【正文】 解器—FLUENT軟件的核心，所有計(jì)算在此完成；prePDF—FLUENT用PDF模型計(jì)算燃燒過(guò)程的預(yù)處理軟件；GAMBIT—FLUENT提供的網(wǎng)格生成軟件；TGRID—FLUENT從表面網(wǎng)格生成空間網(wǎng)格的軟件；過(guò)濾器—或者叫翻譯器，可以將其他CAD、CAE軟件生成的網(wǎng)格文件轉(zhuǎn)變成能被FLUENT識(shí)別的網(wǎng)格文件。其通過(guò)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)指定流場(chǎng)的偏微分方程或積分方程進(jìn)行離散，進(jìn)行離散的方法有有限差分法、有限元法、有限體積法等，GAMBIT使用的就是有限體積法。第2章 螺旋管復(fù)合氣液分離器工作原理分析螺旋管復(fù)合氣液分離器，屬?gòu)?fù)合式氣液分離器。整個(gè)分離器可以分為三個(gè)組成部分：集氣部分、螺旋分離部分、集液部分。圖22螺旋管復(fù)合氣液分離器結(jié)構(gòu)視圖圖23螺旋管復(fù)合氣液分離器結(jié)構(gòu)主視圖集氣部分（除霧器分離段），呈筒腔狀空間，設(shè)計(jì)高度H1=400mm，內(nèi)徑600mm。 螺旋分離部分，分離器的旋流分離部分，同時(shí)也作為立式容積式分離器的沉降分離段，設(shè)計(jì)高度H2=700mm。相關(guān)文獻(xiàn)推薦H2不小于600mm。集液部分，由入口分離段、液體儲(chǔ)存段、液封段組成。液體儲(chǔ)存段h，以原油在分離器內(nèi)需要停留的時(shí)間確定。 螺旋管復(fù)合氣液分離器工作原理分析大體上來(lái)說(shuō)分離器的工作原理是：氣液混合流體首先通過(guò)混合液流進(jìn)口進(jìn)入螺旋分離部分的螺旋管，隨即產(chǎn)生離心加速度，在離心力和重力共同作用下密度大的液體向管道外下側(cè)聚集，密度小的氣體向管道內(nèi)上側(cè)聚集，在螺旋管道內(nèi)上側(cè)開(kāi)孔，即可排出氣體。氣液混合流體經(jīng)螺旋分離過(guò)程之后實(shí)現(xiàn)分離，分離出的液體在分離器下部聚集，沉降到一定程度后經(jīng)下部的排液口排出，而分離出的氣體則經(jīng)重力沉降部分沉降攜帶的液滴后進(jìn)入集氣部分匯聚然后經(jīng)上部氣體出口排出。液體中的氣泡受到浮力與自身重力和原油阻力的合力作用上浮，在立式分離器中，氣泡上浮方向與液位下降方向相反，氣泡能夠浮出液面的必要條件是：氣泡的上浮速度大于液面平均下降速度。氣體對(duì)液滴的阻力與液滴沉降速度平方、液滴在沉降方向上的投影面積、氣體密度成正比，可用下式表示 （22）式中 －阻力系數(shù)；－液滴沉降速度，m/s。液滴在螺旋管垂直剖面徑向受力分析如圖42所示，作用在液滴上的力有重力G、離心力Fl、氣體浮力L、合力為F，氣體阻力R。D2－螺旋管圈直徑，m 。參照重力分離原理，根據(jù)處理量范圍和預(yù)期離心加速度值即可確定螺旋管的截面直徑、螺旋管圈直徑、圈數(shù)。這里的雷諾數(shù)定義為： (217)式中：Rt：湍流雷諾數(shù)；：流體分子粘性系數(shù)。處理近壁區(qū)的方法有兩種：低雷諾數(shù)湍流模型和壁面函數(shù)法。壁面函數(shù)可以提供近壁區(qū)網(wǎng)格內(nèi)平行于壁面的速度分量與壁面應(yīng)力的關(guān)系以及紊能產(chǎn)生和耗散等信息。在這一定義中只有時(shí)均值u而無(wú)湍流參數(shù)。2）在劃分網(wǎng)格時(shí)，將第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)P布置到對(duì)數(shù)分布律成立的范圍內(nèi)，即配置到旺盛湍流區(qū)域。4）對(duì)第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)P上的和的確定方法作出選擇?？闪罡髯兞垦貓A周方向的梯度為零，即： （226） 第3章 螺旋分離部分兩相紊流數(shù)值模擬 模型相關(guān)初始參數(shù)的設(shè)定計(jì)算中所取物性參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察綜合選定為：油的密度860kg/m3， 螺旋分離部分建模螺旋分離部分主要分離原件為螺旋管，螺旋管高度為600mm，螺旋圈數(shù)為6，旋轉(zhuǎn)半徑為200mm，螺旋管半徑為30mm，模型以真實(shí)尺寸的十分之一建模。應(yīng)用此方法建立的螺旋線模型如下圖所示。