【正文】 過對(duì)上述結(jié)果的分析可知，在進(jìn)口流速為12m/s，氣相體積分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，以原油和天然氣為介質(zhì)的混合流體可通過螺旋管有效的實(shí)現(xiàn)氣液分離。分離效果可以通過氣體體積分?jǐn)?shù)在螺旋管內(nèi)的分布來評(píng)定，螺旋管內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)越大，外壁氣體體積分?jǐn)?shù)越小，并且體積分?jǐn)?shù)分布越穩(wěn)定，越均勻，體積分?jǐn)?shù)越大的組分占據(jù)的分層厚度越大，則分離效果越好。在相同流速的情況下，低含氣率的運(yùn)行環(huán)境得到的分離效率最高，分離效果最明顯，所以螺旋管復(fù)合氣液分離器最適宜應(yīng)用在低含氣率情況下，或作為二次分離工具進(jìn)行氣液分離。對(duì)于內(nèi)壁的開孔數(shù)量、開孔位置、開孔孔徑的選擇也會(huì)影響到氣液的分離效果和對(duì)氣體的收集過程。3. 在對(duì)螺旋管內(nèi)部流場(chǎng)正確模擬的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多組對(duì)照模擬計(jì)算的方法對(duì)分離器的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié) 論本文主要對(duì)一種新型的復(fù)合式氣液分離器—螺旋管復(fù)合氣液分離器應(yīng)用AUTOCAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模、氣液分離原理分析，并且利用大型商業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件FLUENT對(duì)分離器內(nèi)部螺旋分離部分進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了螺旋管內(nèi)部?jī)上嗔鲃?dòng)的分布規(guī)律及各相的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布特點(diǎn)。表415 第一組螺旋高度進(jìn)口流速壓降損失氣體體積分?jǐn)?shù)400mm8m/s0%（外） 100%（內(nèi)）圖415a X=0截面處氣體體積分?jǐn)?shù)剖面云圖圖415b 氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖表416 第二組螺旋高度進(jìn)口流速壓降損失氣體體積分?jǐn)?shù)600mm8m/s19%（外） 100%（內(nèi)） 圖416a X=0截面處氣體體積分?jǐn)?shù)剖面云圖 圖416b 氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖 表417 第三組螺旋高度進(jìn)口流速壓降損失氣體體積分?jǐn)?shù)1000mm8m/s30%（外） 99%（內(nèi)）通過對(duì)以上三組模擬可知，在保持螺旋管其余結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下將螺旋管高度由600mm減小到400mm可提高氣液的分離效果，并且也會(huì)減小壓降損失。所以在較高含氣量情況下定義入口為8m/s時(shí)較合理，而內(nèi)壁氣體體積分?jǐn)?shù)變化不大，外壁氣體體積分?jǐn)?shù)由19%變化到3%，這對(duì)于以排氣為主的分離器來說意義不大。這樣就必然涉及到最優(yōu)的進(jìn)口流速問題。圖315 出口截面處的氣相體積分?jǐn)?shù)XY坐標(biāo)圖螺旋管內(nèi)部流動(dòng)屬氣液兩相強(qiáng)旋流動(dòng)。第4步：保存Case文件操作：File→Write→Case…確認(rèn)文件名后保存。設(shè)置多項(xiàng)流模型操作：Define→Models→Multiphase…打開多項(xiàng)流模型對(duì)話框；選擇Eulerian模型，歐拉模型適合于多種多相流動(dòng)的數(shù)值模擬。周期性邊界條件（periodic）：如果我們所關(guān)心的流動(dòng)，其幾何邊界，流動(dòng)和換熱是周期性重復(fù)的，那么可以采用周期性邊界條件。壓力入口（pressureinlet）：給出入口邊界上的總壓。此種方法可以加密端面網(wǎng)格，對(duì)于入口和出口處參數(shù)變化梯度較大的情況下會(huì)很適用。油氣混合物入口流速為12m/s，天然氣體積分?jǐn)?shù)為80%，經(jīng)過腔內(nèi)的螺旋管，在重力與離心力共同作用下進(jìn)行分離。由流體力學(xué)可知，對(duì)數(shù)分布律為： (218)其中：=，稱為切應(yīng)力速度；馮卡門常數(shù)=~；B=~。實(shí)現(xiàn)氣泡分離的條件是氣泡加速運(yùn)動(dòng)到油氣界面的時(shí)間應(yīng)小于氣液混合物在螺旋管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。氣體中攜帶液滴在重力作用以某一加速度下沉，隨著液滴速度的增大，液滴受到氣流的阻力越來越大，當(dāng)液滴受到的合力為零時(shí)，液滴將以勻速在氣流中下沉，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。螺旋管部分設(shè)計(jì)總高600mm，由6圈螺旋構(gòu)成，螺距100mm，螺旋管內(nèi)徑30mm，旋轉(zhuǎn)半徑200mm。 螺旋管復(fù)合氣液分離器結(jié)構(gòu)模型螺旋管復(fù)合氣液分離器的結(jié)構(gòu)模型是以立式容積式氣液分離器為母體，并結(jié)合了旋流分離原理的螺旋分離部分。而且與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)kε模型模擬的切向速度結(jié)果比實(shí)際測(cè)量的高它描述了一個(gè)較高的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)；而 RSM模型模擬的切向速度結(jié)果比測(cè)量的低。近些年來，作為研究流體流動(dòng)的新方法，CFD技術(shù)已經(jīng)得到越來越廣泛地應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對(duì)于氣液旋流分離的研究主要可分為4類，即：氣液旋流分離技術(shù)應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究、旋流分離器內(nèi)部氣液兩相三維強(qiáng)旋湍流流場(chǎng)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)研究、建立能準(zhǔn)確反映氣液兩相旋流分離機(jī)理模型的理論研究以及氣液兩相旋流流場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬。容積式屬常規(guī)氣液分離器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在油田上應(yīng)用比較廣泛。如果用理論分析計(jì)算和流場(chǎng)數(shù)值模擬研究分離器內(nèi)流體流動(dòng)的規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)分離效率和壓降的影響等，則可縮短研究周期、節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，獲取完整的分離器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的信息。因而基于經(jīng)濟(jì)上和操作上的原因致使一種新型的氣液分離裝置應(yīng)運(yùn)而生。 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)簡(jiǎn)介 CFD概述CFD(Computation Fluid Dynamics)技術(shù)，即計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，是一種用于分析流體流動(dòng)性質(zhì)的計(jì)算技術(shù)，包括對(duì)各種類型的流體在各種速度范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。這些分析方法大部分對(duì)線性方程是有效的，對(duì)非線性方程則不是有效的。