【正文】 構成，因此又稱為擴展的Kε模型或者2個半方程模型。應用該模型可避開求解雷諾應力方程所面臨的十分復雜的計算工作，又較好地預報了流動的各向異性的特點。RNG Kε模型是一種修正的Kε模型，在文獻[33][34]中有較詳細的討論。它從原始的基本方程推導而來，其中使用了所謂的“Kolmogorov”數(shù)學技巧。Kolmogorov定律：E（k）=k 。RNG模型是一個更一般，更基本的模型，尤其對強旋流流場及高曲率流線的離心分離器有著很好的改進效果。在FLUENT中有多種湍流模型可選擇，包括常用的SpalartAllmaras單方程模型、標準Kε模型、和Ko模型、雷諾應力模型以及大旋渦模型。選擇合適的湍流模型是數(shù)值計算中及其重要的環(huán)節(jié)，不同湍流模型的使用會產生不同的流場細節(jié)。本文應用RNGKε模型預測離心式分離器的內流場。多相流的數(shù)值計算方法有兩種：歐拉—拉格朗日（EulerLagrange）方法和歐拉—歐拉（Euler Euler）方法。 在Fluentzhong中的拉格朗日離散項模型遵循歐拉—拉格朗日方法。流體相為連續(xù)相，直接求解時均NS方程，而離散相通過計算流場中大量的粒子，氣泡或是液滴的運動得到。離散相和流體相之間有動量、質量和能量的交換。該模型假設離散相（第二相）的體積比率很低。粒子或液滴運行軌跡的計算是獨立的，被安排在流相計算的指定間隙完成。這樣處理能較好的符合噴霧干燥，煤和液體燃料燃燒，以及一些粒子負載的流動情況，但是不適合用于液液混合物，流化床和其它第二相體積率不容忽略的情形?！獨W拉模型在歐拉—歐拉方法中，不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質。由于一種相所占的體積不能被其他相占有，故引入相體積分數(shù)（phasic volume fraction）。體積分數(shù)是時間和空間的連續(xù)函數(shù)，各相的體積分數(shù)之和等于1。從各相的守恒方程可以推導出一組方程，這些方程對于所有的相都具有類似的形式。從實驗得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關系，從而使上述方程封閉，另外，對于小顆粒流（granular flows），可以通過應用分子運動論的理論使方程封閉。在FLUENT中，有三種歐拉—歐拉多相流模型：流體體積模型（VOF），混合（Mixture）模型以及歐拉（Euler）模型?；旌夏Ｐ秃蜌W拉模型主要用于模擬相間的混合和分離。（1）流體體積模型（VOF） VOF模型通過求解單獨的動量方程和處理穿過區(qū)域的每一相的體積分數(shù)來模擬兩種或三種不能混合的流體。典型的應用包括預測流體中大氣泡的運動和氣液界面的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)變化。（2）混合模型（Mixture） 混合模型求解混合物的動量方程，并通過相對速度描述離散相?；旌夏Ｐ褪菤W拉模型在幾種情況下的很好替代。當顆粒相廣泛分布或界面規(guī)律未知時，完善的多相流模型是不切實際的。在這種情況下，混合模型能取得較好的結果。 混合模型的應用包括低負載的粒子負載流，氣泡流，沉降，以及旋風分離等多相流。混合模型也可用于沒有相對速度的均勻多相流。（3）歐拉模型（Eulerian） 歐拉模型是Fluent中最復雜的多相流模型。它建立含有n個動量方程和連續(xù)方程的方程組來求解各相。壓力項和各界面交換系數(shù)耦合在一起，耦合方式依賴于所含相的情況。顆粒流（液—固）與非顆粒流（液—液）的處理是不同的。對于顆粒流，可應用分子運動理論求得流動特性。不同相之間的動量交換也依賴于混合物的類別。該模型的應用包括氣泡柱，上浮，顆粒懸浮，以及流化床。 解決多相流問題，先選擇最能符合實際的流體模式。