井下油水分离旋流器大锥角参数优化

大 庆 石 油 学 院 学 报 J()F 33卷 第2期 2009年4月 3 2下油水分离旋流器大锥角参数优化 王尊策 ，于玲玲 ，徐 艳 ，王家新 ，苑井武。 (1大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆 1 63318； 2辽河油田沈阳采油厂辽宁新民 13 长城钻探有限公司，辽宁盘锦 124摘要：利用油相体积分数为2 、油滴粒径为4O“主直径为28 小锥角为15。的不同大锥角的井下油水分离水力旋流器内部流场进行数值模拟，得到不同大锥角时切向速度、轴向 速度、油相体积分数分布以及压力降与分离效率的关系结果表明，当大锥角为26。时。外涡流区最大切向速度最靠近中 心点，内涡流区切向速度沿径向的速度梯度变化不大，可降低液滴的剪切破碎；旋流器轴心处油相体积分数最大，混合介 质中油相体积分数达到95O ，在壁面附近油相体积分数很小，此时水力旋流器的分离效果较好，可为井下油水分离旋 流器的结构优化设计提供指导 关键词：大锥角；水力旋流器；井下油水分离；值模拟 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：J()OO2一水分离用水力旋流器是利用油水两相液体间密度差，通过离心力作用而实现油水分离的设备随 着人们对旋流器分离机理的研究，大锥段的分离作用及其对整个流场形成的影响已引起重视当水力旋流 器应用于井下油水分离时，井下作业空间限制水力旋流器的径向结构而不利于分离，水力旋流器的处理量 也会降低，从而对大锥段的结构参数选取提出更高的要求大锥角作为水力旋流器的重要结构参数，其变 化对流场分布、动量矩及分离效率有很大影响在标准脱油型水力旋流器的结构 中，大锥角为20。，小锥 角为15。基于实验的研究结果 。一，大锥角应为25。28。拟利用对水力旋流器大锥段进行 数值模拟，选取小锥角为15。、不同大锥角时的水力旋流器，确定井下水力旋流器的最佳大锥角角度值 1模型及数值解法 11介质物性参数 水的密度 为9982l0 kgm。，水的动力黏度 为3s；油的密度 为8891O m ，油的动力黏度 。为3O。s 12 网格划分及数值解法 选用典型的双锥体液一液水力旋流器，只改变大锥角a，对旋流器的切向速度、轴向速度、压力降以及 油相体积分数进行数值模拟大锥角分别取为25。，26。，27。，28。旋流器主直径为28 锥角为15。 分析时选取与旋流器顶部距离86 将溢流嘴所形成的体从旋流器中去掉，简化水力旋流器结构，同时将入口简化为环形截面，为减少计 算网格数量，将对流场影响较小的尾管段忽略不计 采用贴体坐标划分网格，分区域生成非结构化网 格，使网格分布与计算域的几何形状一致，以捕捉边界特征基于有限体积法，将控制方程转换为可以用 数值方法求解的代数方程；方程的离散对对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式；压力 一速度耦合采用算法，压力插值为!格式旋流器模型的网格划分见图1 收稿日期：2稿人：赵立新；编辑：任志平 基金项目：黑龙江省教育厅科研项目基金(1】53作者简介：王尊策(1962一)，男，博士。教授。博士生导师，主要从事石油机械78 第2期 王尊策等：井下油水分离旋流器大锥角参数优化 13边界条件 (1)人口边界：油水两相流体均匀混合，垂直边界流人 人口速度 iq 口处湍动能12 。)。，人口处 湍动能耗散率i K (0其中，C 一0验常数， 为入口流量，A 为入口截面积，D 为入口当 量直径，与(2)溢流出口边界：溢流速度 一4q。(7c )，溢流口湍 动能K ，=(O12 。)。，溢流口湍动能耗散率s。：C K (0其中， 。