生。与容积式分离器相比，旋流式气液分离器具有结构简单紧凑、能耗低、重量轻、易于安装且操作方便等优点。同时从环境和安全考虑，它又可明显降低烃的残留量。因而气液旋流分离技术具有广阔的工程应用前景，近年来已日益成为国内外研究的热点技术。旋流分离是一种高效的多相流分离技术，它是在离心力的作用下根据两相或多相之间的密度差来实现两相或多相分离的。人们对旋流器的研究由来已久，自从1886年Marse的第一台旋粉圆锥形旋风分离器问世以来，旋流分离技术已广泛应用于石油、化工、食品、造纸等行业。随着旋流器应用的日益广泛，国内外众多学者对旋流器的结构、尺寸、流场特性进行了大量研究，并相继提出了各种分离理论，但多集中于气-固分离的旋风分离器和用于液-固、液-液分离的水力旋流分离器，。许多研究者已相继提出各种各样的分离理论，已经有了比较完善的分离理论，设计方法和应用实践。由于具有广阔的使用前景和显著的优点，人们对气-液旋流分离技术也开展了大量的试验和理论研究。但与气-固、液-固分离不同，气-液两相流动过程中颗粒（液滴或气泡）的碰撞、团聚、和扩散激励更加复杂，由于不确定的因素较多，计算复杂，同时受气-液两相流发展的限制，使气-液旋流分离的研究远滞后于旋风分离器和水力旋流器。近年来气-液旋流分离技术已日益成为国内外争相研究的热点技术。目前，国内外对于气-液旋流分离的研究主要可分为4类，即：气-液旋流分离技术应用的实验研究、旋流分离器内部气-液两相三维强旋湍流流场测定的实验研究、建立能准确反映气-液两相旋流分离机理模型的理论研究以及气-液两相旋流流场计算流体动力学模拟。气液旋流分离技术作为一种结构简单、新型、高效、紧凑的气液分离技术，具有阻力小，耗能少，分离效率高等优点，已成为工业新型气液分离技术的热点。正成为石油、天然气开采工业井口、井下油气分离的重要设备，并被广泛应用于压缩空气中的油水分离、航空宇宙中的氦气分离、生物发酵以及食品工业的尾气处理、工业废气的净化处理、化工生产以及环境工程中的气液分离等工艺中，显示了良好的工程应用前景。由于受气一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。对于旋流器内部气一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CFD研究还有待发展建立能反映其流动机理的数学模型，为工程设计提供可靠的分离效率和压力降的定量计算公式；在结构设计方面，设立规范的设计标准，是气-液旋流分离技术研究迫切需要解决的问题。1.2 计算流体力学(CFD)简介1.2.1 CFD概述CFD(Computation Fluid Dynamics)技术，即计算流体力学技术，是一种用于分析流体流动性质的计算技术，包括对各种类型的流体在各种速度范围内的复杂流动在计算机上进行数值模拟计算。计算流体力学是近代流体力学、数值数学和计算机科学相结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘学科。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。它通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的相关信息。随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展，几十年来CFD技术取得了蓬勃的发展。计算流体力学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生了巨大的影响。现在CFD技术已经广泛地应用于工业生产、设计和研究部门。计算流体力学是多领域交叉的学科，涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、数值分析等多学科。