【正文】 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(cè)，第一版。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(duì)較小，維修量小，工作穩(wěn)定。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(chǎng)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)。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?；旌弦喊l(fā)生氣液分離后，各相按一定的比例濃度分布。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。鉆井液密度1500kg/, %，,以下為靜壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及體積分?jǐn)?shù)的分布情況.圖83 縱向剖面泥漿壓力場(chǎng)分布圖圖84混合液的速度場(chǎng)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(chǎng)圖88 Z=圖89 Z=圖810 排液口流場(chǎng)矢量圖圖811 排氣口附近流場(chǎng)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。下面以本設(shè)計(jì)工況下分離器內(nèi)流場(chǎng)分布為例分析其特點(diǎn)。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。對(duì)于紊流需要說明性質(zhì)。氣體出口和液體出口設(shè)為壓力出口，表壓為0。在本文中需要涉及到壁面邊界和進(jìn)出口邊界。在分離式求解法中，獨(dú)立有序地求解速度和壓力各變量。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(duì)壓力離散采用PRESTO法，對(duì)動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，對(duì)速度和壓力耦合采用SIMPLE算法。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。在分離器進(jìn)口管附近的流動(dòng)區(qū)域，流場(chǎng)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)梯度比較大，網(wǎng)格要求加密。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。通過軟件之間的接口，調(diào)入到Gambit內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 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。 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。 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?！駵p小速度的欠松弛因子，～。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(chǎng)中形成旋渦或旋度的分布。對(duì)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。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。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。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。由于歐拉模型對(duì)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。 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。如果解顯示出好的收斂趨勢(shì)，可逐漸增加欠松弛因子。以下為混合模型和歐拉模型的求解策略。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。 解決多相流問題，先選擇最能符合實(shí)際的流體模式。不同相之間的動(dòng)量交換也依賴于混合物的類別。顆粒流（液—固）與非顆粒流（液—液）的處理是不同的。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。混合模型也可用于沒有相對(duì)速度的均勻多相流。在這種情況下，混合模型能取得較好的結(jié)果。混合模型是歐拉模型在幾種情況下的很好替代。典型的應(yīng)用包括預(yù)測(cè)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?；旌夏Ｐ秃蜌W拉模型主要用于模擬相間的混合和分離。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(duì)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。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?！?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)。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。離散相和流體相之間有動(dòng)量、質(zhì)量和能量的交換。 在Fluentzhong中的拉格朗日離散項(xiàng)模型遵循歐拉—拉格朗日方法。本文應(yīng)用RNGKε模型預(yù)測(cè)離心式分離器的內(nèi)流場(chǎng)。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。Kolmogorov定律：E（k）=k 。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。代數(shù)應(yīng)力模型（ASM）是雷諾應(yīng)力模型在一定條件下的簡(jiǎn)化表達(dá)式，表達(dá)式形式隨簡(jiǎn)化條件而異，由應(yīng)力代數(shù)表達(dá)式加上κ及ε方程構(gòu)成，因此又稱為擴(kuò)展的Kε模型或者2個(gè)半方程模型。在離心分離器內(nèi)流場(chǎng)中，因切速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向和軸向分量，因而，通常采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）、代數(shù)應(yīng)力模型（ASM）或RNG模型來代替Kε模型。大量的預(yù)報(bào)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表明，Kε模型可以成功或基本成功用于以下幾種情形：無浮力平面射流、平壁邊界層、管流、通道流或噴管內(nèi)流動(dòng)、無旋渦及弱旋的二維和三維流動(dòng)。在所有的雙方程模型中，Kε雙方程模型的應(yīng)用最為普遍，先后由周培源（1945）、HarlowNakayama(1968) 、JonesLaunder(1972)提出。Kolmogorov和Prandtl提出的單方程模型雖較半經(jīng)驗(yàn)理論有所改進(jìn)，且Cd和Cu值也較容易確定，但L值的確定并不比混合長(zhǎng)度的確定容易。由于只考慮了一階湍流統(tǒng)計(jì)量的動(dòng)力學(xué)微分方程，即平均運(yùn)動(dòng)方程，僅引人附加的代數(shù)關(guān)系而沒有引進(jìn)任何高階統(tǒng)計(jì)量的微分方程，因此屬于零方程模型。