可調(diào)式超音速分離器旋流段的研究分析

崔少平，曹 禺，梁斌智

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

可調(diào)式超音速分離器旋流段的研究分析

崔少平1，曹 禺2，梁斌智1

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

超音速分離器一種高效、節(jié)能、低成本的新型天然氣脫水凈化裝置，該技術(shù)是基于天然氣在拉瓦爾噴管內(nèi)絕熱膨脹降溫，然后經(jīng)分離翼旋流，以分離天然氣中的氣相水和重?zé)N組分。分離翼是分離器的關(guān)鍵部位，其在旋流段的位置會(huì)對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響。本文提出一種新的可調(diào)式旋流管設(shè)計(jì)，并利用數(shù)值模擬軟件（FLUENT）模擬分離器內(nèi)部的流動(dòng)，對(duì)比3種不同位置分離器對(duì)超音速分離器內(nèi)壓力、溫度、速度的影響，以便優(yōu)化分離器設(shè)計(jì)，提高分離效率。

分離翼位置；數(shù)值模擬；流場(chǎng)特性

1 超音速分離器的原理

超音速氣液分離器（圖1）由拉瓦爾噴管、穩(wěn)流管、含分離翼的旋流管、分離管和擴(kuò)壓管等構(gòu)件組成。氣流經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴管絕熱膨脹到超音速，依據(jù)熱力學(xué)定律，氣體的壓力和溫度在該段內(nèi)急劇下降。低溫使天然氣中的水分和重?zé)N凝結(jié)，形成氣液混合物流，流經(jīng)帶有分離翼的旋流管，形成高速旋轉(zhuǎn)氣流。液滴甩向管壁，從分離管下端排出，干氣流進(jìn)擴(kuò)壓管，將高速低壓氣流變?yōu)榈退俑邏簹饬?，?shí)現(xiàn)氣液分離。

圖1 組合可調(diào)式超音速氣液分離器的結(jié)構(gòu)剖面圖Fg.1 Structure profile of assembled adjustable supersonic gas-liquid separator

2 旋流段的設(shè)計(jì)

為了研究不同位置分離翼對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)特性的影響，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式旋流管（圖2），沿軸線方向前后設(shè)計(jì)5個(gè)位置的螺紋孔。管的內(nèi)外分別安裝滑塊，用螺栓將內(nèi)外滑塊與分離翼相連。通過(guò)旋轉(zhuǎn)外部螺栓實(shí)現(xiàn)分離翼角度的調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)外置的前后2個(gè)小螺栓對(duì)應(yīng)一組螺紋孔來(lái)調(diào)節(jié)分離翼的位置。旋流管總長(zhǎng)260mm，本例分別使2個(gè)外置螺栓至于第一、三、五個(gè)螺紋孔。分離翼安裝距旋流管入口40mm、80mm、120mm，分別記為front（前置）模型、middle（中置）模型及l(fā)ast（后置）模型。利用數(shù)值模擬來(lái)對(duì)比3種不同位置分離器對(duì)超音速分離器內(nèi)壓力、溫度、速度的影響。

圖2 旋流管結(jié)構(gòu)3D模型半剖圖Fig.2 3D Half section graph of the structure of swirler

圖3 旋流管試驗(yàn)裝配圖Fig.3 Experimental assembly drawing of swirler

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

在gambit中建立分離器簡(jiǎn)化三維模型，網(wǎng)格采用分區(qū)劃分法，旋流段采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格，連接面設(shè)置interface累類(lèi)型。劃分網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 超音速分離器網(wǎng)格劃分圖Fig4. Mesh of Supersonic Separator

3.2 計(jì)算模型和邊界條件

模擬應(yīng)用FLUENT軟件，本例采用空氣為工作介質(zhì)，視為理想氣體。解算器選擇耦合隱式求解器，湍流模型選用RNG k-ε模型，進(jìn)出口邊界均采用壓力邊界條件，給出初始狀態(tài)的溫度和壓力，及相應(yīng)的湍流強(qiáng)度。本例入口壓力為1MPa，溫度為300K，湍流黏性比為 1，出口壓力為0.2MPa，壁面采用無(wú)滑移、無(wú)滲透、絕熱邊界。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

為直觀對(duì)比相應(yīng)參數(shù)，取模型軸線上完整的旋流段以及部分的噴管擴(kuò)張段與擴(kuò)壓段位置進(jìn)行研究。

圖5 不同分離翼位置的壓力對(duì)比圖Fig.5 Comparison of pressure along the separator axis with different swirler position

從圖5的壓力狀況對(duì)比分析可以看出，前置模型具有較好的流場(chǎng)特性，整體壓力變化比較平穩(wěn)，流場(chǎng)均勻性較好。后置模型出現(xiàn)了負(fù)壓，導(dǎo)致氣流在進(jìn)入旋流管段迅速回升，使旋流段內(nèi)壓力較高。過(guò)高的壓力使溫度不能降下來(lái)，不能保證有效的分離。中置模型氣流壓力較平穩(wěn)，但均勻性弱于前置模型。前置模型和中置模型在距分離器入口500mm和475mm處出現(xiàn)了壓力突躍的現(xiàn)象，后置模型在距分離器入口 340mm 處出現(xiàn)了非常明顯的壓力突躍現(xiàn)象，造成該現(xiàn)象的原因可能是出現(xiàn)了激波。