这些学科的交叉融合，相互促进和支持，推动着这些学科的深入发展。由于数值模拟相对于实验研究有其独特的优点，例如成本低、周期短、能获得完整的数据、能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态等。近些年来，作为研究流体流动的新方法，CFD技术已经得到越来越广泛地应用。数值模拟也存在一定的局限性。首先，要有准确的数学模型，这不是所有问题都能做到的。有些问题，其机理尚未完全清楚，很难有准确的数学模型，因此限制了数值模拟技术的应用。其次，数值模拟中对数学方程进行离散化处理时需要对计算中所遇到的稳定性、收敛性等进行分析。这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程则不是有效的。最后，数值模拟还受到计算机本身条件的限制，即计算机运行速度和容量的限制。1.2.2 CFD在气液旋流器研究中的应用目前，关于旋流分离器流场的数值模拟人们已经进行了很多研究，但对于气-液旋流分离技术的CFD研究发展要比旋风分离器、水力旋流器进展缓慢。 1982年，Boyson等首先用CFD技术手段采用将k-模型和代数应力方程相结合的具有湍动各相异性的代数应力模型 (ASM)对旋流器进行了二维的模拟。近年来，人们分别采用k-模型、RNGk-模 型和RSTM模型对旋风分离器进行了大量的CFD 模拟研究，通过与LDV流场测定对照评定了预测旋风器中强涡旋流动的3种湍流模型的表现。CFD预报数值与LDV实验数据对照显示，以涡旋粘度方法为基础的湍流模型在预测实验观察到的合成涡旋时是失败的，标准k-模型、RNG-k-模型预测的轴向速度和切向速度分布是不真实的，不适用于旋风流动。而雷诺应力输运模型的预测与所有3个涡旋量的测定轮廓趋势非常吻合，尽管正常湍动应力比预测的高，还有些差异需要进一步改进。对于气-液旋流分离器的CFD模拟研究起较晚，Erdal FM采用商业CFX软件，分别用标准模型和雷诺应力模型 (RSM)对GLCC内部重相气-液旋流流场进行 CFD研究，并与 LDV验测量结果进行了对照。模拟显示在旋流器内高的切向速度在进口处，且这一较高的切向速度随轴向和径向衰减。轴向速度显示两个区域：中心附近向上流动的区域和壁面附近向下流动的区域。模拟结果与LDV实验测量的速度分布趋势非常相似。而且与实验测量结果比较发现：标准k-模型模拟的切向速度结果比实际测量的高它描述了一个较高的旋转流动；而 RSM模型模拟的切向速度结果比测量的低。 GomezLE在颗粒轨迹模型的基础上对重相气-液两相旋流分离中颗粒运动轨迹分布进行数值模拟计算，并预测了GLCC中气泡夹带和操作性能的情况。 近年来，人们对旋流器进行了大量的CFD研究，由于有关理论还不完善，以这些理论为基础的CFD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。1.3 FLUENT-CFD软件简介FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，它在美国的市场占有率达到60%，在中国也是得到最广泛应用的CFD软件。1.3.1 FLUENT软件的基本组成FLUENT软件既然作为CFD软件，就要为流体动力学服务。FLUENT软件包包括以下几个软件：FLUENT求解器FLUENT软件的核心，所有计算在此完成；prePDFFLUENT用PDF模型计算燃烧过程的预处理软件；GAMBITFLUENT提供的网格生成软件；TGRIDFLUENT从表面网格生成空间网格的软件；过滤器或者叫翻译器，可以将其他CAD、CAE软件生成的网格文件转变成能被FLUENT识别的网格文件。1.3.2 FLUENT软件的求解原理对于一个具体的工程，首先可以通过FLUENT的前处理软件GAMBIT进行前处理。