基于CFD葉片式水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

代佳鑫 王妍瑋 高娜

摘要：在特定的油水性質(zhì)下，水力旋流器分離效率的影響因素有操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。操作參數(shù)的優(yōu)化可以達(dá)到高分離效率，但受結(jié)構(gòu)限制，故結(jié)構(gòu)改進(jìn)對油水分離效率具有一定空間。本文采用 CFD 軟件對葉片式旋流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，模擬得到在該結(jié)構(gòu)條件下最佳的旋流腔長度、錐角度、溢流口伸入長度、溢流口直徑。

關(guān)鍵詞：CFD;水力旋流器;模擬;結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.前言

目前我國陸上油田普遍采用注水開發(fā)，大油田基本已進(jìn)入高含水期，后期處理成本不斷提高，而石油石化工業(yè)含油廢水是一種典型的有機(jī)廢水對環(huán)境危害嚴(yán)重，故其處理效果直接影響環(huán)境。水力旋流器是一種新型的油水分離裝置，無化學(xué)反應(yīng)、無運(yùn)動部件、結(jié)構(gòu)緊湊。越來越多的學(xué)者開始研究旋流器，其中葉片式旋流器是一種新型的離心分離裝置，分離器結(jié)構(gòu)，介質(zhì)從左側(cè)方向軸向入口進(jìn)入，途經(jīng)導(dǎo)流葉片產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)流，介質(zhì)在腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，重質(zhì)相聚集在內(nèi)壁由底流口排出，輕質(zhì)相聚集在軸心處由溢流口排出，可實(shí)現(xiàn)不互溶多相介質(zhì)的分離處理。本文通過CFD數(shù)值模擬，對葉片式水力旋流器進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.模型分析及結(jié)果分析

模擬初始模型結(jié)構(gòu)尺寸：穩(wěn)流段長度50mm，旋流器入口直徑為50mm，導(dǎo)流段長度100mm，錐段半錐角為θ=3°，旋流段長度50mm，尾管段長度20mm，溢流管直徑10mm，尾管段直徑20mm，溢流段長度為20mm。導(dǎo)流葉片高度h=100mm，葉片數(shù)量n=4，準(zhǔn)線包角φ=90°，外準(zhǔn)線半徑為25mm，葉片的內(nèi)準(zhǔn)線半為5mm，直線段包角α=30°。

根據(jù)對初始模型的模擬分析，其分析結(jié)果如下，因為液-液水力旋流器是利用不互溶介質(zhì)間的密度差而進(jìn)行離心分離，離心力與速度的二次方成正比，不考慮剪切應(yīng)力的條件下在一定范圍內(nèi)速度越大越利于油水的分離?？梢钥闯鏊俣瘸蕦ΨQ分布，說明流場穩(wěn)定，呈對稱分布的軸向速度，溢流出口中心處速度達(dá)到最大值;徑向速度分布呈現(xiàn)對稱性;切向速度分布呈對稱性，在溢流管處，切向速度從軸線位置開始逐漸增大到最大值然后降低。

混合相通過軸向入口進(jìn)入旋流器內(nèi)部后，經(jīng)過導(dǎo)流葉片的造旋作用，油滴受離心作用向流場中心處聚集，從而由底部溢流口排出;溢流口壓力降呈現(xiàn)對稱分布的趨勢，兩邊低中間最高。但是整體看，針對初始模型的模擬分析，初始模型對油水混合相有一定的分離效果，為提高分離效果，對其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬以確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高該結(jié)構(gòu)類型的分離效率。

3.結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能的影響

3.1旋流腔長度的影響

旋流腔長度lx即導(dǎo)流葉片結(jié)束處到錐段開始之間的部分，為分析旋流腔長度對分離效率的影響，對旋流腔長度進(jìn)行了模擬，改變旋流腔長度數(shù)據(jù)為20、50、100和150、200、單位mm進(jìn)行模擬。

前兩組旋流腔長度數(shù)據(jù)并沒有明顯的區(qū)別，隨著旋流腔長度的增加軸向截面最高油相體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，說明加大旋流腔的長度不利于分離。

隨著旋流腔長度的增大，溢流口處油相體積分?jǐn)?shù)先增加后減小，并在旋流腔長度50mm時溢流口處油相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，隨著旋流腔長度的增大，溢流口壓力降逐漸減小，水力旋流器內(nèi)部形成由準(zhǔn)自由渦和準(zhǔn)強(qiáng)制渦構(gòu)成的組合渦結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)旋流分離，壓力損耗是必須的，即水力旋流器是利用壓力的消耗來獲得分離所需能量。但這容易產(chǎn)生一個理解上的誤區(qū)，認(rèn)為水力旋流器的壓力降越大，分離效果越好。而事實(shí)上，水力旋流器消耗的全部壓力降并非都是必要損失。從分離效率角度看，因為各尺寸旋流器壓力降相差不大，當(dāng)不考慮壓力降的影響時，由溢流口油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線可以看出，當(dāng)旋流腔長度為50mm時，其溢流口液相體積分?jǐn)?shù)最高，綜合考慮溢流口油相體積分?jǐn)?shù)分布曲線情況，取旋流腔長度為50mm為最佳的旋流腔長度。

