【正文】 4. 同樣應(yīng)用對照模擬計算的方法得出了螺旋管分離部分的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸，其中最佳的旋轉(zhuǎn)半徑為150mm200mm，螺旋管高度為400mm，同時也得到了螺旋管的最適宜的開孔排氣、排液方式。對于螺旋管的旋轉(zhuǎn)半徑，在150200mm時氣液的分離效果最好，并且能量損失在可接受的范圍內(nèi)。在第4圈時，流體經(jīng)過充分發(fā)展，段塞流基本消除，氣液在離心力和重力作用下大部分已經(jīng)較好的分離后，可以開孔放氣。改變螺旋管的高度同樣可以影響氣液的分離效果，在不改變螺旋管其余結(jié)構(gòu)尺寸的情況下對螺旋管的高度進(jìn)行了3組對照模擬試驗，以得到螺旋管的最佳螺旋高度。流速的大小可以由分離器的處理量，分離器的螺旋管半徑來調(diào)整。可以得出以下結(jié)論：提高氣液的進(jìn)口流速可以有效的提高氣液的分離效果，但同時也會造成能量損失的增大。 為了得到最優(yōu)運行參數(shù)，我進(jìn)行了3組體積分?jǐn)?shù)的FLUENT模擬計算。提高氣液進(jìn)口流速可以有效的增加氣液的分離效果，無論在氣體體積分?jǐn)?shù)多大的情況下，適當(dāng)?shù)牧魉俣紩箖?nèi)壁的氣體體積分?jǐn)?shù)接近于1，外壁氣體體積分?jǐn)?shù)都會接近于0，也就是說提高流速可以使氣液進(jìn)行較完全的分離。但在此進(jìn)口流速情況下，流體通過螺旋管的能量損失較大，并且較高的進(jìn)口流速使得螺旋管內(nèi)部流場變得更加復(fù)雜，某些位置出現(xiàn)了速度激增現(xiàn)象。 圖313螺旋管內(nèi)部氣相體積分?jǐn)?shù)沿X、Y、Z向剖切云圖 圖314 螺旋管出口截面處的氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖 由上圖可見，在出口截面處氣液兩相已經(jīng)基本實現(xiàn)了分離，氣液兩相呈層狀分布。通過對氣相和液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖的觀察可直觀的得到螺旋管內(nèi)部流場的兩相分布情況。第2步：求解初始化操作：Solve→Initialize→Initialize…打開求解初始化設(shè)置對話框，對入口進(jìn)行初始化；點擊Init。設(shè)置連續(xù)相和分散相流體操作：Define→Phase…打開“Phase”設(shè)置對話框；設(shè)置第一相（連續(xù)相）為天然氣，第二相（分散相）為原油；點擊Close，關(guān)閉“Phase” 設(shè)置對話框。顯示網(wǎng)格操作：Display→Grid…打開網(wǎng)格顯示對話框后，點擊Display，可得到各種區(qū)域網(wǎng)格圖。在應(yīng)用GAMBIT對螺旋管進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型處理、網(wǎng)格劃分、定義邊界類型等操作后需要將圖形輸出為MESH文件，以供FLUENT導(dǎo)入進(jìn)行計算。排氣扇邊界條件用于模擬外部排氣扇，給定一個壓升和環(huán)境壓力。無窮遠(yuǎn)壓力邊界（pressurefarfield）：該邊界條件用于可壓縮流動，該邊界條件適用于理想氣體定律計算密度的問題。GAMBIT提供了多種邊界類型供選擇：速度入口（velocityinlet）：給定入口處的邊界上的速度。Tet Primitive：將一個邏輯四面體（fourside volume）劃分成四個六面體區(qū)域，并用map方法在每個區(qū)域種劃分網(wǎng)格。操作Operation→Geometry→Volume→Sweep faces 圖37增加入口段后的螺旋管模型畫出入口段后對兩個幾何體進(jìn)行并集運算即可得到整個包括入口段的螺旋管模型。圖32建立的螺旋線模型第三步：UCS轉(zhuǎn)換操作：工具→新建UCS→X軸→輸入90 AUTOCAD默認(rèn)的繪圖平面是XY面，要想在與螺旋線垂直的面內(nèi)作圖就要對XY坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。s， kg/m3，動力黏度為1e06kg/m3）第一個內(nèi)結(jié)點與壁面之間區(qū)域的當(dāng)量粘性系數(shù)按下式確定： (222)式中由對數(shù)分布律確定，為壁面上的速度。本文采用壁面函數(shù)法處理壁面附近的區(qū)域。通常將湍流雷諾數(shù)Rt小于150的湍流稱為低雷諾數(shù)湍流。氣體對液滴的阻力R可用下式計算 （28）式中－阻力系數(shù)；－液滴在螺旋管垂直剖面上運動速度，m/s。勻速運動時，合力為零，F(xiàn)與R相等，聯(lián)立式（21）、（22）得勻速沉降速度 （23）阻力系數(shù)是雷諾數(shù)Re的函數(shù)，雷諾數(shù)是判斷流體流動狀態(tài)的準(zhǔn)則，它表示流體流動的慣性力于粘性力的比值。也就是說整個分離器的分離過程應(yīng)用了重力沉降分離原理和離心力分離原理。不同的生產(chǎn)要求，此部分的高度有所不同。所以我以700mm作為實物的沉降分離段尺寸。