GAMBIT包含功能较强的几何建模能力和强大的网格划分能力，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT可以对实际问题进行抽象建模，生成符合要求的网格，初步建立边界条件。其通过构筑结构网格或非结构网格对指定流场的偏微分方程或积分方程进行离散，进行离散的方法有有限差分法、有限元法、有限体积法等，GAMBIT使用的就是有限体积法。除GAMBIT之外，ICEMCFD、GridGen软件也可以生成FLUENT计算网格，对于几何模型的建立也可以通过CAD、I-DEAS、Pro/E、Solid Works、Solid edge等软件进行。得到了GAMBIT等软件建立的网格文件之后就可以应用FLUENT求解器进行流体动力学计算。在FLUENT中通过对网格的处理、计算模型的选择、求解参数的设定等操作可以得到流场的分布。第2章 螺旋管复合气液分离器工作原理分析螺旋管复合气液分离器，属复合式气液分离器。结合了容积式气液分离技术和旋流分离技术，具有结构简单、分离效果好、适应流量和含气量范围大等优点。特别适合应用于海洋采油平台或海底下生产系统的操作空间和承载重量都受到严格限制的生产环境。2.1 螺旋管复合气液分离器结构模型螺旋管复合气液分离器的结构模型是以立式容积式气液分离器为母体，并结合了旋流分离原理的螺旋分离部分。整个分离器可以分为三个组成部分：集气部分、螺旋分离部分、集液部分。 图2-1a螺旋管复合气液分离器外观视图 图2-1b螺旋管复合气液分离器纵向剖切视图整个分离器外观呈圆柱筒形，设计总高H0=2400mm，桶内径D=600mm，有一个混合液流进口，一个气体出口，一个液体出口和一个底面的排污口。相关文献表明，立式分离器总高大约是总直径的3.5到5倍，所以此分离器径高比符合要求。整个分离器可以分为三个组成部分：集气部分、螺旋分离部分、集液部分。图2-2螺旋管复合气液分离器结构视图图2-3螺旋管复合气液分离器结构主视图集气部分（除雾器分离段），呈筒腔状空间，设计高度H1=400mm，内径600mm。此部分主要用于对气体携带少量油品的回收和对分离出的气体进行汇聚排空。主要包括的分离原件为除雾器。对于水平安装的丝网除雾器，我国推荐集气部分一般不小于400mm。 螺旋分离部分，分离器的旋流分离部分，同时也作为立式容积式分离器的沉降分离段，设计高度H2=700mm。实物设计中一般取H2=D，分离质量的好坏与H2的大小有一定关系。H2愈小，气体流向出口的速度愈不均匀，愈易带出油滴。H2过小还会使气体中携带的油滴来不及由起始沉降速度达到匀速沉降，也就是说此段高度较小会使气液分离质量变差，但实践证明过长的沉降段对改善分离质量无明显效果。相关文献推荐H2不小于600mm。所以我以700mm作为实物的沉降分离段尺寸。螺旋分离部分主要由螺旋管分离原件组成。螺旋管部分设计总高600mm，由6圈螺旋构成，螺距100mm，螺旋管内径30mm，旋转半径200mm。集液部分，由入口分离段、液体储存段、液封段组成。入口分离段，设计高度H3=600mm，根据相关文献，入口分离段一般不小于600mm。拟在螺旋管的末端安装入口分流器，将螺旋管末端作为重力沉降分离部分的出口端，入口分离段主要用于对经过旋流分离得到的气液组分进行进一步分离，经过此部分分离之后，液体靠重力进入储液部分，气体上升进入集气部分。气液开始进入重力沉降分离过程。液体储存段h，以原油在分离器内需要停留的时间确定。不同的生产要求，此部分的高度有所不同。液封段，设计高度H4=400mm。为防止气体窜入原油管路，实物高度一般不小于400mm。2.2 螺旋管复合气液分离器工作原理分析2.2.1分离原理概述大体上来说分离器的工作原理是：气液混合流体首先通过混合液流进口进入螺旋分离部分的螺旋管，随即产生离心加速度，在离心力和重力共同作用下密度大的液体向管道外下侧聚集，密度小的气体向管道内上侧聚集，在螺旋管道内上侧开孔，即可排出气体。