該模型的平均行為，應(yīng)與實(shí)際的湍流統(tǒng)計(jì)平均行為基本一致。因此統(tǒng)觀模擬當(dāng)前成為解決工程實(shí)際問題的有效手段。大渦流模擬（Large Eddy Simulation LES）是在大渦尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)求結(jié)N─S方程，由于計(jì)算量仍很大，只能模擬一些簡(jiǎn)單流動(dòng)，如彎道等，目前也不能直接用于工程。如文獻(xiàn)估算，對(duì)一個(gè)渦旋進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，至少要設(shè)置十個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣對(duì)于一個(gè)小尺寸范圍內(nèi)的紊流運(yùn)動(dòng)要在1cm 的流場(chǎng)中布置10個(gè)節(jié)點(diǎn)。該方法必須采用很少的時(shí)間和空間步長(zhǎng)。完全模擬、大渦流模擬屬于細(xì)觀模擬。湍流的出現(xiàn)影響著整個(gè)流場(chǎng)的速度、壓力、溫度和物質(zhì)濃度的分布。它最本質(zhì)的特征是“湍動(dòng)”，既隨機(jī)的脈動(dòng)。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的動(dòng)量方程為： （84）由于在FLUENT中忽略了 項(xiàng)，因此不能用動(dòng)量方程的相對(duì)速度表達(dá)式準(zhǔn)確的計(jì)算隨時(shí)間變化的角速度。包含了其它的模型相關(guān)源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，絕對(duì)速度v或相對(duì)速度v的關(guān)系如下： （80）其中 ─角速度向量（即旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角速度）； ─旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的位置向量 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）： （81）其中源項(xiàng)上假如到連續(xù)性相的第二相質(zhì)量（比方說由于液滴的蒸發(fā)，質(zhì)量發(fā)生變化），源項(xiàng)也可以是自定義源項(xiàng)。FLUENT可以在慣性坐標(biāo)系（無加速坐標(biāo)系）和具有加速度的參考坐標(biāo)系（旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系）中建立流動(dòng)模型。對(duì)于包括組分混合和反應(yīng)的流動(dòng)，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來解混合分?jǐn)?shù)的守恒方程。 控制方程對(duì)于所有的流動(dòng)問題，F(xiàn)LUENT需要求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。Gambit是前置處理器，能針對(duì)極其復(fù)雜的幾何外行生成三維四面體，六面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)及混合網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用領(lǐng)域包括：航空航天、汽車設(shè)計(jì)、生物醫(yī)藥、化學(xué)處理、石油天然氣，發(fā)電系統(tǒng)、電子半導(dǎo)體、蝸輪設(shè)計(jì)、HVAC、玻璃加工等。這在一定程度上限制了商業(yè)軟件在工程實(shí)際中的應(yīng)用?！?使用方便，商業(yè)軟件都提供了比較友好的用戶界面，方便用戶的使用?！?計(jì)算穩(wěn)定性好。相比研究單位自行開發(fā)的計(jì)算程序，商業(yè)計(jì)算軟件一般具有以下特點(diǎn)： ● 通用性廣。將CFD工具運(yùn)用到分離機(jī)械的研究中，也成為工程技術(shù)人員改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高效率的有效手段，是CFD應(yīng)用的前沿?！兜秃辖痄撾姾笚l》選用焊條牌號(hào)J507，型號(hào)E5015。根據(jù)GB1247070選用焊劑的牌號(hào)HJ431型號(hào)HJ401H08A. ,對(duì)焊縫進(jìn)行100%的射線探傷檢測(cè),要求符合GB332587中的Ⅱ級(jí)為合格. 1. 筒體與接管的焊接接頭型式和尺寸選用G2 GB205831998,其示結(jié)構(gòu)如圖2所示.2. 根據(jù)GB/T51895《低合金鋼電焊條》選用焊條牌號(hào)J502，型號(hào)E5003。=170=170MPa 故筒體的強(qiáng)度滿足要求最大組合軸向壓應(yīng)力，出現(xiàn)在停車情況下： （78）穩(wěn)定條件：中的較小值 （79）（1） 計(jì)算B值。根據(jù)參考文獻(xiàn)[24]，材料：16Mn,： SH340692. （1） 設(shè)備操作重量： （67）容器殼體和支座的重量容器內(nèi)部構(gòu)件的重量容器保溫材料的重量平臺(tái)、扶梯的重量操作時(shí)容器內(nèi)物料的重量人孔、接管、法蘭等附件的重量=+0+0+111++=(2)計(jì)算分離器各段載荷，所取截面如圖1所示圖61各段載荷計(jì)算如下表所示各段載荷011223（kgf）（1） 計(jì)算風(fēng)載荷: （68） 以12段為例計(jì)算風(fēng)載荷：設(shè)備所在地的基本風(fēng)載荷，取烏魯木齊的基本風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算=60高度變化系數(shù)，由[2]表166得=12段分離器高度，=2m空氣動(dòng)力系數(shù)，對(duì)圓筒形設(shè)備=風(fēng)振系數(shù)，計(jì)算段頂截面距地面高度系數(shù), 由[2]表164得= 設(shè)備基本振型自振周期變化系數(shù)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)氣液分離器是等直徑厚壁設(shè)備，故由[2]表165得=1，直立設(shè)備有效直徑，容器各段外直徑，mm容器各段保溫層厚度，mm籠式扶梯當(dāng)量寬度，mm操作平臺(tái)當(dāng)量寬度，mm=m=同理可求出分離器各段風(fēng)載荷于下表所示計(jì)算各段載荷0112231（kgf）602平臺(tái)數(shù)0110(2)計(jì)算風(fēng)彎矩容器任意計(jì)算截面II的風(fēng)彎矩計(jì)算公式: （69）分離器各截面的風(fēng)彎矩計(jì)算結(jié)果如下表:截面彎矩00 1122任意截面的地震彎矩: （70）等直徑、等壁厚設(shè)備任意截面計(jì)算截面II地震彎矩: （71）底部截面的地震彎矩: （72）(當(dāng)時(shí)，視設(shè)備為柔性結(jié)構(gòu)，則需考慮高振型的影響，在進(jìn)行穩(wěn)定或其他驗(yàn)算時(shí)，)式中:c結(jié)構(gòu)影響系數(shù)，對(duì)直立圓筒形容器取c=地震影響系數(shù)，這里取最大地震時(shí)影響系數(shù)=Q0 自計(jì)算截面以上的操作載荷塔頂至第 I段(含第i段)的高度,mh計(jì)算截面距地面的高度,m計(jì)算截面以上集中重量QX的作用點(diǎn)距地面的高度,m 度處,集中載荷引起的水平地震載荷,N各截面的地震載荷計(jì)算如下表:截面各截面的地震彎矩00，故分離器為柔性構(gòu)件1122偏心彎矩因?yàn)闆]有偏心載荷，故設(shè)計(jì)壓力引起的軸向應(yīng)力: （73）操作或者非操作時(shí)重力引起的軸向應(yīng)力: （74）彎矩