圖35 增強(qiáng)視覺(jué)效果后的螺旋管模型第八步：將生成的螺旋管模型輸出為SAT格式操作：文件→輸出→在對(duì)話框中選擇ACIS（*.SAT） GAMBIT能夠讀入多種文件格式，其中CAD文件需要輸出格式為SAT格式。 圖36導(dǎo)入到GAMBIT中的螺旋管模型在GAMBIT中得到螺旋管模型之后，可以應(yīng)用GAMBIT的建模功能對(duì)螺旋管增加長(zhǎng)度為400mm的入口部分。但此種方法對(duì)幾何體的幾何結(jié)構(gòu)要求較高，在實(shí)現(xiàn)了面網(wǎng)格劃分后對(duì)體網(wǎng)格的劃分要求比較高，可以應(yīng)用的體網(wǎng)格劃分方法比較有限。Submap（子規(guī)則網(wǎng)格）：將一個(gè)無(wú)法用Map方法創(chuàng)建網(wǎng)格的體拆分成幾個(gè)可用Map劃分網(wǎng)格的區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域種創(chuàng)建六面體網(wǎng)格元素的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（即用Map方法劃分每個(gè)區(qū)域）。Stairstep：創(chuàng)建規(guī)則六面體網(wǎng)格和一個(gè)對(duì)應(yīng)的由小面的體，體和原來(lái)體的形狀大致相似。邊界條件的給出對(duì)于后續(xù)的應(yīng)用FLUENT求解器進(jìn)行計(jì)算有重要意義，此處可初步給定邊界條件的類型，而在應(yīng)用FLUENT進(jìn)行計(jì)算時(shí)可進(jìn)一步準(zhǔn)確定義邊界條件。壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對(duì)計(jì)算可壓和不可壓?jiǎn)栴}都適合。對(duì)于有回流的出口，該邊界條件比outflow邊界條件更容易收斂。進(jìn)口通風(fēng)（inlet vent）：進(jìn)口通風(fēng)邊界條件需要給定入口損失系數(shù)流動(dòng)方向和進(jìn)口環(huán)境總壓和總溫。排氣扇（exhaust fan）：排風(fēng)扇給定壓降，環(huán)境靜壓。固壁邊界（wall）：對(duì)于粘性流動(dòng)問(wèn)題，F(xiàn)LUENT默認(rèn)設(shè)置是壁面無(wú)滑移條件。此例中定義螺旋管入口為速度入口邊界條件，出口為自由出流邊界條件，其余部分（螺旋管壁）默認(rèn)為固壁邊界。讀入網(wǎng)格文件操作：File→Read→Case…打開(kāi)GAMBIT輸出的MESH文件。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行光柵處理操作：Grid→Smooth/Swap…通過(guò)此項(xiàng)處理后可以有效提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算精度。在歐拉模型計(jì)算中，各種物相受到的背景壓強(qiáng)是一樣的，每種物相的動(dòng)量方程和連續(xù)性方程都是單獨(dú)求解，計(jì)算中可以針對(duì)每一種物相，或其混合物，采用Kepsilon Model進(jìn)行湍流計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。第3步：相間設(shè)置設(shè)置流體的材料屬性操作：Define→Materials…打開(kāi)“Materials” 設(shè)置對(duì)話框；創(chuàng)建液相流體，取名oil，對(duì)新流體原油的材料屬性進(jìn)行設(shè)置；創(chuàng)建氣相流體，取名gas，對(duì)新流體天然氣材料屬性進(jìn)行設(shè)置；點(diǎn)擊Close，關(guān)閉“Materials” 設(shè)置對(duì)話框。設(shè)置出流口邊界條件因出流口采用的是自由出流邊界條件，所以不用進(jìn)行任何設(shè)置。將上述三個(gè)方程改為二階精度可有效提高計(jì)算精度，對(duì)于梯度較大區(qū)域的計(jì)算更加準(zhǔn)確。第5步：求解計(jì)算操作：Solve→Iterate…打開(kāi)迭代計(jì)算設(shè)置對(duì)話框如圖所示。在應(yīng)用FLUENT對(duì)螺旋管內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算后，可通過(guò)FLUENT提供的多種方式顯示計(jì)算結(jié)果。