此过程即旋流分离过程。当流体含气量很少或总体流量较小时，分离器主要依靠集气部分和集液部分进行重力分离。即此时采用容积式分离技术。气液混合流体经螺旋分离过程之后实现分离，分离出的液体在分离器下部聚集，沉降到一定程度后经下部的排液口排出，而分离出的气体则经重力沉降部分沉降携带的液滴后进入集气部分汇聚然后经上部气体出口排出。也就是说整个分离器的分离过程应用了重力沉降分离原理和离心力分离原理。2.2.2重力分离原理重力作用下气液分离包括液滴在气体中沉降到气液界面和气泡从液体中上浮到气液界面两个过程。气体中携带液滴在重力作用以某一加速度下沉，随着液滴速度的增大，液滴受到气流的阻力越来越大，当液滴受到的合力为零时，液滴将以匀速在气流中下沉，在立式分离器中，气流方向与油滴沉降方向相反，油滴能够沉降的必要条件是：液滴的沉降速度大于沉降段气体流速。液体中的气泡受到浮力与自身重力和原油阻力的合力作用上浮，在立式分离器中，气泡上浮方向与液位下降方向相反，气泡能够浮出液面的必要条件是：气泡的上浮速度大于液面平均下降速度。为了便于分析计算，作如下简化假设：液滴为球形，在沉降过程中既不破碎也不与其它液滴合并；气体在沉降部分的流动是稳定的，任一点的流速不随时间变化。液滴受力分析如图4-1所示，作用在液滴上的力有重力G、气体浮力L、气体阻力R。图2-4液滴受力图重力与浮力的合力可由下式计算 （2-1） 式中 d 球形液滴直径，m； 分离条件下液滴、气体的密度，Kg/m3； g重力加速度，m/s2。气体对液滴的阻力与液滴沉降速度平方、液滴在沉降方向上的投影面积、气体密度成正比，可用下式表示 （2-2）式中 阻力系数；液滴沉降速度，m/s。匀速运动时，合力为零，F与R相等，联立式（2-1）、（2-2）得匀速沉降速度 （2-3）阻力系数是雷诺数Re的函数，雷诺数是判断流体流动状态的准则，它表示流体流动的惯性力于粘性力的比值。在立式分离器中，气流方向与油滴沉降方向相反，油滴能够沉降的必要条件是：液滴的沉降速度大于沉降段气体流速， （2-4） 从原油中分离出气泡的过程与从气体中分离液滴过程原理相同，气泡受到的浮力与自身重力和原油阻力的合力作用上浮，由于原油粘度较大，气泡上浮速度较慢，雷诺数较小，流态一般处于层流区，可应用斯托克斯公式计算气泡上浮速度 （2-5）式中 气泡匀速上浮的速度，m/s； dg气泡直径，计算中常取（12）10-3m； 分离条件下原油动力粘度，Pas。在立式分离器中，气泡上浮方向与液位下降方向相反，气泡能够浮出液面的必要条件是：气泡的上浮速度大于液面平均下降速度，即 （2-6）式中 液面平均下降速度，m/s。2.2.3螺旋管内重力与离心力分离原理液滴在螺旋管垂直剖面径向受力分析如图4-2所示，作用在液滴上的力有重力G、离心力Fl、气体浮力L、合力为F，气体阻力R。分散于气相中的液滴受到合力作用向螺旋管外下侧运动，随着运动速度的增加气体阻力增大，加速度减小，当合力为零时液滴匀速运动。液中气泡在合力作用下向螺旋管内上侧运动。图2-5a 液滴受力 图2-5b液滴运动轨迹由力学分析可知合力F可由下式计算 （2-7）式中 q气液总流量,m3/s；D1螺旋管截面直径，m 。D2螺旋管圈直径，m 。气体对液滴的阻力R可用下式计算 （2-8）式中阻力系数；液滴在螺旋管垂直剖面上运动速度，m/s。螺旋管中实现液滴分离的条件是液滴加速运动到油气界面的时间应小于气液混合物在螺旋管中的运动时间。实现气泡分离的条件是气泡加速运动到油气界面的时间应小于气液混合物在螺旋管中的运动时间。参照重力分离原理，根据处理量范围和预期离心加速度值即可确定螺旋管的截面直径、螺旋管圈直径、圈数。