【正文】 環(huán)境靜壓。出口通風(fēng)（outlet vent）：出口邊界條件用于模擬出口通風(fēng)情況并給定一個損失系數(shù)以及環(huán)境（出口）壓力和溫度。進(jìn)口通風(fēng)（inlet vent）：進(jìn)口通風(fēng)邊界條件需要給定入口損失系數(shù)流動方向和進(jìn)口環(huán)境總壓和總溫。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。對于有回流的出口，該邊界條件比outflow邊界條件更容易收斂。質(zhì)量入口邊界條件主要用于可壓縮流動，對于不可壓縮流動，由于密度是常數(shù)，可以用速度入口條件。壓力入口邊界條件通常用于流體在入口處的壓力為已知的情形，對計算可壓和不可壓問題都適合。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。邊界條件的給出對于后續(xù)的應(yīng)用FLUENT求解器進(jìn)行計算有重要意義，此處可初步給定邊界條件的類型，而在應(yīng)用FLUENT進(jìn)行計算時可進(jìn)一步準(zhǔn)確定義邊界條件。操作為：Operation→Mesh→Volume→Mesh Volumes 在劃分體網(wǎng)格對話框中輸入相關(guān)參數(shù)，如選擇要劃分的幾何體，確定體網(wǎng)格劃分方案，網(wǎng)格元素類型，網(wǎng)格大小等。Stairstep：創(chuàng)建規(guī)則六面體網(wǎng)格和一個對應(yīng)的由小面的體，體和原來體的形狀大致相似。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。Submap（子規(guī)則網(wǎng)格）：將一個無法用Map方法創(chuàng)建網(wǎng)格的體拆分成幾個可用Map劃分網(wǎng)格的區(qū)域，并在每個區(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方法劃分每個區(qū)域）。除了上述方法之外還可以應(yīng)用GAMBIT直接對體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此種方法簡單，整個體可以按照相同的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對計算機(jī)的處理能力要求較低，本文采用此種劃分網(wǎng)格方法。但此種方法對幾何體的幾何結(jié)構(gòu)要求較高，在實現(xiàn)了面網(wǎng)格劃分后對體網(wǎng)格的劃分要求比較高，可以應(yīng)用的體網(wǎng)格劃分方法比較有限。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。 圖36導(dǎo)入到GAMBIT中的螺旋管模型在GAMBIT中得到螺旋管模型之后，可以應(yīng)用GAMBIT的建模功能對螺旋管增加長度為400mm的入口部分。啟動進(jìn)入GAMBIT后，選擇FILE→IMPORT→ACIS命令即可選擇文件，進(jìn)而將AUTOCAD文件導(dǎo)入GAMBIT中。圖35 增強(qiáng)視覺效果后的螺旋管模型第八步：將生成的螺旋管模型輸出為SAT格式操作：文件→輸出→在對話框中選擇ACIS（*.SAT） GAMBIT能夠讀入多種文件格式，其中CAD文件需要輸出格式為SAT格式。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。應(yīng)用此方法建立的螺旋線模型如下圖所示。可采用AUTOCAD建模后導(dǎo)入GAMBIT的方法。 螺旋分離部分建模螺旋分離部分主要分離原件為螺旋管，螺旋管高度為600mm，螺旋圈數(shù)為6，旋轉(zhuǎn)半徑為200mm，螺旋管半徑為30mm，模型以真實尺寸的十分之一建模。s，操作壓強(qiáng)為101325Pa?？闪罡髯兞垦貓A周方向的梯度為零，即： （226） 第3章 螺旋分離部分兩相紊流數(shù)值模擬 模型相關(guān)初始參數(shù)的設(shè)定計算中所取物性參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場考察綜合選定為：油的密度860kg/m3，的值不是通過求解有限差分方程，而是根據(jù)代數(shù)方程來計算，已知值后，的可按下式計算：(225)式中：l的值由混合長度理論計算出。4）對第一個內(nèi)節(jié)點P上的和的確定方法作出選擇。據(jù)此式，可導(dǎo)出第一個內(nèi)節(jié)點上的的計算式。2）在劃分網(wǎng)格時，將第一個內(nèi)節(jié)點P布置到對數(shù)分布律成立的范圍內(nèi)，即配置到旺盛湍流區(qū)域。