【正文】 構(gòu)成，因此又稱為擴(kuò)展的Kε模型或者2個(gè)半方程模型。應(yīng)用該模型可避開求解雷諾應(yīng)力方程所面臨的十分復(fù)雜的計(jì)算工作，又較好地預(yù)報(bào)了流動(dòng)的各向異性的特點(diǎn)。RNG Kε模型是一種修正的Kε模型，在文獻(xiàn)[33][34]中有較詳細(xì)的討論。它從原始的基本方程推導(dǎo)而來，其中使用了所謂的“Kolmogorov”數(shù)學(xué)技巧。Kolmogorov定律：E（k）=k 。RNG模型是一個(gè)更一般，更基本的模型，尤其對強(qiáng)旋流流場及高曲率流線的離心分離器有著很好的改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)Kε模型、和Ko模型、雷諾應(yīng)力模型以及大旋渦模型。選擇合適的湍流模型是數(shù)值計(jì)算中及其重要的環(huán)節(jié)，不同湍流模型的使用會(huì)產(chǎn)生不同的流場細(xì)節(jié)。本文應(yīng)用RNGKε模型預(yù)測離心式分離器的內(nèi)流場。多相流的數(shù)值計(jì)算方法有兩種：歐拉—拉格朗日（EulerLagrange）方法和歐拉—?dú)W拉（Euler Euler）方法。 在Fluentzhong中的拉格朗日離散項(xiàng)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(shí)均NS方程，而離散相通過計(jì)算流場中大量的粒子，氣泡或是液滴的運(yùn)動(dòng)得到。離散相和流體相之間有動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。該模型假設(shè)離散相（第二相）的體積比率很低。粒子或液滴運(yùn)行軌跡的計(jì)算是獨(dú)立的，被安排在流相計(jì)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(fù)載的流動(dòng)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?！?dú)W拉模型在歐拉—?dú)W拉方法中，不同的相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。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?jǐn)?shù)（phasic volume fraction）。體積分?jǐn)?shù)是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)，各相的體積分?jǐn)?shù)之和等于1。從各相的守恒方程可以推導(dǎo)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(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關(guān)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(yīng)用分子運(yùn)動(dòng)論的理論使方程封閉。在FLUENT中，有三種歐拉—?dú)W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(dú)的動(dòng)量方程和處理穿過區(qū)域的每一相的體積分?jǐn)?shù)來模擬兩種或三種不能混合的流體。典型的應(yīng)用包括預(yù)測流體中大氣泡的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dāng)顆粒相廣泛分布或界面規(guī)律未知時(shí)，完善的多相流模型是不切實(shí)際的。在這種情況下，混合模型能取得較好的結(jié)果。 混合模型的應(yīng)用包括低負(fù)載的粒子負(fù)載流，氣泡流，沉降，以及旋風(fēng)分離等多相流?；旌夏Ｐ鸵部捎糜跊]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(fù)雜的多相流模型。它建立含有n個(gè)動(dòng)量方程和連續(xù)方程的方程組來求解各相。壓力項(xiàng)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(yīng)用分子運(yùn)動(dòng)理論求得流動(dòng)特性。不同相之間的動(dòng)量交換也依賴于混合物的類別。該模型的應(yīng)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(shí)際的流體模式。然后根據(jù)不同的模式，選擇恰當(dāng)?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(yùn)動(dòng)一般認(rèn)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(dòng)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(jì)算是可以不求解題解分?jǐn)?shù)和滑流速度方程，當(dāng)計(jì)算收斂后，在求解這些方程。 啟動(dòng)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(jì)算。初始解可通過混合模型得到。由于歐拉模型對內(nèi)存及收斂要求較高，在下面的數(shù)值計(jì)算中，多相流模型選用混合模型。 數(shù)值計(jì)算方法目前關(guān)于數(shù)值計(jì)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(dǎo)地位，且最為成熟，目前已經(jīng)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(xué)應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)量方程，速度和壓力耦合采用SIMPLE、SIMPLEC及PISO算法。