2.3 边界条件2.3.1 入口边界根据轴对称假设，可将入口简化为流体从基圆四周均匀流入，流体的速度可由质量守恒条件给出若旋流入口流量为定值，则入口速度的边界条件为： (2-9) (2-10) (2-11) 入口处的K和一般由实验值确定，而目前尚没有这方面的数据。可采用以下公式计算： (2-12) (2-13)式中：D：入口圆筒直径；：入口当量直径；：入口倾角。=0.092.3.2 底流口边界底流口流动按充分发展处理，各流动参数的法向梯度为零，即：； ； ； (2-14)； (2-15)2.3.3 壁面条件和近壁处理旋流管壁面包括周向边壁和顶端壁面，按照无滑移条件处理，即： (2-16)前文所述的湍流模型只适用于离开壁面一定距离的湍流区域，又称高雷诺数模型。这里的雷诺数定义为： (2-17)式中：Rt：湍流雷诺数；：流体分子粘性系数。通常将湍流雷诺数Rt小于150的湍流称为低雷诺数湍流。而近壁区的流动属于低雷诺数湍流。因此，采用高雷诺数湍流模型时，对于壁面附近的区域，必须进行特殊的处理。处理近壁区的方法有两种：低雷诺数湍流模型和壁面函数法。低雷诺数湍流模型需要在近壁区设置精密网格，体现出分子粘性的影响，以便反映流动参数在该区域的强烈变化。由于很难在近壁区实施精确测量，以及精密网格大大增加了计算机的容量和计算时间，使得低雷诺数湍流模型的发展速度和应用范围受到影响。壁面函数法不去求解近壁区的时均流场或湍流场的偏微分方程，因此也就不需要在近壁区设置精密网格。壁面函数可以提供近壁区网格内平行于壁面的速度分量与壁面应力的关系以及紊能产生和耗散等信息。本文采用壁面函数法处理壁面附近的区域。壁面函数法的基本思想可归纳如下：1）假设在所计算问题壁面附近粘性支层以外的地区，无量纲速度的分布服从对数律分布。由流体力学可知，对数分布律为： (2-18)其中：=，称为切应力速度；冯卡门常数=0.40.42；B=5.05.5。在这一定义中只有时均值u而无湍流参数。为了反映湍流脉动的影响需要把、的定义作一扩展： (2-19) (2-20)在上述定义中，既引用了湍流参数K，同时又保留了壁面切应力。当边界层流动中脉动动能的产生和耗散相平衡时，它与常规定义一致。采用上述定义后，速度的对数分布律可表示为： (2-21)其中=B。2）在划分网格时，将第一个内节点P布置到对数分布律成立的范围内，即配置到旺盛湍流区域。3）第一个内结点与壁面之间区域的当量粘性系数按下式确定： (2-22)式中由对数分布律确定，为壁面上的速度。据此式，可导出第一个内节点上的的计算式。在第一个内节点上与壁面相平行的流速应满足对数分布律，即： (2-23)由以上两式联立解得为： (2-24)式中为分子粘性系数。4）对第一个内节点P上的和的确定方法作出选择。之值仍可以按K方程计算，其边界条件取为（ ）=0（y为垂直于壁面的坐标）。的值不是通过求解有限差分方程，而是根据代数方程来计算，已知值后，的可按下式计算：(2-25)式中：l的值由混合长度理论计算出，。2.3.4 循环边界条件在旋流管的对称面上设置循环边界，使得液体能够循环流动。可令各变量沿圆周方向的梯度为零，即： （2-26） 第3章 螺旋分离部分两相紊流数值模拟3.1 模型相关初始参数的设定计算中所取物性参数根据现场考察综合选定为：油的密度860kg/m3，动力黏度0.048kg/ms，天然气密度0.7 kg/m3，动力黏度为1e-06kg/ms，操作压强为101325Pa，重力加速度9.81m/s2。油气混合物入口流速为12m/s，天然气体积分数为80%，经过腔内的螺旋管，在重力与离心力共同作用下进行分离。3.2 螺旋分离部分建模螺旋分离部分主要分离原件为螺旋管，螺旋管高度为600mm，螺旋圈数为6，旋转半径为200mm，螺旋管半径为30mm，模型以真实尺寸的十分之一建模。对于螺旋管的建模可以应用多种方法进行，GAMBIT虽然提供了一定的建模理论方法，但对于螺旋管的建模则较为复杂，而AUTOCAD2008则直接提供了螺旋线的建模方法。