不同流速下螺旋管内油水分离的数值模拟.docx

1、第32卷第1期辽宁石油化工大学学报Vol.32No.12012年3月JOURNALOFLIAONINGSHIHUAUNIVERSITYMar.2012文章编号：1672-6952（2012）01-0032-04不同流速下螺旋管内油水分离的数值模拟李朝阳马贵阳】，徐柳3,李强4（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺H3001；2.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610017；3.双流县华阳二中，四川成都610200；4.锦州石化公司计最处，辽宁锦州121001）摘要：油田升采的原油含有一定量的水，所以需要对金水原油进行油水分离使含水率达到要求才能投放市场。在目茴使

2、用的油水分离方法中，由于其他方法存在一定的缺陷，物理分离法得到了广泛应用。螺族曾分离器具有结构简单、重量轻等特点，成为目前最常见的一种高心分离器。采用计算洗体力学中的VOF模型，利用商业仿真软件对具有不同入口速度的螺荻管内油水分离进行了数值模拟，得出了油水分离规律：高轴线越远，速度越小，速度较小时速度分布比较均匀；水相分布最大区域出现在每国近入口的外倒；沿螺族管轴向方向油水呈周期性的分离，当速度变大时高含水区向入口端靠近，分离效果好。该规律可为螺旋管分离器的改进和提高分离效率提供理论支持。关键词：流速；螺旋管；油水分离；数值模拟中图分类号：TE89文献标识玛：Adoi：10.3696/j.is

3、sn.1672-6952.2012.01.009NumericalSimulationonOilWaterSeparationinSpiralPipeAfterDifferentFlowVelocityLIZhaoyang1,2,MAGuiyang1,XULiu3»LIQiang4(1.CollegeofPetroleumEngineering%LiaoningShihuaUniversity.FushunLiaoning113001»P.R.ChinajChinaPetroleumEngineeringCo.Ltd.SouthwestCompanyChengduSichu

4、an610017,P.R.China;2. TheSecondSchoolofShuangliuHuayang,ChengduSichuan610200,P.R.Chinaj3. JinzhouPetrochemicalCompanyGageControlPlaceJinzhouLiaoning121001P.R.China)Received7September2011»revised10October20111accepted28October2011Abstract:CrudeoilfromOilfieldminedcontainingcertainamountofwater,s

5、oitneedtobedoneoilwaterseparationthatitsmoisturecontentreachrequirementsandwillbeonthemarket.Duetoothermethodshavingsomeshortcomings,physicalseparationiswidelyused.Spiralpipeseparatorhasthecharacterofsimplerstructureandlighterweight,becomingoneofthemostcommoncentrifugalseparationmethods.Adaptingcomp

6、utationalfluiddynamicsofVOFmodelusingthesimulationsoftware,oilwaterseparationofdifferentinletvelocityinspiralpipewassimulated,andtheoilwaterseparationrulewasobtained.Thefartherfromtheaxis*thespeedissmallerandthelesservelocitytheevenerdistribution.Themostregionalofwaterandphasedistributionappearedine

7、achlapnearlyentryoutside.Oilwaterseparationisinacyclicalalongwiththeaxial.Itsuppliesspiralpipeseparationandimprovementprovideswithatheoretical.Keywords：Flowvelocity；Spiralpipe；Oil-waterseparationNumericalsimulationCorrespondingauthor.Tel.：+8613898315510：email田开采的原油含有一定量的水，必须经分离使含水率达到要求后

8、才能投放市场。目前使用的油水分离方法主要有物理、化学、电浮法等。化学及电浮分离法存在污染大、能耗高等缺点，所以物理分离收稿日期：2011-09-07作者简介：李朝阳（1984），男，安徽亳州市，在读硕士。基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目（20082186）。法得到了广泛应用。物理分离法一般采用基于密度差的重力分离法和基于离心力的离心分离法螺旋管分离器具有结构简单、重量轻、分离效果好等特点，成为目前最常用的一种离心分离器虽然对螺旋管的研究十分活跃5F,但利用数值模拟方法研究流速对螺旋管内油水分离流动的影响尚不多见。因此，基于前人的研究成果，采用计算流体力学中的VOF模型，利用仿真软件对具有不

9、同入口速度的螺旋管内汕水分离流动进行了数值模拟。1油水两相流的控制方程螺旋管内油水两相分离流动比较复杂，很难进行精确模拟。基于解决主要矛盾、满足实际生产需求的考虑，采用油水不相容的VOF模型。体积分数方程：率+%V%=m+§支(刀内一m妙)3'PgPqp-1式中，m闪为p相到q相的输送质量，kg；mq”为q相到P相的输送质量，kg;z/为流体的速度，m/s；、为第q相的质量流通面积。9每一单元中的流体密度为：pazpz+(1S)pi式中，p为密度,kg/n?口为体积分数。动量方程：g(pz/)+V(prup)ot=Vp+V(V.+VpT)+pg+加式中表示速度，m/s；E表示

10、重力加速度,m/s2；F表示体积力，N也为流体动力粘度，Pas。对于密度比接近于1的两相流，采用k-e模型。(屏)j3(q切a/+&dtdidXj_vGbfxYMa(Q&)+3(pe“,)=3/dtdxj|_v2G,j©+cq)-C2,p亍湍流粘度：的其中，£=f(§t)(fe)'g»=B，衍能G*=妃夺+兽)笋；dTjdXi/dr,Vm=2©M，式中，e为表面耗散率，n?/s3以为湍动能,m2/s2；为速度，m/s；仪为湍流粘度，Pa-s；z,、曰为空间坐标;G.为由于平均速度梯度引起的湍动能为的产生项;(九为浮力引起