此部分主要用于對氣體攜帶少量油品的回收和對分離出的氣體進(jìn)行匯聚排空。結(jié)合了容積式氣液分離技術(shù)和旋流分離技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、分離效果好、適應(yīng)流量和含氣量范圍大等優(yōu)點。 FLUENT軟件的求解原理對于一個具體的工程，首先可以通過FLUENT的前處理軟件GAMBIT進(jìn)行前處理。軸向速度顯示兩個區(qū)域：中心附近向上流動的區(qū)域和壁面附近向下流動的區(qū)域。最后，數(shù)值模擬還受到計算機本身條件的限制，即計算機運行速度和容量的限制。這些學(xué)科的交叉融合，相互促進(jìn)和支持，推動著這些學(xué)科的深入發(fā)展。計算流體力學(xué)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強大生命力的邊緣學(xué)科。但與氣固、液固分離不同，氣液兩相流動過程中顆粒（液滴或氣泡）的碰撞、團(tuán)聚、和擴散激勵更加復(fù)雜，由于不確定的因素較多，計算復(fù)雜，同時受氣液兩相流發(fā)展的限制，使氣液旋流分離的研究遠(yuǎn)滯后于旋風(fēng)分離器和水力旋流器。與容積式分離器相比，旋流式氣液分離器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、能耗低、重量輕、易于安裝且操作方便等優(yōu)點。有時候分離器也作為油氣水以及泥沙等多相的分離、緩沖、計量之用。 本文根據(jù)計算流體力學(xué)的原理和方法，以流場數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，利用大型流體計算軟件FLUENT對螺旋管復(fù)合氣液分離器螺旋分離部分內(nèi)部流體的運動規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，得出了內(nèi)部流場的分布特點。在此基礎(chǔ)上，以提高分離效率為目的對螺旋管復(fù)合氣液分離器的整體結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)、螺旋分離部分的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了螺旋分離部分最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和分離器最佳的運行參數(shù)。油氣分離器按照分離器的功能可以分為油氣兩相分離器、油氣水三相分離器、計量分離器、和生產(chǎn)分離器等；按其工作壓力可以分為真空（）、中壓（）和高壓（高于6兆帕）分離器等；按其實現(xiàn)油氣分離主要用的能量又可分為重力式（容積式）、離心式（旋流式）、和復(fù)合式等。同時從環(huán)境和安全考慮，它又可明顯降低烴的殘留量。近年來氣液旋流分離技術(shù)已日益成為國內(nèi)外爭相研究的熱點技術(shù)。它以電子計算機為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實驗、計算機模擬和分析研究，以解決各種實際問題。由于數(shù)值模擬相對于實驗研究有其獨特的優(yōu)點，例如成本低、周期短、能獲得完整的數(shù)據(jù)、能模擬出實際運行過程中各種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)等。 CFD在氣液旋流器研究中的應(yīng)用目前，關(guān)于旋流分離器流場的數(shù)值模擬人們已經(jīng)進(jìn)行了很多研究，但對于氣液旋流分離技術(shù)的CFD研究發(fā)展要比旋風(fēng)分離器、水力旋流器進(jìn)展緩慢。模擬結(jié)果與LDV實驗測量的速度分布趨勢非常相似。GAMBIT包含功能較強的幾何建模能力和強大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。特別適合應(yīng)用于海洋采油平臺或海底下生產(chǎn)系統(tǒng)的操作空間和承載重量都受到嚴(yán)格限制的生產(chǎn)環(huán)境。主要包括的分離原件為除霧器。螺旋分離部分主要由螺旋管分離原件組成。液封段，設(shè)計高度H4=400mm。重力作用下氣液分離包括液滴在氣體中沉降到氣液界面和氣泡從液體中上浮到氣液界面兩個過程。在立式分離器中，氣流方向與油滴沉降方向相反，油滴能夠沉降的必要條件是：液滴的沉降速度大于沉降段氣體流速， （24） 從原油中分離出氣泡的過程與從氣體中分離液滴過程原理相同，氣泡受到的浮力與自身重力和原油阻力的合力作用上浮，由于原油粘度較大，氣泡上浮速度較慢，雷諾數(shù)較小，流態(tài)一般處于層流區(qū)，可應(yīng)用斯托克斯公式計算氣泡上浮速度 （25）式中 －氣泡勻速上浮的速度，m/s； dg－氣泡直徑，計算中常?。?～2）103m； －分離條件下原油動力粘度，Pa?s。螺旋管中實現(xiàn)液滴分離的條件是液滴加速運動到油氣界面的時間應(yīng)小于氣液混合物在螺旋管中的運動時間。而近壁區(qū)的流動屬于低雷諾數(shù)湍流。壁面函數(shù)法的基本思想可歸納如下：1）假設(shè)在所計算問題壁面附近粘性支層以外的地區(qū)，無量綱速度的分布服從對數(shù)律分布。