當(dāng)邊界層流動中脈動動能的產(chǎn)生和耗散相平衡時，它與常規(guī)定義一致。在這一定義中只有時均值u而無湍流參數(shù)。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。壁面函數(shù)可以提供近壁區(qū)網(wǎng)格內(nèi)平行于壁面的速度分量與壁面應(yīng)力的關(guān)系以及紊能產(chǎn)生和耗散等信息。由于很難在近壁區(qū)實施精確測量，以及精密網(wǎng)格大大增加了計算機(jī)的容量和計算時間，使得低雷諾數(shù)湍流模型的發(fā)展速度和應(yīng)用范圍受到影響。處理近壁區(qū)的方法有兩種：低雷諾數(shù)湍流模型和壁面函數(shù)法。而近壁區(qū)的流動屬于低雷諾數(shù)湍流。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)?？刹捎靡韵鹿接嬎悖? (212) (213)式中：D：入口圓筒直徑；：入口當(dāng)量直徑；：入口傾角。參照重力分離原理，根據(jù)處理量范圍和預(yù)期離心加速度值即可確定螺旋管的截面直徑、螺旋管圈直徑、圈數(shù)。螺旋管中實現(xiàn)液滴分離的條件是液滴加速運(yùn)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(yùn)動時間。D2－螺旋管圈直徑，m 。液中氣泡在合力作用下向螺旋管內(nèi)上側(cè)運(yùn)動。液滴在螺旋管垂直剖面徑向受力分析如圖42所示，作用在液滴上的力有重力G、離心力Fl、氣體浮力L、合力為F，氣體阻力R。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，計算中常取（1～2）103m； －分離條件下原油動力粘度，Pa?s。氣體對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。液滴受力分析如圖41所示，作用在液滴上的力有重力G、氣體浮力L、氣體阻力R。液體中的氣泡受到浮力與自身重力和原油阻力的合力作用上浮，在立式分離器中，氣泡上浮方向與液位下降方向相反，氣泡能夠浮出液面的必要條件是：氣泡的上浮速度大于液面平均下降速度。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。氣液混合流體經(jīng)螺旋分離過程之后實現(xiàn)分離，分離出的液體在分離器下部聚集，沉降到一定程度后經(jīng)下部的排液口排出，而分離出的氣體則經(jīng)重力沉降部分沉降攜帶的液滴后進(jìn)入集氣部分匯聚然后經(jīng)上部氣體出口排出。當(dāng)流體含氣量很少或總體流量較小時，分離器主要依靠集氣部分和集液部分進(jìn)行重力分離。 螺旋管復(fù)合氣液分離器工作原理分析大體上來說分離器的工作原理是：氣液混合流體首先通過混合液流進(jìn)口進(jìn)入螺旋分離部分的螺旋管，隨即產(chǎn)生離心加速度，在離心力和重力共同作用下密度大的液體向管道外下側(cè)聚集，密度小的氣體向管道內(nèi)上側(cè)聚集，在螺旋管道內(nèi)上側(cè)開孔，即可排出氣體。液封段，設(shè)計高度H4=400mm。液體儲存段h，以原油在分離器內(nèi)需要停留的時間確定。擬在螺旋管的末端安裝入口分流器，將螺旋管末端作為重力沉降分離部分的出口端，入口分離段主要用于對經(jīng)過旋流分離得到的氣液組分進(jìn)行進(jìn)一步分離，經(jīng)過此部分分離之后，液體靠重力進(jìn)入儲液部分，氣體上升進(jìn)入集氣部分。集液部分，由入口分離段、液體儲存段、液封段組成。螺旋分離部分主要由螺旋管分離原件組成。相關(guān)文獻(xiàn)推薦H2不小于600mm。H2愈小，氣體流向出口的速度愈不均勻，愈易帶出油滴。 螺旋分離部分，分離器的旋流分離部分，同時也作為立式容積式分離器的沉降分離段，設(shè)計高度H2=700mm。主要包括的分離原件為除霧器。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)計高度H1=400mm，內(nèi)徑600mm。相關(guān)文獻(xiàn)表明，所以此分離器徑高比符合要求。整個分離器可以分為三個組成部分：集氣部分、螺旋分離部分、集液部分。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。第2章 螺旋管復(fù)合氣液分離器工作原理分析螺旋管復(fù)合氣液分離器，屬復(fù)合式氣液分離器。得到了GAMBIT等軟件建立的網(wǎng)格文件之后就可以應(yīng)用FLUENT求解器進(jìn)行流體動力學(xué)計算。其通過構(gòu)筑結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對指定流場的偏微分方程或積分方程進(jìn)行離散，進(jìn)行離散的方法有有限差分法、有限元法、有限體積法等，GAMBIT使用的就是有限體積法。