然后根據(jù)不同的模式，選擇恰當?shù)亩嘞嗔髂Ｐ?。如在氣—液或液—液多相流中，大致有泡狀流，彈狀流，斷塞流及自由液面流四種模式。對于離心分離器，主要是分離在來連續(xù)液相中分散的小氣泡（含氣率為10%左右），氣泡的運動一般認為是泡狀流，可選用混合模型或歐拉模型。以下為混合模型和歐拉模型的求解策略。 啟動混合模型求解。如果解顯示出好的收斂趨勢，可逐漸增加欠松弛因子。初始計算是可以不求解題解分數(shù)和滑流速度方程，當計算收斂后，在求解這些方程。 啟動歐拉模型求解，為了提高收斂性，在求解多相流模型前可以先獲得初始解再繼續(xù)計算。初始解可通過混合模型得到。由于歐拉模型對內存及收斂要求較高，在下面的數(shù)值計算中，多相流模型選用混合模型。 數(shù)值計算方法目前關于數(shù)值計算的方法有：有限差分法、有限元法、邊界元法等。在CFD中，有限差分法占主導地位，且最為成熟，目前已經發(fā)展了多種收斂性好、精度高的離散格式，較常用的有：Taylor（泰勒）展開法、有限容積法。與有限差分法相比，有限單元法在流體力學應用還遠遠不夠成熟，易出現(xiàn)數(shù)值溢出、數(shù)值發(fā)散等問題。Flent采用有限容積離散動量方程，速度和壓力耦合采用SIMPLE、SIMPLEC及PISO算法。對流項差分格式納入了一階迎風、中心差分及QUICK等格式。在多種情況下，中心格式的計算穩(wěn)定性好于迎風格式。代數(shù)方程可以采用多重網格及最小殘差法。對于旋轉坐標系中的流動問題，求解過程經常變得不穩(wěn)定。這是因為當旋轉項的影響很大時，動量方程高度耦合。高速的旋轉會產生一個很大的徑向壓力梯度，從而推動流體向軸向和徑向流動，并在流場中形成旋渦或旋度的分布。為了改善求解的穩(wěn)定性，可以采用以下方法：●采用PRESTO方法離散壓力項，這種方法非常適合于旋流中的大壓力梯度?！駵p小速度的欠松弛因子，～?！裼靡粋€較低的旋轉速度開始計算，然后逐漸增加，最后獲得合理的結果。 邊界條件的處理邊界條件包括流動變量在在邊界處的值。FLUENT中可處理的邊界條件包括：進口邊界條件（壓力、速度、質量進口、進風口、進氣扇、壓力出口、壓力遠場邊界條件，質量進口、通風口、固體壁面、對稱面、周期邊界、軸，內部區(qū)域：流體、固體；內部表面邊界：風扇、換熱器、多孔跳躍、壁面、內部類型。 計算前處理計算前處理主要包括離心式分離器三維流道模型的建立及網格的劃分。在本文采用FLLUENT的前處理器Gambit來實現(xiàn)。 建立三維模型圖81根據(jù)理論計算尺寸建立分離器的流道模型。除了直接在Gambit工作環(huán)境下建立模型外，還可以利用其他CAD軟件如UG、PRO/E、CAXA、SOLID 。通過軟件之間的接口，調入到Gambit內進行網格劃分。本章中用于計算的幾何模型具體結構參數(shù)如下：離心式氣液分離器入口管直徑： =40mm離心式氣液分離器入口管當量長度： =1000mm離心式氣液分離器氣體出口管直徑：=20mm離心式氣液分離器氣體出口管當量長度： =200mm離心式氣液分離器液體出口管直徑： =65mm離心式氣液分離器液體出口管當量長度： =1614mm離心式氣液分離器殼體內徑：d=300mm離心式氣液分離器總體高度：H=3300mmFLUENT作為一種求解器，在二維問題中可以使用三角形、四邊形或混合單元組成的網格，在三維問題中可以使用四面體、六面體、金字塔形、楔形單元，或者兩種單元的混合。Gambit具有強大的自動生成網格的功能，能快速生成結構化、非結構化網格。由于計算區(qū)域形狀比較復雜，本文采用C結構化網格（混合網格）。在分離器進口管附近的流動區(qū)域，流場的速度場、壓力場梯度比較大，網格要求加密。同時，液液出口管徑和氣體出口管徑相對較小，流動區(qū)域的其他地方的網格相應的較疏，以保證網格數(shù)不會太大。