螺旋管外壁液體的體積分?jǐn)?shù)隨螺旋的圈數(shù)增加，體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，到第四圈螺旋，液體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到99%以上，而且也呈均勻穩(wěn)定分布。實(shí)現(xiàn)氣液兩相的分離。通過(guò)對(duì)速度矢量圖的觀察，驗(yàn)證了螺旋管內(nèi)部的強(qiáng)旋流動(dòng)，在這樣的流動(dòng)方式下氣液兩相可實(shí)現(xiàn)在離心力作用下的分離。其中螺旋管內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到100%，外壁液體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到99%以上，螺旋管內(nèi)部氣液層狀分布，且分布情況穩(wěn)定，均勻?；谝陨显?，應(yīng)該對(duì)螺旋管復(fù)合氣液分離器的螺旋分離部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 此優(yōu)化過(guò)程包括對(duì)分離器最優(yōu)進(jìn)口流速的討論和分離器最佳分離氣液比的討論。一方面最優(yōu)的流速要保證氣液盡可能完全的分離開(kāi)，即內(nèi)壁氣體的體積分?jǐn)?shù)盡可能的大，外壁氣體的體積分?jǐn)?shù)盡可能的小。壓降損失可以通過(guò)對(duì)進(jìn)出口截面平均壓力的差值來(lái)評(píng)定。這樣一方面通過(guò)比較單組內(nèi)的5個(gè)模擬結(jié)果，能夠得到，特定含氣率情況下的最優(yōu)進(jìn)口流速。（30%）模擬入口流速出口平均流速壓力變化壓降（帕）氣體體積分?jǐn)?shù)2m/s（氣）（液）（入）（出）10729 %（外）%（內(nèi)）4m/s（氣）（液）（入）（出） 3%（外） 95%（內(nèi)）8m/s（氣）（液）（入）（出） 0%（外） 99%（內(nèi)）12m/s（氣）（液）（入）（出）160587 0%（外） 100%（內(nèi)）16m/s（氣）（液）（入）（出） 0%（外） 100%（內(nèi)）表411入口含氣率30%時(shí)模擬計(jì)算結(jié)果 圖411a 2m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖 圖411b 4m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖 圖411c 8m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖 圖411d 12m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖圖411e 16m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖通過(guò)對(duì)以上3項(xiàng)操作環(huán)境，15種運(yùn)行工況的數(shù)值模擬。在中等含氣率情況下，進(jìn)口流速需要選擇大一些，以促進(jìn)內(nèi)壁的氣體匯聚。同時(shí)在相同流速的情況下，隨含氣率的減小，分離消耗的壓降也逐漸增大。從而得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。綜合考慮旋轉(zhuǎn)半徑在150—200mm時(shí)氣液的分離效果最好，而且壓降損失也無(wú)明顯增大。對(duì)于螺旋管的管徑選擇，要結(jié)合分離器的處理流量進(jìn)行選取。在實(shí)際產(chǎn)出液中油氣混合并不充分，在開(kāi)始進(jìn)入螺旋管時(shí)存在段塞流，所以在設(shè)計(jì)時(shí)將前兩圈設(shè)計(jì)為無(wú)孔螺旋管，以便保持流體進(jìn)入螺旋管后的流速和足夠的加速度，消除段塞流的影響提高分離效率。在螺旋管旋轉(zhuǎn)半徑為200mm、螺旋管管徑30mm、螺旋管高度600mm，進(jìn)口氣體體積分?jǐn)?shù)為80%，進(jìn)口氣液流速為8m/s時(shí)按照上述開(kāi)孔方式進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。 