可采用AUTOCAD建模后导入GAMBIT的方法。第一步：启动AUTOCAD2008第二步：直接创建螺旋线 操作：绘图螺旋图3-1螺旋线建模命令在此过程中，需要给定螺旋线的相关参数，如底面圆和顶面圆半径、螺旋圈数、螺旋高度。应用此方法建立的螺旋线模型如下图所示。图3-2建立的螺旋线模型第三步：UCS转换操作：工具新建UCSX轴输入90 AUTOCAD默认的绘图平面是X-Y面，要想在与螺旋线垂直的面内作图就要对X-Y坐标系进行转换。第四步：在螺旋线的底面端点画与螺旋线垂直的圆面，作为三维拉伸的基圆操作：绘图圆图3-3绘制底面基圆第五步：将圆形变成圆面操作：绘图面域选择用于拉伸的底面基圆，此操作可将圆形打成圆面，经过拉伸之后即可成为三维实体。第六步：应用AUTOCAD的三维拉伸命令，将基圆以螺旋线为路径拉伸操作：绘图建模拉伸 图3-4对螺旋管进行三维拉伸建模第七步：对螺旋管进行渲染增强视觉效果操作：视图视觉样式真实（概念），具体操作如下图所示通过进行此项操作，可实现三维实体的渲染，应用此命令后，螺旋管的三维效果即可显示出来，由此可对螺旋管的三维实体形态进行观察。图3-5 增强视觉效果后的螺旋管模型第八步：将生成的螺旋管模型输出为SAT格式操作：文件输出在对话框中选择ACIS（*.SAT） GAMBIT能够读入多种文件格式，其中CAD文件需要输出格式为SAT格式。3.3 应用GAMBIT对螺旋管进行前处理在应用了AUTOCAD对螺旋管进行建模并输出文件之后，就可以在GAMBIT中导入ACIS文件，进行划分网格，初步定义边界条件。3.3.1在GAMBIT中导入ACIS文件启动进入GAMBIT后，选择FILEIMPORTACIS命令即可选择文件，进而将AUTOCAD文件导入GAMBIT中。执行上诉命令后，弹出导入文件对话框，选择已输出的ACIS文件并同时将修复几何体命令（Heal geometry）和Make Tolerant命令选中。 图3-6导入到GAMBIT中的螺旋管模型3.3.2在GAMBIT中对模型入口段进行处理在GAMBIT中得到螺旋管模型之后，可以应用GAMBIT的建模功能对螺旋管增加长度为400mm的入口部分。操作OperationGeometryVolumeSweep faces 图3-7增加入口段后的螺旋管模型画出入口段后对两个几何体进行并集运算即可得到整个包括入口段的螺旋管模型。操作：OperationGeometryVolumeUnit Real Volumes3.3.3对螺旋管进行网格划分GAMBIT提供了多种网格划分方式，对体的网格划分，可以按照先划分面网格，在以面网格为网格种子划分体网格的方法进行。此种方法可以加密端面网格，对于入口和出口处参数变化梯度较大的情况下会很适用。但此种方法对几何体的几何结构要求较高，在实现了面网格划分后对体网格的划分要求比较高，可以应用的体网格划分方法比较有限。此外，此种网格划分方法对计算机的处理能力也有较高的要求，局部的加密网格会使成个体的网格密度加大，增加计算机的处理量。除了上述方法之外还可以应用GAMBIT直接对体网格进行网格划分，此种方法简单，整个体可以按照相同的原则进行网格划分，对计算机的处理能力要求较低，本文采用此种划分网格方法。GAMBIT提供的体网格划分方法有以下几种Map（规则网格）：创建规则的六面体网格元素的结构网格。Submap（子规则网格）：将一个无法用Map方法创建网格的体拆分成几个可用Map划分网格的区域，并在每个区域种创建六面体网格元素的结构网格（即用Map方法划分每个区域）。Tet Primitive：将一个逻辑四面体（four-side volume）划分成四个六面体区域，并用map方法在每个区域种划分网格。Cooper（库勃）：根据“源”面上定义的网格节点模式扫过整个体而创建网格。