【正文】 論研究。隨著旋流器應(yīng)用的日益廣泛，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)旋流器的結(jié)構(gòu)、尺寸、流場(chǎng)特性進(jìn)行了大量研究，并相繼提出了各種分離理論，但多集中于氣固分離的旋風(fēng)分離器和用于液固、液液分離的水力旋流分離器。旋流分離是一種高效的多相流分離技術(shù)，它是在離心力的作用下根據(jù)兩相或多相之間的密度差來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相或多相分離的。同時(shí)從環(huán)境和安全考慮，它又可明顯降低烴的殘留量。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。傳統(tǒng)的容積式氣液分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但其體積龐大，占地面積大，處理時(shí)間較長(zhǎng)，能耗大。容積式氣液分離器一般采用重力沉降罐的結(jié)構(gòu)形式，采用氣液重力沉降分離原理。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。 油氣分離工藝發(fā)展簡(jiǎn)述氣液分離過(guò)程通常是在氣液分離器中進(jìn)行，氣液分離器是油氣田用的最多、最重要的設(shè)備之一。 Numerical Simulation 目 錄第1章 概 述 1 油氣分離工藝發(fā)展簡(jiǎn)介 1 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)簡(jiǎn)介 3 FLUENTCFD軟件簡(jiǎn)介 5第2章 螺旋管復(fù)合氣液分離器工作原理分析 6 6 8 12第3章 螺旋分離部分兩相紊流數(shù)值模擬 15 模型相關(guān)初始參數(shù)的設(shè)定 15 螺旋分離部分建模 15 應(yīng)用GAMBIT對(duì)螺旋管進(jìn)行前處理 17 應(yīng)用FLUENT對(duì)螺旋管內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算 22 內(nèi)部流場(chǎng)的模擬結(jié)果分析 26第4章 螺旋分離部分的優(yōu)化設(shè)計(jì) 31 優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的及意義 31 螺旋分離部分運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化 31 螺旋分離部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 39結(jié)論 46參考文獻(xiàn) 47致謝 48第1章 概 述氣液分離作為油氣集輸?shù)氖滓A段在整個(gè)集輸系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，氣液分離質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)的油氣計(jì)量，原油、天然氣凈化等工藝流程的進(jìn)行有著重要意義，對(duì)最終的油氣產(chǎn)品質(zhì)量也有著不可忽視的影響。 Gas/Liquid Separation。在此基礎(chǔ)上，以提高分離效率為目的對(duì)螺旋管復(fù)合氣液分離器的整體結(jié)構(gòu)、運(yùn)行參數(shù)、螺旋分離部分的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了螺旋分離部分最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸和分離器最佳的運(yùn)行參數(shù)。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。摘 要螺旋管復(fù)合氣液分離器是一種新型的復(fù)合式氣液分離器，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、重量輕、易于安裝等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段主要用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)分離器的分離性能和操作性能進(jìn)行研究。 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)。關(guān)鍵詞：旋流分離器；氣液分離；優(yōu)化；數(shù)值模擬AbstractThe toroid posite knockout is known as a new posite knockout, which has the pact position, light weight, low power used and can be easily fixed. At the moment, the mean method to research the performance of the separation and operation is the experimental means. The research cycle and experimental funds will be decreased as well as the acquirement of the integrity cyclone interior flow regime information, if the theoretical analysis calculation and the numerical simulation of the flow field can be used to research the movement law of the fluid in the knockout and the effect of the position size to the separation efficiency and the