據(jù)此式，可導(dǎo)出第一個內(nèi)節(jié)點上的的計算式。s，操作壓強為101325Pa。第四步：在螺旋線的底面端點畫與螺旋線垂直的圓面，作為三維拉伸的基圓操作：繪圖→圓圖33繪制底面基圓第五步：將圓形變成圓面操作：繪圖→面域→選擇用于拉伸的底面基圓，此操作可將圓形打成圓面，經(jīng)過拉伸之后即可成為三維實體。操作：Operation→Geometry→Volume→Unit Real VolumesGAMBIT提供了多種網(wǎng)格劃分方式，對體的網(wǎng)格劃分，可以按照先劃分面網(wǎng)格，在以面網(wǎng)格為網(wǎng)格種子劃分體網(wǎng)格的方法進(jìn)行。Cooper（庫勃）：根據(jù)“源”面上定義的網(wǎng)格節(jié)點模式掃過整個體而創(chuàng)建網(wǎng)格。該邊界條件適用于不可壓縮流動問題，對可壓問題則不適用，否則該入口邊界條件會使入口處的總溫或總壓有一定的波動。自由出流（outflow）：對于出流邊界上的壓力或速度均為未知的情形，可以選擇自由出流邊界條件。對稱邊界（symmetry）：對稱邊界條件適用于流動及傳熱場是對稱的情形。操作為：File→Save As，指定路徑即可實現(xiàn)保存操作。設(shè)置求解器操作：Define→Models→Solver…打開“Solver”設(shè)置對話框；Solver項選擇Segregated(非耦合求解法)；Formulation項選擇Implicit(隱式算法)；Space項選擇3D；Time項選擇Steady；其余參數(shù)保持默認(rèn)值不變，點擊OK確認(rèn)設(shè)置。第4步：設(shè)置運行環(huán)境操作：Define→Operating Conditions…打開“Operating Conditions”設(shè)置對話框；設(shè)置重力加速度方向為沿Z軸負(fù)向，；保持運行壓力為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；選中Specified Operating Density項；點擊OK確認(rèn)設(shè)置。第3步：設(shè)置監(jiān)視窗口操作：Solve→Monitors→…設(shè)置殘差曲線監(jiān)視器對迭代結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視；在出口處設(shè)置監(jiān)視窗口對出口截面平均流速進(jìn)行監(jiān)視；在出口處設(shè)置監(jiān)視窗口對出口截面混合物平均壓力進(jìn)行監(jiān)視；分別點擊OK確認(rèn)設(shè)置。圖39螺旋管內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)分布云圖 圖310螺旋管內(nèi)液相體積分?jǐn)?shù)分布云圖如上圖所示，氣液兩相進(jìn)入螺旋管后，在離心力和重力的共同作用下，氣體向螺旋管內(nèi)上側(cè)聚集，液體向螺旋管外下側(cè)聚集。由內(nèi)而外，氣相體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，由外而內(nèi)，液相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。所以對于流速應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以保證在最適宜的流速情況下，氣液的分離效果達(dá)到最好，并盡可能的較小能量損失。但過高的流速會導(dǎo)致混合流體過高的能量損失，根據(jù)達(dá)西公式可知提高流速會增大混合流體在螺旋管部分的壓降損失，造成較高的分離成本。三組計算分別針對了高含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)80％），中等含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)50％），低含氣率（氣體體積分?jǐn)?shù)30％）情況進(jìn)行模擬。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)壁開孔即可排出大量氣體。通過上一部分的討論，已經(jīng)知道改變分離器的運行參數(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。入口流速仍舊選擇8m/s。根據(jù)每圈開孔流通面積與螺旋管截面積的正比原則，初步設(shè)計在中間兩圈每圈內(nèi)稍偏上側(cè)開直徑為5mm孔30個。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，同時采用上述的內(nèi)外壁開孔方式可以將分離出的氣液單相較好的收集起來。5. 本文所采用的CFD模擬計算方法及對氣液旋流器優(yōu)化的過程也為其它流體機械的結(jié)構(gòu)運行參數(shù)優(yōu)化提供了一定的新思路。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。 圖417a 內(nèi)開孔處氣體體積分?jǐn)?shù)X