Tet/Hybrid：指定网格主要由四面体网格元素组成，但在适当的地方可能包括六面体、金字塔形和楔形网格元素。Stairstep：创建规则六面体网格和一个对应的由小面的体，体和原来体的形状大致相似。在尝试了几种体网格划分方案之后，结合螺旋管的几何结构特点，我选择了以Tgrid方法作为体网格划分方案，直接进行体网格划分。操作为：OperationMeshVolumeMesh Volumes 在划分体网格对话框中输入相关参数，如选择要划分的几何体，确定体网格划分方案，网格元素类型，网格大小等。执行命令后得到螺旋管的网格图如下图 图3-8螺旋管分离部分网格图3.3.4对螺旋管部分定义边界条件 在对螺旋管进行网格划分后，就可以对模型定义边界条件了。边界条件的给出对于后续的应用FLUENT求解器进行计算有重要意义，此处可初步给定边界条件的类型，而在应用FLUENT进行计算时可进一步准确定义边界条件。GAMBIT提供了多种边界类型供选择：速度入口（velocity-inlet）：给定入口处的边界上的速度。该边界条件适用于不可压缩流动问题，对可压问题则不适用，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总压有一定的波动。压力入口（pressure-inlet）：给出入口边界上的总压。压力入口边界条件通常用于流体在入口处的压力为已知的情形，对计算可压和不可压问题都适合。质量入口（mess-flow-inlet）：给出入口边界上的质量流量。质量入口边界条件主要用于可压缩流动，对于不可压缩流动，由于密度是常数，可以用速度入口条件。压力出口（pressure-outlet）：给定边界条件上的静压。对于有回流的出口，该边界条件比outflow边界条件更容易收敛。无穷远压力边界（pressure-far-field）：该边界条件用于可压缩流动，该边界条件适用于理想气体定律计算密度的问题。自由出流（outflow）：对于出流边界上的压力或速度均为未知的情形，可以选择自由出流边界条件。这类边界条件的特点是不需要给定出口条件（除非是计算分离质量流，辐射换热，或者包括颗粒稀疏相问题），出口条件都是通过FLUENT内部计算得到。进口通风（inlet vent）：进口通风边界条件需要给定入口损失系数流动方向和进口环境总压和总温。进口风扇（intake fan）：进口风扇边界条件需要给定压降，流动方向和环境总压和总温。出口通风（outlet vent）：出口边界条件用于模拟出口通风情况并给定一个损失系数以及环境（出口）压力和温度。排出风扇给定损失系数和环境静压和静温。排气扇（exhaust fan）：排风扇给定压降，环境静压。排气扇边界条件用于模拟外部排气扇，给定一个压升和环境压力。对称边界（symmetry）：对称边界条件适用于流动及传热场是对称的情形。周期性边界条件（periodic）：如果我们所关心的流动，其几何边界，流动和换热是周期性重复的，那么可以采用周期性边界条件。固壁边界（wall）：对于粘性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件。对于壁面有平移运动或者旋转运动时，可以指定壁面切向速度分量，也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。在对螺旋管的模拟问题中，已经给定了螺旋管的进口流速为12m/s，所以对螺旋管进口可设定速度入口边界条件，此种方法设定较简单，因出流边界上的压力或速度均为未知，所以出口可应用自由出流边界条件，并且此模型符合自由出流的限制条件。操作为：OperationZone边界条件设置对话框 对于边界条件的定义，FLUENT提供了更为全面的定义方法，在GAMBIT中对边界条件的定义主要是定义边界条件的种类。此例中定义螺旋管入口为速度入口边界条件，出口为自由出流边界条件，其余部分（螺旋管壁）默认为固壁边界。