GAMBIT包含功能較強(qiáng)的幾何建模能力和強(qiáng)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。FLUENT軟件包包括以下幾個軟件：FLUENT求解器—FLUENT軟件的核心，所有計算在此完成；prePDF—FLUENT用PDF模型計算燃燒過程的預(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識別的網(wǎng)格文件。 FLUENTCFD軟件簡介FLUENT軟件是目前市場上最流行的CFD軟件，它在美國的市場占有率達(dá)到60%，在中國也是得到最廣泛應(yīng)用的CFD軟件。 GomezLE在顆粒軌跡模型的基礎(chǔ)上對重相氣液兩相旋流分離中顆粒運(yùn)動軌跡分布進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并預(yù)測了GLCC中氣泡夾帶和操作性能的情況。模擬結(jié)果與LDV實驗測量的速度分布趨勢非常相似。模擬顯示在旋流器內(nèi)高的切向速度在進(jìn)口處，且這一較高的切向速度隨軸向和徑向衰減。而雷諾應(yīng)力輸運(yùn)模型的預(yù)測與所有3個渦旋量的測定輪廓趨勢非常吻合，盡管正常湍動應(yīng)力比預(yù)測的高，還有些差異需要進(jìn)一步改進(jìn)。近年來，人們分別采用kε模型、RNG—kε模 型和RSTM模型對旋風(fēng)分離器進(jìn)行了大量的CFD 模擬研究，通過與LDV流場測定對照評定了預(yù)測旋風(fēng)器中強(qiáng)渦旋流動的3種湍流模型的表現(xiàn)。 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。這些分析方法大部分對線性方程是有效的，對非線性方程則不是有效的。有些問題，其機(jī)理尚未完全清楚，很難有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此限制了數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)值模擬也存在一定的局限性。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(yùn)行過程中各種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)等。計算流體力學(xué)是多領(lǐng)域交叉的學(xué)科，涉及計算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論、數(shù)值分析等多學(xué)科。計算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計算機(jī)實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體動力學(xué)實驗設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生了巨大的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的推廣普及和計算方法的不斷發(fā)展，幾十年來CFD技術(shù)取得了蓬勃的發(fā)展。它以電子計算機(jī)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(jī)模擬和分析研究，以解決各種實際問題。 計算流體力學(xué)(CFD)簡介 CFD概述CFD(Computation Fluid Dynamics)技術(shù)，即計算流體力學(xué)技術(shù)，是一種用于分析流體流動性質(zhì)的計算技術(shù)，包括對各種類型的流體在各種速度范圍內(nèi)的復(fù)雜流動在計算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值模擬計算。由于受氣一液兩相流體力學(xué)發(fā)展的限制 ，加上不確定的因素較多，計算復(fù)雜，目前雖然氣液旋流分離技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成效，但從整體上看，理論研究落后于實際應(yīng)用。氣液旋流分離技術(shù)作為一種結(jié)構(gòu)簡單、新型、高效、緊湊的氣液分離技術(shù)，具有阻力小，耗能少，分離效率高等優(yōu)點，已成為工業(yè)新型氣液分離技術(shù)的熱點。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)。由于具有廣闊的使用前景和顯著的優(yōu)點，人們對氣液旋流分離技術(shù)也開展了大量的試驗和理