pressure drop. Movement laws for fluid in toroid posite knockout were simulating analyzed by the FLUENT, according to the theory and method of CFD, basing on numerical simulation of flow field. And the internal movement laws was given. At the same time, by using the above method, the overall structure, the operational parameter of the toroid posite knockout and the position size of the toroid have been optimized to enhanced the separation efficiency, which is also succeed in the practical use. Key words: Cyclone Separator。 Optimization。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法和工具軟件可有效的對(duì)各種分離器內(nèi)部流場(chǎng)分布、分離原理進(jìn)行模擬分析，從而得到最佳的分離效率。有時(shí)候分離器也作為油氣水以及泥沙等多相的分離、緩沖、計(jì)量之用。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。按其外形可以分為臥式、立式、臥式雙筒分離器、過(guò)濾式分離器。特別是對(duì)于海上油田的油氣生產(chǎn)運(yùn)行來(lái)說(shuō)，獨(dú)特的生產(chǎn)環(huán)境使得容積式氣液分離器的應(yīng)用受到很大的限制。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)。因而氣液旋流分離技術(shù)具有廣闊的工程應(yīng)用前景，近年來(lái)已日益成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)技術(shù)。人們對(duì)旋流器的研究由來(lái)已久，自從1886年Marse的第一臺(tái)旋粉圓錐形旋風(fēng)分離器問(wèn)世以來(lái)，旋流分離技術(shù)已廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、造紙等行業(yè)。許多研究者已相繼提出各種各樣的分離理論，已經(jīng)有了比較完善的分離理論，設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用實(shí)踐。但與氣固、液固分離不同，氣液兩相流動(dòng)過(guò)程中顆粒（液滴或氣泡）的碰撞、團(tuán)聚、和擴(kuò)散激勵(lì)更加復(fù)雜，由于不確定的因素較多，計(jì)算復(fù)雜，同時(shí)受氣液兩相流發(fā)展的限制，使氣液旋流分離的研究遠(yuǎn)滯后于旋風(fēng)分離器和水力旋流器。目前，國(guó)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。正成為石油、天然氣開(kāi)采工業(yè)井口、井下油氣分離的重要設(shè)備，并被廣泛應(yīng)用于壓縮空氣中的油水分離、航空宇宙中的氦氣分離、生物發(fā)酵以及食品工業(yè)的尾氣處理、工業(yè)廢氣的凈化處理、化工生產(chǎn)以及環(huán)境工程中的氣液分離等工藝中，顯示了良好的工程應(yīng)用前景。對(duì)于旋流器內(nèi)部氣一液兩相三維強(qiáng)旋湍流的流動(dòng)機(jī)理以及顆粒的碰撞、團(tuán)聚和擴(kuò)散機(jī)理，還缺乏系統(tǒng)而透徹的研究，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流場(chǎng)分布的進(jìn)一步的理論分析以及CFD研究還有待發(fā)展建立能反映其流動(dòng)機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的分離效率和壓力降的定量計(jì)算公式；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)立規(guī)范的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是氣液旋流分離技術(shù)研究迫切需要解決的問(wèn)題。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。它通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的相關(guān)信息。計(jì)算流體力學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、動(dòng)量和自定義的標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報(bào)流動(dòng)過(guò)程的細(xì)節(jié)，并成為過(guò)程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計(jì)的有力工具。現(xiàn)在CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)計(jì)和研究部門。這些學(xué)科的交叉融合，相互促進(jìn)和支持，推動(dòng)著這些學(xué)科的深入發(fā)展。近些年來(lái)，作為研究流體流動(dòng)的新方法，CFD技術(shù)已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。首先，要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這不是所有問(wèn)題都能做到的。