3.2半錐角的影響

半錐角不同，水力旋流器的結(jié)構(gòu)則不同，而對于每一種水力旋流器都有一個最佳的處理量，在該流量下水力旋流器的分離效率達(dá)到最高。相反，分別改變錐段角度為2°、2.5°、3°、3.5°和4°進(jìn)行模擬。

半錐角影響最佳范圍處理量，改變半錐角進(jìn)行模擬，確定在一定范圍內(nèi)的處理量條件下的最佳半錐角。隨著錐段角度的增加，軸向截面最高油相體積分?jǐn)?shù)變化很小。

隨著錐段角度的增加，最大油相體積分?jǐn)?shù)幾乎保持不變;隨著錐段角度的增加，溢流口壓力降先增大后降低，在錐段角度為3°和3.5°時，壓力降數(shù)值上相近，有小幅度的降低。θ=2.5°的徑向壓力降最大，小錐角θ=3°和θ=3.5°時，徑向壓力降相差不大，但都小于θ=1.5°時的徑向壓力降。隨著小錐角θ的增加，徑向壓力降在軸心附近逐漸增大，在邊壁附近逐漸降低。徑向壓力降的增加可以加大油滴的徑向受力，這就增加了小粒徑的油滴向內(nèi)旋流區(qū)運(yùn)移的幾率，從而提高分離效率。

綜合考慮幾種情況的溢流口油相濃度分布和分離效率情況，取錐段角度為3°為最佳的錐段角度。

3.3溢流結(jié)構(gòu)伸入長度的影響

對溢流結(jié)構(gòu)伸入長度進(jìn)行模擬分析，研究其對分離效果的影響，以確定較好的結(jié)構(gòu)尺寸。分別改變溢流口伸入長度為0mm、20mm、40mm、60mm和80mm，其他參數(shù)不變，進(jìn)行模擬。

隨著溢流口伸入長度的增加，軸向截面最高油相體積分?jǐn)?shù)變化不大。隨著溢流口伸入長度的增加，最大油相體積分?jǐn)?shù)幾乎保持不變;隨著溢流口伸入長度的增加，溢流口壓力降逐漸增大。從分離效率角度看，器壁附近壓力降低，軸心附近形成低壓區(qū)，溢流口伸入長度為0mm時比其他伸入長度的徑向壓力梯度要大。徑向壓力作為旋流器的重要物理參數(shù)，在一定范圍內(nèi)，徑向壓力梯度越大越利于油水分離。當(dāng)溢流口伸入長度為0mm時，其徑向的壓力梯度最大，最有利于油水，故選取最佳的溢流口伸入長度為0mm。

3.4溢流口直徑的影響

溢流口結(jié)構(gòu)形式是旋流分離器的重要部分，分離過程中循環(huán)流和短路流都與溢流口結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系，故分析溢流口的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)選。分別改變溢流口直徑為8mm、10mm、12mm和14mm、16mm，對溢流口直徑進(jìn)行模擬，研究其對分離性能的影響。隨著溢流口直徑的增加，軸向截面最高油相體積分?jǐn)?shù)有小幅度的降低，說明增加了溢流口直徑，不利于油核的形成，不利于油相體積分?jǐn)?shù)的提高。

在一定范圍內(nèi)，隨著溢流口直徑的增加，軸向截面最高油相體積分?jǐn)?shù)有小幅度的降低，說明加大了溢流口直徑之后，不利于油核的形成，不利于油相體積分?jǐn)?shù)的提高。從溢流口壓力降曲線綜合考慮分離性能，溢流口直徑為10mm為較佳的溢流口直徑。

4.結(jié)論

研究基于計算流體力學(xué)軟件CFD模擬葉片式水力旋流器的結(jié)構(gòu)，通過軸向進(jìn)液，同向出流的單級旋流器結(jié)構(gòu)研究，實(shí)現(xiàn)同井注采工藝。對旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選，確定旋流器旋流腔長度lx=50mm、半錐角θ=3°、溢流口直徑dy=10mm、溢流段伸入長度ly=0mm、葉片包角φ=150°。在實(shí)踐應(yīng)用中可以利用已有的數(shù)據(jù)通過流體機(jī)械相似理論進(jìn)行油田樣機(jī)設(shè)計，為其提供理論數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙立新，代佳鑫，等.葉片式水力旋流器操作參數(shù)優(yōu)選[J].流體機(jī)械，2013，41（10）：7-9.

[2]代佳鑫.井下導(dǎo)流式旋流器研究[D].東北石油大學(xué)，2014.

項目基金：國家科技部創(chuàng)新方法專項子課題（名稱：創(chuàng)新人才培養(yǎng)-黑龍江技術(shù)創(chuàng)新方法的推廣與應(yīng)用，編號：2017IM010500-1）;哈爾濱石油學(xué)院科學(xué)研究基金項目資助課題“基于計算流體力學(xué)的城鎮(zhèn)污水處理研究”（HIPJJ201923）