在Gambit工作環(huán)境中，可以利用size function控制網格尺寸由以上加密的位置向空間增大。圖82為用此法生成的計算模型。圖82 CFD模型數(shù)值計算使用三維粘性雷諾時均NS方程求解軟件FLUENT，運用分離的隱式求解方法、RNGke模型，混合的多相流模型，同時考慮了離心式氣液分離器內流體的強選旋流動，對壓力離散采用PRESTO法，對動量方程采用二階迎風差分格式進行離散，對速度和壓力耦合采用SIMPLE算法。按不同的求解方法，F(xiàn)LUENT的耦合式和分離式。在分離式求解法中，獨立有序地求解速度和壓力各變量。邊界條件的確定也是數(shù)值計算的關鍵。在本文中需要涉及到壁面邊界和進出口邊界。進口的邊界取混合液的入口速度，同時確定第二相的體積分數(shù)。氣體出口和液體出口設為壓力出口，表壓為0。固體壁面定義為無滑移壁面，筒體的內表面為旋轉壁面。對于紊流需要說明性質。假設流場為全湍流場，速度入口的流動充分的發(fā)展，入口的湍流強度為5%，湍流粘性比為10%。當殘差下降到時，并且進、出口的流量誤差小于5%時認為計算收斂。氣液分離器內主要包括速度場、壓力場及各相體積分數(shù)的分布。下面以本設計工況下分離器內流場分布為例分析其特點。工作介質為一定含氣量的鉆井液，每天的處理量：液體900/d,氣體90/d,入口流速為6m/s,其中A為入口管截面面積。鉆井液密度1500kg/, %，,以下為靜壓力場、速度場以及體積分數(shù)的分布情況.圖83 縱向剖面泥漿壓力場分布圖圖84混合液的速度場圖85 混合液的速度云圖圖86 混合液的壁面速度分布圖圖87進口附近壁面速度場圖88 Z=圖89 Z=圖810 排液口流場矢量圖圖811 排氣口附近流場流速矢量分布圖 由圖83可以看出分離器內整體壓力分布情況，在分離器的底部壓力最大，在液相出口壓力最小。由圖8886可以很明顯的看出鉆井液進入分離氣后，鉆井液的速度場在進口處和液相出口的速度最大。由圖8889可以清楚的看出鉆井液通過進口管進入分離器后確實產生產生了強烈旋流，沿徑向速度矢量逐漸增大。圖8811逼真的反映了液相和氣相的速度場的矢量分布，氣相、液相流向各自的出口，在離心式分離器中實現(xiàn)了對氣液的分離?；旌弦喊l(fā)生氣液分離后，各相按一定的比例濃度分布。液相的體積分數(shù)如圖812所示。由圖812可以看出，氣液混合物經過分離后，在分離器的上半部分泥漿的體積分數(shù)幾乎是零，泥漿在分離器的下半部分和排液管中的體積分數(shù)明顯高于進口管附近的體積分數(shù)，特別是在分離器的底部和排液管線中泥漿的體積分數(shù)幾乎是100%，十分有利的證明了鉆井液在分離器內實現(xiàn)了氣液的分離。由圖813可以看出在氣體出口管內充滿氣體，攜帶液量可以忽略。在垂直于旋轉軸的截面內，含液量隨著半徑的增大而增大，這是因為離心力與半徑的平方成正比關系，在強旋流場中，高密度的液相沿徑向向外運動拋向壁面，較小密度的氣相向中心聚集轉而向上運動。圖812 縱向剖面泥漿體積分數(shù)分布圖圖813縱向剖面氣體體積分數(shù)分布分離效率計算公式：式中：分離器的分離效率，%除氣后鉆井液密度， 不含氣體的鉆井液密度， 氣侵后的鉆井液密度，已知 設計氣液分離器的分離效率：=61離心式氣液分離器設計第九章 結束語本文從結構上對用于鉆井中泥漿處理的旋流式分離器進行了設計；并對分離器的各重要零部件進行了設計、強度計算以及流場分析。該管柱式旋流式分離器可分離氣泡小，效率較高，分離器體積相對較小，維修量小，工作穩(wěn)定。旋流式分離器具有這些特點，使得該分離器在鉆井過程中用于泥漿的處理具有實用性和可靠性，并具有廣闊的前景。參考文獻[1]董大勤，袁鳳隱主編，壓力容器與化工設備實用手冊，第一版。 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