11、的湍动能龙的产生项；Pr表示湍动普朗特数，取0.85；Y.m为可压缩湍流脉动对总的耗散率的影响；G,、C2,、C3,、C“表示经验常数，分别取1.44、L92、0.09、0.09；g,为重力加速度在第，方向的分量，m/s2；B为热膨胀系数，m/K；M,为湍动马赫数;a表示声速，m/s。2模拟区域螺旋管半径0.03m,螺问距0.30m,B转半径0.15m,回旋50圈。采用四面体与六面体相结合的网格划法对计算区域进行网格划分，如图1所示。原油的含水率为20%,沿z轴负方向进入，进口流速分别为4、6、8m/s；出口为自由出流，重力沿丁轴负方向。(a)螺城管模型(b)计算区域局部网格图1螺旋管内油水分

12、离模拟区域3模拟结果与分析3.1速度分布油品的进口速度分别为4、6、8m/s时，平行于螺旋管中轴线的三条直线(z=0.105.0.110.0.115m)上的速度分布如图2所示。由图2可知：在流速相同的情况下，离中轴线越远，最大速度及平均速度越小；速度较小时速度分布比较均匀，不同情况下同一位置的速度几乎相等；当速度增加到一定程度时，速度分布的规律性减小。这是因为：速度较小时，管内湍流强度比较小，为层流流动；随着速度的增加，逐渐变为湍流流动，截线上速度变化较大，速度的规律性降低。3.2水相分布图3(a)为从不同视角观察时管道内水相体积分布图。由图3(a)可知：油水混合物进入管道第10圈时，在离心力

13、的作用下，由于油水密度差，油水发生明显的分肉现象。根据不同视角判断的结果可知，水相分布最大区域出现在每圈近入口的外侧；离轴向越远，远离入口侧的水相分布越小。图3(b)及图3(c)给出了管内z=0和丁=0截面的含水率，从图3(b)及图3(c)可以明显地看出在每圈的近入口外侧存在高含水区。由图3(a)、4(a)、5(a)可以看出：由于离心力与速度度的方呈正比，随着管内速度的增加管内最大油水分离区有仙近入II端的的势。山图3(h)及图3(c)、图4(b)及图4(c)、图5(b)及图5(c)可以看出圈数相同时z=0和.y=0ft面的含水同，可知随着速度的增加分离变得明显。3.3平行于轴线的三条直线上的

14、水相体积分布油品的进口速度分别为1、6、8m/s时，平行于轴向的三条直线(w=0.105>0.110.0.115m)上的水相分布如图6所示。山图6(a)可以看出:在01、68及10m处存ft分离不明显IX：.II油水H周期性的分肉。由图6(1)可以看出:速度为6m/s时.在中间段存在高含水区，且比较密集。图6(c)为速度为8m/s时的z向水相分布与图6(a)Jb)进行对比可知高含水区向入口墙靠近，且分腐效果好。0246«101214轴向长度/m(a)4m/s02468101214输向长度/m(b)6m/s图2平行于轴线的直线上的速度分布g().r=0.105x=0.1!0.r=

15、0.in户0.110JF0.II502468101214釉向长度/m(c)8m/s俯视仰视偶视佣视3)管内含水率(b)x=。的截面含水率(c)=0的我面含水率图3进口速度为Im/、时的水相分布后，5。节45。后左45。后右45。俯视仰说侧说(a)f内含水率(b)x=O的枚面念水率图I进口速度为6m/s时的水相分布(c)y=o的裁面含水率后45。祎45。后左45。后右45。俯说仰说侧视例说4(m(a)t内含水率(b)x=0的费的含水率图5进口速度为8m/s时的水相分布(c).y=()的我面舍水率轴向长度/m(a)4m/sx=(».1O5x=O.HO»x=0.115棉余早W里&

16、#165;轴向长度/m(c)«m/i1.63.432J0.0.().0.0.().0.岑氽坚好?¥02468101214轴向长度/m(b)6m/$平行于轴线的直线上的水相体积分布4结束语(1) 离中轴线越远.速度越小；速度较小时速度分布比较均匀；当速度增加到一定程度时速度分布的燃律性减小。(2) 水相分布最大区域出现在每圈近入口的外侧；离轴向越远.远离人口侧的水相分布越小。(3) 沿轴向油水呈周期性的分离.速度增大时尚含水向入口端靠近分离效果好。本文利用数值模拟的方法模拟r不同流速下螺旋管内的油水分离,并对结果做r定性分析,本研究结果nJ为螺旋管分离效果的改进和提高提供理论支持。参考文献.1郭烈钟.李广军.陈学俊，等.卧或螺就管内油一气两相流沆型的妍完J.工程热物理学.1996,11(4):472-476.2高晖.郭烈锦.张西民.螺废管分虏器中液固两相流颗粒相分布研究J.工程热物理学报.2002,23(Sl)：205-208.3周永.吴应湘.郑之初，等.油水分离技术研究之一一直管和螺该管的数值模拟J.水动力学研完与进展，2004,19(4)：541546.4类道童.吴应湘.郑之初.等.变质量流量嫌诜管内两相流数值模叔J