對流項(xiàng)差分格式納入了一階迎風(fēng)、中心差分及QUICK等格式。在多種情況下，中心格式的計(jì)算穩(wěn)定性好于迎風(fēng)格式。代數(shù)方程可以采用多重網(wǎng)格及最小殘差法。對于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的流動(dòng)問題，求解過程經(jīng)常變得不穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)旋轉(zhuǎn)項(xiàng)的影響很大時(shí)，動(dòng)量方程高度耦合。高速的旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的徑向壓力梯度，從而推動(dòng)流體向軸向和徑向流動(dòng)，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(xiàng)，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，～。●用一個(gè)較低的旋轉(zhuǎn)速度開始計(jì)算，然后逐漸增加，最后獲得合理的結(jié)果。 邊界條件的處理邊界條件包括流動(dòng)變量在在邊界處的值。FLUENT中可處理的邊界條件包括：進(jìn)口邊界條件（壓力、速度、質(zhì)量進(jìn)口、進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)氣扇、壓力出口、壓力遠(yuǎn)場邊界條件，質(zhì)量進(jìn)口、通風(fēng)口、固體壁面、對稱面、周期邊界、軸，內(nèi)部區(qū)域：流體、固體；內(nèi)部表面邊界：風(fēng)扇、換熱器、多孔跳躍、壁面、內(nèi)部類型。 計(jì)算前處理計(jì)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(wǎng)格的劃分。在本文采用FLLUENT的前處理器Gambit來實(shí)現(xiàn)。 建立三維模型圖81根據(jù)理論計(jì)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(diào)入到Gambit內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本章中用于計(jì)算的幾何模型具體結(jié)構(gòu)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(dāng)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(dāng)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(dāng)量長度： =1614mm離心式氣液分離器殼體內(nèi)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(wǎng)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(qiáng)大的自動(dòng)生成網(wǎng)格的功能，能快速生成結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于計(jì)算區(qū)域形狀比較復(fù)雜，本文采用C結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（混合網(wǎng)格）。在分離器進(jìn)口管附近的流動(dòng)區(qū)域，流場的速度場、壓力場梯度比較大，網(wǎng)格要求加密。同時(shí)，液液出口管徑和氣體出口管徑相對較小，流動(dòng)區(qū)域的其他地方的網(wǎng)格相應(yīng)的較疏，以保證網(wǎng)格數(shù)不會(huì)太大。在Gambit工作環(huán)境中，可以利用size function控制網(wǎng)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(jì)算模型。圖82 CFD模型數(shù)值計(jì)算使用三維粘性雷諾時(shí)均NS方程求解軟件FLUENT，運(yùn)用分離的隱式求解方法、RNGke模型，混合的多相流模型，同時(shí)考慮了離心式氣液分離器內(nèi)流體的強(qiáng)選旋流動(dòng)，對壓力離散采用PRESTO法，對動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)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(dú)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(jì)算的關(guān)鍵。在本文中需要涉及到壁面邊界和進(jìn)出口邊界。進(jìn)口的邊界取混合液的入口速度，同時(shí)確定第二相的體積分?jǐn)?shù)。氣體出口和液體出口設(shè)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(nèi)表面為旋轉(zhuǎn)壁面。對于紊流需要說明性質(zhì)。假設(shè)流場為全湍流場，速度入口的流動(dòng)充分的發(fā)展，入口的湍流強(qiáng)度為5%，湍流粘性比為10%。當(dāng)殘差下降到時(shí)，并且進(jìn)、出口的流量誤差小于5%時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂。氣液分離器內(nèi)主要包括速度場、壓力場及各相體積分?jǐn)?shù)的分布。下面以本設(shè)計(jì)工況下分離器內(nèi)流場分布為例分析其特點(diǎn)。工作介質(zhì)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?jǐn)?