其次，數(shù)值模擬中對(duì)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行離散化處理時(shí)需要對(duì)計(jì)算中所遇到的穩(wěn)定性、收斂性等進(jìn)行分析。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。 1982年，Boyson等首先用CFD技術(shù)手段采用將kε模型和代數(shù)應(yīng)力方程相結(jié)合的具有湍動(dòng)各相異性的代數(shù)應(yīng)力模型 (ASM)對(duì)旋流器進(jìn)行了二維的模擬。CFD預(yù)報(bào)數(shù)值與LDV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照顯示，以渦旋粘度方法為基礎(chǔ)的湍流模型在預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)觀察到的合成渦旋時(shí)是失敗的，標(biāo)準(zhǔn)kε模型、RNGkε模型預(yù)測(cè)的軸向速度和切向速度分布是不真實(shí)的，不適用于旋風(fēng)流動(dòng)。對(duì)于氣液旋流分離器的CFD模擬研究起較晚，Erdal FM采用商業(yè)CFX軟件，分別用標(biāo)準(zhǔn)模型和雷諾應(yīng)力模型 (RSM)對(duì)GLCC內(nèi)部重相氣液旋流流場(chǎng)進(jìn)行 CFD研究，并與 LDV驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照。軸向速度顯示兩個(gè)區(qū)域：中心附近向上流動(dòng)的區(qū)域和壁面附近向下流動(dòng)的區(qū)域。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。 近年來(lái)，人們對(duì)旋流器進(jìn)行了大量的CFD研究，由于有關(guān)理論還不完善，以這些理論為基礎(chǔ)的CFD只能是在相當(dāng)程度上與真實(shí)流場(chǎng)的一種近似，各種模型和計(jì)算還需不斷的改進(jìn)。 FLUENT軟件的基本組成FLUENT軟件既然作為CFD軟件，就要為流體動(dòng)力學(xué)服務(wù)。 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(guò)FLUENT的前處理軟件GAMBIT進(jìn)行前處理。GAMBIT可以對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象建模，生成符合要求的網(wǎng)格，初步建立邊界條件。除GAMBIT之外，ICEMCFD、GridGen軟件也可以生成FLUENT計(jì)算網(wǎng)格，對(duì)于幾何模型的建立也可以通過(guò)CAD、IDEAS、Pro/E、Solid Works、Solid edge等軟件進(jìn)行。在FLUENT中通過(guò)對(duì)網(wǎng)格的處理、計(jì)算模型的選擇、求解參數(shù)的設(shè)定等操作可以得到流場(chǎng)的分布。結(jié)合了容積式氣液分離技術(shù)和旋流分離技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效果好、適應(yīng)流量和含氣量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 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。 圖21a螺旋管復(fù)合氣液分離器外觀視圖 圖21b螺旋管復(fù)合氣液分離器縱向剖切視圖整個(gè)分離器外觀呈圓柱筒形，設(shè)計(jì)總高H0=2400mm，桶內(nèi)徑D=600mm，有一個(gè)混合液流進(jìn)口，一個(gè)氣體出口，一個(gè)液體出口和一個(gè)底面的排污口。整個(gè)分離器可以分為三個(gè)組成部分：集氣部分、螺旋分離部分、集液部分。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。對(duì)于水平安裝的絲網(wǎng)除霧器，我國(guó)推薦集氣部分一般不小于400mm。實(shí)物設(shè)計(jì)中一般取H2=D，分離質(zhì)量的好壞與H2的大小有一定關(guān)系。H2過(guò)小還會(huì)使氣體中攜帶的油滴來(lái)不及由起始沉降速度達(dá)到勻速沉降，也就是說(shuō)此段高度較小會(huì)使氣液分離質(zhì)量變差，但實(shí)踐證明過(guò)長(zhǎng)的沉降段對(duì)改善分離質(zhì)量無(wú)明顯效果。所以我以700mm作為實(shí)物的沉降分離段尺寸。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。入口分離段，設(shè)計(jì)高度H3=600mm，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，入口分離段一般不小于600mm。氣液開(kāi)始進(jìn)入重力沉降分離過(guò)程。不同的生產(chǎn)要求，此部分的高度有所不同。為防止氣體竄入原油管路，實(shí)物高度一般不小于400mm。此過(guò)程即旋流分離過(guò)程。即此時(shí)采用容積式分離技術(shù)。也就是說(shuō)整個(gè)分離器的分離過(guò)程應(yīng)用了重力沉降分離原理和離心力分離原理。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(lái)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。為了便于分析計(jì)算，作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：液滴為球形，在沉降過(guò)程中既不破碎也不與其它液滴合并；氣體在沉降部分的流動(dòng)是穩(wěn)定的，任一點(diǎn)的流速不隨時(shí)間變化。圖24液滴受力圖重力與浮力的合力可由下式計(jì)算 （21）