圖6 軸向速度對(duì)比圖Fig.6 Comparison of velocity along the separator axis with different swirler position

從圖6的軸向速度對(duì)比分析可知，前置模型軸向速度變化更為平緩，在旋流段可以保持較長(zhǎng)超音速流動(dòng)，其流場(chǎng)的均勻性較好，在距分離器入口500mm處速度突降。中置模型軸向速度變化不夠平穩(wěn)，速度波動(dòng)性較大，在距分離器入口475mm處出現(xiàn)了速度突降的現(xiàn)象，整體趨勢(shì)符合基本流動(dòng)規(guī)律。后置模型由于負(fù)壓的出現(xiàn)，其速度變化也相應(yīng)影響，在噴管出口處可以實(shí)現(xiàn)超音速流動(dòng)，但在旋流段內(nèi)，速度很快下降，基本保持在亞音速流動(dòng)的狀態(tài)。

從圖7的軸向溫度對(duì)比分析可知，在拉瓦爾噴管出口，3個(gè)模型能實(shí)現(xiàn)的低溫基本相近。但隨著軸向距離改變，三者的溫度趨勢(shì)發(fā)生了明顯的變化。后置模型溫度在旋流段入口處迅速上升，旋流段內(nèi)氣流溫度與出口溫度基本相同，并不能保證氣流中水分凝結(jié)的低溫環(huán)境。前置模型的溫度改變最為均勻，氣流有3/5的區(qū)間可以在低溫中流動(dòng)，在距分離器入口505mm處，溫度迅速上升。中置模型與前置模型低溫變化趨勢(shì)相接近，旋流段內(nèi)有1/2的區(qū)間可以保持在低溫中。

圖7 軸向溫度對(duì)比圖Fig.7 Comparison of temperature along the separator axis with different swirler position

綜合分析速度、溫度、壓力的變化，得出前置模型、中置模型、后置模型分別在距離分離器入口500mm、475mm、340mm處出現(xiàn)了速度下降、壓力溫度迅速升高的現(xiàn)象，這表明在3種模型的相應(yīng)位置處出現(xiàn)了激波，激波的出現(xiàn)位置與分離翼的安裝位置呈現(xiàn)相反的關(guān)系，這一結(jié)果表明分離翼除了有改變流動(dòng)狀態(tài)的功能外，還有控制激波出現(xiàn)位置的作用。

4 結(jié)論

本文對(duì)超音速分離器旋流段進(jìn)行了可調(diào)式設(shè)計(jì)，并用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)流體在不同旋流結(jié)構(gòu)下的流動(dòng)進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

1）分離翼安裝位置影響壓力、軸向速度、軸向溫度的變化，前置型分離器能夠保證流場(chǎng)壓力以較為平穩(wěn)的趨勢(shì)變化；分離翼距來(lái)流方向距離越近，則超音速流動(dòng)所能保持的區(qū)間越長(zhǎng)，分離越有效率；分離翼位置越靠近入口端，則能提供的低溫區(qū)域越長(zhǎng)，同時(shí)流動(dòng)的均勻性也越好。

2）分離翼安裝位置影響激波出現(xiàn)的位置，分離翼越靠近入口端，則激波出現(xiàn)的位置越遠(yuǎn)離入口，激波越遠(yuǎn)離入口，則對(duì)流動(dòng)造成的影響越小。分離翼安裝位置過(guò)于靠后，會(huì)使激波出現(xiàn)的位置越接近喉部，導(dǎo)致旋流段不能有足夠的低溫區(qū)，后續(xù)部件也會(huì)因激波出現(xiàn)而失效。

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Research and Analysis of Swirler of Adjustable Supersonic Separator

CUI Shao-ping1， CAO Yu2， LIANG Bin-Zhi1
（1.School of Mechanical Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065，China；2.School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065，China）

The Supersonic separator was a kind of high effciency， energy saving， low cost of new natural gas dehydration equipment. The technology based on the natural gas adiabatic expansion cooling in Laval nozzle and the separation wing made the fuid like cyclone. The purpose was to separate the gas phase water and heavy hydrocarbon component in natural gas. The separation wing was a key part of the separator， the position of the wing in the cyclone separator section also had a signifcant infuence on the internal fow feld. In this paper， a new design of adjustable swirler was presented. With the help of the software FLUET， the different fow parameters of internal fow feld were obtained， and compared the effect of three kinds of different position separator on the pressure，temperature and velocity of the supersonic separator in order to optimize the design of the separator and improve the separation effciency.

swirler position； numerical simulation； fow characteristic

TE 868

A

1671-9905（2016）05-0057-03

2016-03-08