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(jìn)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(nèi)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(jìn)入分離氣后，鉆井液的速度場在進(jìn)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(jìn)口管進(jìn)入分離器后確實(shí)產(chǎn)生產(chǎn)生了強(qiáng)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(shí)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?jǐn)?shù)如圖812所示。由圖812可以看出，氣液混合物經(jīng)過分離后，在分離器的上半部分泥漿的體積分?jǐn)?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?jǐn)?shù)明顯高于進(jìn)口管附近的體積分?jǐn)?shù)，特別是在分離器的底部和排液管線中泥漿的體積分?jǐn)?shù)幾乎是100%，十分有利的證明了鉆井液在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)了氣液的分離。由圖813可以看出在氣體出口管內(nèi)充滿氣體，攜帶液量可以忽略。在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的截面內(nèi)，含液量隨著半徑的增大而增大，這是因?yàn)殡x心力與半徑的平方成正比關(guān)系，在強(qiáng)旋流場中，高密度的液相沿徑向向外運(yùn)動(dòng)拋向壁面，較小密度的氣相向中心聚集轉(zhuǎn)而向上運(yùn)動(dòng)。圖812 縱向剖面泥漿體積分?jǐn)?shù)分布圖圖813縱向剖面氣體體積分?jǐn)?shù)分布分離效率計(jì)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(shè)計(jì)氣液分離器的分離效率：=61離心式氣液分離器設(shè)計(jì)第九章 結(jié)束語本文從結(jié)構(gòu)上對用于鉆井中泥漿處理的旋流式分離器進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并對分離器的各重要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)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(diǎn)，使得該分離器在鉆井過程中用于泥漿的處理具有實(shí)用性和可靠性，并具有廣闊的前景。參考文獻(xiàn)[1]董大勤，袁鳳隱主編，壓力容器與化工設(shè)備實(shí)用手冊，第一版。 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[2]賀匡國主編，化工容器及設(shè)備簡明設(shè)計(jì)手冊，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[3]卓震主編，化工容器及設(shè)備，第一版，北京：中國石化出版社，[4]鄒廣華，劉強(qiáng)主編，過程裝備制造及檢測，第一版，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[5]張德姜，趙勇主編，石油化工管道設(shè)計(jì)與安裝，第一版， 北京：中國石化出版社，[6]韓占中，王敬，蘭小平主編，F(xiàn)LUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例應(yīng)用，第一版， 北京：北京理工大學(xué)出版社，[7]魏崇光，鄭曉梅主編，化工工程制圖，第一版， 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，[8]雷文平等主編，Solid Works 2001，第一版， 北京：清華大學(xué)出版社，[9]劉朝儒，高政一等主編，機(jī)械制圖，第四版，北京：高等教育出版社 ，[10]成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，第四版，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，[11]曹學(xué)文， 黃慶宣 新型管柱式氣液旋流分離器 天然氣工業(yè) 2002 22(2) [12]學(xué)成， 山本恭二 開孔圓筒式液體旋流分離器的研究 通風(fēng)除塵 1998 17(1)[13]朱浩東， 楊敏 國內(nèi)外旋流分離器特點(diǎn)及發(fā)展方向 石油機(jī)械 1994 22(12)[14]陳麗萍. 立式重力氣液分離器工的工藝設(shè)計(jì) 天然氣化工:C1化學(xué)與化工 1999， 24(2)[15]， 王曉鳳. 李太平結(jié)構(gòu)緊湊的分離器系列 國外油田工程 2000，(8)[16]賈建貞， 張寶彥， 劉景云. 欠平衡鉆井液氣分離器的研制與應(yīng)用 石油機(jī)械 2001，(7)[17]， 李太平. 水力旋流分離系統(tǒng)的發(fā)展 國外油田工程 1999，(7)[18]袁惠新， 王躍進(jìn). 旋流分離技術(shù)在石油、石化工業(yè)中的應(yīng)用 化工設(shè)備與防腐蝕 2002，(3)[19]曹學(xué)文，黃慶宣. 新型管柱式氣液旋流分離器設(shè)計(jì)與應(yīng)用， 天然氣工業(yè) 2002， 22(2)[20]吳粵燊主編, 壓力容器安全技術(shù)手冊, 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，.[21]張康達(dá)，洪起超主編. 壓力容器手冊(上/下), 北京:勞動(dòng)人事出版社, [22]家禎主編, 壓力容器材料實(shí)用手冊（第一版）, 北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備和信息工程出版社 , 2000. 7 [23]吳粵榮主編 . 壓力容器