圖417a 內(nèi)開(kāi)孔處氣體體積分?jǐn)?shù)XY分布曲線圖圖417b 液體出口處液體體積分?jǐn)?shù)XY分布曲線圖 通過(guò)對(duì)螺旋管不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)照模擬計(jì)算，得到了螺旋管最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。并得出以下結(jié)論：1. 實(shí)現(xiàn)了通過(guò)AUTOCAD軟件對(duì)復(fù)雜幾何體進(jìn)行建模然后導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程，完成了對(duì)三維螺旋管的建模及網(wǎng)格劃分過(guò)程。得出了分離器在高含氣率和低含氣率環(huán)境下的最適宜的進(jìn)口流速為8m/s左右，在中等含氣率情況下的最適宜進(jìn)口流速為1216m/s, 同時(shí)當(dāng)流速一定情況下分離器處理的混合液的含氣率越低，分離的效率越高，所以分離器適宜處理低含氣率的混合液。在此，謹(jǐn)向劉明輝高級(jí)工程師表示最真摯的感謝和崇高的敬意！在課題的研究與撰寫過(guò)程當(dāng)中，也得到了工程優(yōu)化研究室的研究生袁亮耐心的指導(dǎo)和熱情的幫助，在此表示感謝。5. 本文所采用的CFD模擬計(jì)算方法及對(duì)氣液旋流器優(yōu)化的過(guò)程也為其它流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化提供了一定的新思路。2. 通過(guò)CFD模擬驗(yàn)證了螺旋管分離部分能夠?qū)庖夯旌衔镞M(jìn)行較徹底的分離，并且通過(guò)在適當(dāng)位置開(kāi)孔可有效的收集到分離的氣、液相。螺旋管的高度可以由600mm減小到400mm，這樣可以有效的增加氣液的分離效果，同時(shí)采用上述的內(nèi)外壁開(kāi)孔方式可以將分離出的氣液?jiǎn)蜗噍^好的收集起來(lái)。并且內(nèi)壁開(kāi)孔處的開(kāi)孔截面平均氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了97%，大量的氣體通過(guò)孔排出，液體出口處的平均液體體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到了75%以上，以上綜合說(shuō)明了此種開(kāi)孔方法可行，能夠?qū)崿F(xiàn)氣液的分離和分別收集。根據(jù)每圈開(kāi)孔流通面積與螺旋管截面積的正比原則，初步設(shè)計(jì)在中間兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開(kāi)直徑為5mm孔30個(gè)。通過(guò)對(duì)上述模擬試驗(yàn)的結(jié)果分析可知，在螺旋管的內(nèi)壁處匯聚大量的氣體，在適當(dāng)?shù)牧魉傧聝?nèi)壁的氣體體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到100%，所以在內(nèi)壁開(kāi)孔排氣是正確的選擇。入口流速仍舊選擇8m/s。，入口氣液兩相流速均為8m/s時(shí)，在保持螺旋管其余結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下對(duì)分離器的旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)置了3組對(duì)照模擬試驗(yàn)。通過(guò)上一部分的討論，已經(jīng)知道改變分離器的運(yùn)行參數(shù)可以有效的提高氣液的分離效果，并且存在最佳的運(yùn)行參數(shù)以在盡可能小的能量損失的情況下獲得最優(yōu)的分離效果。在低含氣率的情況下，氣液進(jìn)口流速可以和高含氣率情況下相當(dāng)，在這種情況下可以得到更的氣液分離效果，8m/s時(shí)即可得到較理想的氣液分離效果，進(jìn)一步提高氣液入口流速對(duì)分離效果的提高意義不大，但是會(huì)帶來(lái)巨大的壓降損失。在較高含氣量的情況下，進(jìn)口流速可以選擇小一些，較小流速下內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)就已接近100%，內(nèi)壁開(kāi)孔即可排出大量氣體。（80%）模擬表41 第一組入口流速出口平均流速壓力變化壓降氣體體積分?jǐn)?shù)2m/s（氣）（液）（入）（出）（表）54%（外）97%（內(nèi)） 圖41流速2m/s時(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖表42 第二組