FLUENT軟件包包括以下幾個(gè)軟件：FLUENT求解器—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。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。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。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。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)。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。應(yīng)用此方法建立的螺旋線模型如下圖所示。Submap（子規(guī)則網(wǎng)格）：將一個(gè)無法用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）。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。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。第3步：相間設(shè)置設(shè)置流體的材料屬性操作：Define→Materials…打開“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。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FLUENT提供的多種方式顯示計(jì)算結(jié)果。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。壓降損失可以通過對(duì)進(jìn)出口截面平均壓力的差值來評(píng)定。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。在實(shí)際產(chǎn)出液中油氣混合并不充分，在開始進(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。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。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)外壁開孔方式可以將分離出的氣液?jiǎn)蜗噍^好的收集起來。入口流速仍舊選擇8m/s。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。但過高的流速會(huì)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(huì)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。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。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(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行監(jiān)視；在出口處設(shè)置監(jiān)視窗口對(duì)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(duì)出口截面混合物平均壓力進(jìn)行監(jiān)視；分別點(diǎn)擊OK確認(rèn)設(shè)置。設(shè)置求解器操作：Define→Models→Solver…打開“Solver”設(shè)置對(duì)話框；Solver項(xiàng)選擇Segregated(非耦合求解法)；Formulation項(xiàng)選擇Implicit(隱式算法)；Space項(xiàng)選擇3D；Time項(xiàng)選擇Steady；其余參數(shù)保持默認(rèn)值不變，點(diǎn)擊OK確認(rèn)設(shè)置。對(duì)稱邊界（symmetry）：對(duì)稱邊界條件適用于流動(dòng)及傳熱場(chǎng)是對(duì)稱的情形。該邊界條件適用于不可壓縮流動(dòng)問題，對(duì)可壓?jiǎn)栴}則不適用，否則該入口邊界條件會(huì)使入口處的總溫或總壓有一定的波動(dòng)。操作：Operation→Geometry→Volume→Unit Real VolumesGAMBIT提供了多種網(wǎng)格劃分方式，對(duì)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。s，操作壓強(qiáng)為101325Pa。壁面函數(shù)法的基本思想可歸納如下：1）假設(shè)在所計(jì)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(duì)數(shù)律分布。螺旋管中實(shí)現(xiàn)液滴分離的條件是液滴加速運(yùn)動(dòng)到油氣界面的時(shí)間應(yīng)小于氣液混合物在螺旋管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。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(gè)過程。螺旋分離部分主要由螺旋管分離原件組成。特別適合應(yīng)用于海洋采油平臺(tái)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。模擬結(jié)果與LDV實(shí)驗(yàn)測(cè)量的速度分布趨勢(shì)非常相似。由于數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如成本低、周期短、能獲得完整的數(shù)據(jù)、能模擬出實(shí)際運(yùn)行過程中各種所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)等。近年來氣液旋流分離技術(shù)已日益成為國內(nèi)外爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)技術(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(jì)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(shí)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。 本文根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)的原理和方法，以流場(chǎng)數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，利用大型流體計(jì)算軟件FLUENT對(duì)螺旋管復(fù)合氣液分離器螺旋分離部分內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，得出了內(nèi)部流場(chǎng)的分布特點(diǎn)。與容積式分離器相比，旋流式氣液分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能耗低、重量輕、易于安裝且操作方便等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算流體力學(xué)是近代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣學(xué)科。最后，數(shù)值模擬還受到計(jì)算機(jī)本身?xiàng)l件的限制，即計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和容量的限制。 FLUENT軟件的求解原理對(duì)于一個(gè)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。此部分主要用于對(duì)氣體攜帶少量油品的回收和對(duì)分離出的氣體進(jìn)行匯聚排空。不同的生產(chǎn)要求，此部分的高度有所不同。勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則，它表示流體流動(dòng)的慣性力于粘性力的比值。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。3）第一個(gè)內(nèi)結(jié)點(diǎn)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(duì)數(shù)分布律確定，為壁面上的速度。圖32建立的螺旋線模型