3.3.5保存并输出Mesh文件在应用GAMBIT对螺旋管进行结构模型处理、网格划分、定义边界类型等操作后需要将图形输出为MESH文件，以供FLUENT导入进行计算。操作为：FileSave As，指定路径即可实现保存操作。操作为：FileExportMesh，选择输出路径即可实现输出Mesh文件操作。3.4应用FLUENT对螺旋管内流场进行数值计算3.4.1读入MESH网格读入网格文件操作：FileReadCase打开GAMBIT输出的MESH文件。此过程返回的网格信息包括总体网格的数量，端面网格种类及数量，边界条件类型等。调整网格长度单位为cm操作：GridScale打开对话框，进行设置。在“Scale Grid”对话框里将长度单位选为cm；检查网格操作：GridCheckFLUENT会对网格进行各种检查并在信息反馈窗口（屏幕）显示检查过程和结果，其中要特别注意保持最小体积为正值。对网格进行光栅处理操作：GridSmooth/Swap通过此项处理后可以有效提高网格质量，提高计算精度。显示网格操作：DisplayGrid打开网格显示对话框后，点击Display，可得到各种区域网格图。3.4.2创建计算模型设置求解器操作：DefineModelsSolver打开“Solver”设置对话框；Solver项选择Segregated(非耦合求解法)；Formulation项选择Implicit(隐式算法)；Space项选择3D；Time项选择Steady；其余参数保持默认值不变，点击OK确认设置。设置多项流模型操作：DefineModelsMultiphase打开多项流模型对话框；选择Eulerian模型，欧拉模型适合于多种多相流动的数值模拟。在欧拉模型计算中，各种物相受到的背景压强是一样的，每种物相的动量方程和连续性方程都是单独求解，计算中可以针对每一种物相，或其混合物，采用K-epsilon Model进行湍流计算，得到的计算结果较准确。在Number of phase 项中选择2，对气液两相进行模拟，点击OK确认设置。设置能量方程操作：DefineModelsEnergy此模拟过程中不涉及传热问题，故能量方程处于未开启状态。设置湍流模型操作：DefineModelsViscous打开“Viscous Model” 设置对话框；选择k-epsilon2equ湍流模型；Model项选择K-epsilon模型；K-epsilon Model项选择RNG；RNG K-e模型适用于强旋转流动的湍流模拟；RNG Operations下的选项全部选中；Near-Wall Treatment项选择标准壁面函数；K-epsilon Multiphase Model项选择Per Phase ；其余模型常数保持默认，点击OK确认设置。第3步：相间设置设置流体的材料属性操作：DefineMaterials打开“Materials” 设置对话框；创建液相流体，取名oil，对新流体原油的材料属性进行设置；创建气相流体，取名gas，对新流体天然气材料属性进行设置；点击Close，关闭“Materials” 设置对话框。设置连续相和分散相流体操作：DefinePhase打开“Phase”设置对话框；设置第一相（连续相）为天然气，第二相（分散相）为原油；点击Close，关闭“Phase” 设置对话框。第4步：设置运行环境操作：DefineOperating Conditions打开“Operating Conditions”设置对话框；设置重力加速度方向为沿Z轴负向，大小为9.81；保持运行压力为1标准大气压；选中Specified Operating Density项；点击OK确认设置。第5步：设置边界条件操作：DefineBoundary Condition打开“Boundary Condition” 设置