溢流口直径，q ，溢流口流量 (3)底流出口边界：按照湍流流动充分发展处理 (4)固壁边界：按无滑移边界条件处理 图l 旋流器网格划分 2 控制方程 雷诺应力模型 适合于水力旋流器的流场分析，且雷诺应力输运方程中的对流项和产生项可以随 流线曲率的旋转而自动调节，具有更强的描述复杂湍流的能力为改善旋流器中强旋湍流的预报结果，采 用基于各向异性湍流的代数应力模型或雷诺应力模型 3 结果分析 选用入口流量为4 m。口处油相体 积分数为2 31 切向速度 不同大锥角时水力旋流器的切向速度分布曲线见图2 由图2可知，从边界开始，随半径的减少速度逐渐增大，到达 最大切向速度点后，切向速度逐渐减小，直至中心点处切向 速度值为以最大切向速度点为界，速度分布分为外 涡流区与内涡流区随着大锥角的增大，最大切向速度也逐 渐增大，大锥段的旋流强度越强，流场变得更加不稳定 ；油 l() 。 尽 2 () 一15 0 l 径阳距离2 不同大锥角时旋流器切向速度分布 等 羔慧 耋 率在内涡流区，当大锥角为26。时，最大切向速度最靠近中心点；在外涡流区，当大 ； 舅；l 锥角为26。时，切向速度沿径向的速度梯度变化不大，降低液滴的剪切破碎，并且在 n ， 外涡流区切向速度最小，从而有利于提高分离效率 ” 32轴向速度 二 “ 不同大锥角时旋流器轴向速度矢量分布见图3由图3可以看出，旋流器具有 ： 明显的零轴向速度包络面(I 双锥体液液水力旋流器是一个柱锥联合 面_【 ，并以该包络面界将流场分成内、外旋流区在内旋流区的轴向速度指向溢流 口，随着半径的减小，轴向速度增大，在中心线附近达到最大；在外旋流区，旋流器器 ” 附近流体的轴向速度达到最大，随着半径减小，轴向速度亦减小旋流器内部流 。 场的轴对称性较好，紊流现象不明显 巾 不同大锥角时水力旋流器的轴向速度分布曲线见图4由图4可以看出，随着 图3轴向诛唐 大锥角的增大，内涡流区轴向速度基本相同；在外涡流区轴向速度减小【“ ，并且对 矢量分布 应的I 体受到的反力增大，更容易向中心移动，轴向速度在轴心附近有所 大庆石油学院学报 第33卷2大，其它区域保持不变 33油相体积分数 不同大锥角时的油相体积分数分布曲线见图5由图5可以看出，当大锥角为26。时，截面处混合介质 中油相体积分数达到8O ，在壁面处几乎为O，说明轴心处油相体积分数较高，分离效果较好 量 厦 暴 径闻距离4 不同大锥角时旋流器轴向速度分布 34压力降 不同大锥角时水力旋流器的压力降与分离效率的 关系见表1由表1可见，随着大锥角的逐渐增大，压 力降也随之增加，在大锥角为26。时旋流器的分离效 率最高 实验验证结果表明，当水力旋流器主直径为28 锥角为15。，大锥角为26。时，井下油水旋流器 的分离效率最高，可达到95O 疑 求 器 爱 径向距离5 86 1不同大锥角时压力降和分离效率 4 结束语 通过对不同大锥角时井下油水分离水力旋流器的数值分析，得出切向速度、轴向速度和压力降的模拟 结果，分析最大切向速度、轴向速度、压力降以及油相体积分数等对井下油水旋流器的影响，得出大锥角为 26。时分离效率可以达到950 ，为井下油水分离旋流器的结构优化提供依据。 参考文献： 1蒋明虎，赵立新，李枫，等旋流分离技术M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，22赵立新，王尊策，李枫，等液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(一)一锥角变化对切向速度场的影响J化工装备技术， O(4)：71O 3 吕凤霞井下用水力旋流器结构优化及制造技术研究D大庆：大庆石油学院，2003 4王福军计算流体动力学分析M北京：清华大学出版社，2004 5蒋明虎，李枫，赵立新，等水力旋流器径向压力场研究J大庆石油学院学报，3(1)：66赵立新朱宝军不同湍流模型在旋流器数值模拟中的应用J石油机械，26(5)：566o 7赵立新，崔福义，蒋明虎，等基于雷诺应力模型的脱油旋流器流场特性研究J化学工程，27，35(5)：3235 8陆耀军，周力行，沈熊液一液旋流分离管中强旋湍流的 一数值模拟J计算力学报，2)：267272 9赵立新，王尊策，蒋明虎水力旋流器径向速度场