注气对油水分离水力旋流器流场影响模拟分析.pdf

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1、第41卷第3期化工机械345注气对油水分离水力旋流器流场影响模拟分析赵健华+杨威胡大鹏(大连理工大学化工机械学院)摘要采用雷诺应力湍流模型、混合模型和离散相模型对注气型油水分离水力旋流器进行数值模拟，得到其内部流场的速度分布和油滴粒子运动轨迹，分析对比了注气前后进口流量、分流比和充气量对分离效率的影响，数值计算结果与文献实验值进行了比较。结果表明，充气后流场速度增加，油滴粒子逃逸时间缩短，旋流器分离效率提高5％一10％，在一定条件下气浮对旋流分离起到强化作用。关键词水力旋流器气浮油水分离分离效率数值模拟中图分类号TQ051．8+4文献标识码A文章

2、编号0254-6094(2014)03-0345-05在油田后期的二次、三次采油中，由于采出液中含水量高达80％以上，同时聚合物驱及三元复合驱等采油技术的推广应用，使得含油污水中聚合物含量及其乳化程度增加，油滴粒径变小，采用常规水力旋流器处理采出污水难度加大，分离效率降低。为了提高旋流分离性能，在旋流技术研究中采取了优化旋流器结构、强化旋流流场及气浮与旋流组合等多种措施，以满足含油污水分离要求：卜3。。气浮与旋流分离相结合产生出来的注气式油水分离水力旋流器，是在常规液一液水力旋流器基础上向旋流器内部注入气体，利用气泡对微小油滴的携带作用所产生的气

3、浮效应，提高其分离效率。对注气式水力旋流器的研究，目前主要采用实验手段，研究注气方式、操作条件及结构参数等对分离性能的影响H“]。笔者采用计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)方法对注气式油一水分离水力旋流器进行数值模拟，对比分析注气前后旋流器内部流场变化情况，研究了在入口注气条件下气液体积比、进料流量及分流比等操作参数对分离效率的影响，并将计算结果与文献实验值进行比较。1几何模型及网格划分1．1几何结构以双锥型油水分离旋流器为原型，以适当方式向旋流器内注入气体便得到注气式水力旋流器模型。注气方式分为：入1

4、3注气、旋流腔微孔注气及锥段单点注气等，其中以人口注气的效果最好¨。。笔者拟采用人口注气方式，即将压缩空气经旋流器入口注入，与原料液混合后一同进入旋流器内，其结构如图1所示。旋流器主要结构参数：D=48mm，D。=20ram，Di=8mm，D。=8mm，D。=lOmm，d1：30o，O／2=1．5o，L=30mm，Ll=48mm，L。=400ram。坐标建立，以旋流器轴线为z轴，底流口所在平面为菇一Y平面，坐标原点位于底流口圆心处。妊一一图1注气式液一液水力旋流器结构示意图1．2网格划分应用Fluent前处理软件Gambit生成几何模型，进行网格

5、划分。采用三维模拟的结构六面体网格模型，进行区域离散化，把一个复杂的几何体t赵健华，女，1989年12月生，硕士研究生，辽宁省大连市，116024。346化工机械2014年分解成可六面体网格化的小体，对单个区域网格化后将体与体之间的面设置成内部表面。在流场参数变化较大的近壁区及人13附近设置边界层网格，并进行网格细化，其余区域设置稀疏网格，人口附近局部网格如图2所示。图2旋流器三维网格模型(局部)2数学模型及计算方法2．1数学模型注气式油水分离水力旋流器内部流场处于油一气一水三相复杂状态，为了模拟流场特征和分离特性，笔者采取多相流模型中的混合模型

6、(Mix—tureModel)与离散相模型(DiscretePhaseModel，DPM)相结合的方式，先采用欧拉一欧拉方法的混合模型模拟计算充气时气泡对水相流场的影响，获得双相耦合情况下的水相流场分布。在此基础上采用欧拉一拉格朗日方法的离散相模型模拟加入油滴粒子后分散相油滴的运动轨迹。湍流模型采用雷诺应力模型(RSM)，该模型适合于描述具有各向异性的强旋流动的复杂流场。2．2边界条件及数值计算方法速度入口：双侧进料口定义为速度入口，设置入口处物流各组成的物性参数、体积分数、速度和介质进入时的湍流状况。压力出13：溢流口和底流口分别定义为压力出口

7、，溢流出口压力P。=0．0MPa，底流出口压力P。=0．2MPa。壁面：旋流器边壁为无滑移固壁，与其接触的流体的相对速度为零，在近壁处采用非平衡壁面函数法处理计算近壁处流场。分散相：假设油滴为球形，气体为球形气泡，在入口处分散相在连续相中均匀分布；忽略分散相粒子间的相互作用，颗粒湍流扩散模型选用随机游走模型。对流一扩散项的离散格式采用有限体积法的QUICK格式，它适用于六面体网格，具有较高精度。压力一速度场求解采用基于RSM模型的SIMPLEC算法。入口介质的物性和参数设定见表1。表1入口介质物性参数3计算结果及分析3．1油滴粒子轨迹图3所示分别

8、为注气前后旋流器内油滴粒子轨迹图。由图3可以看出，未注气时油滴粒子在外旋流的迹线密度较大，逃逸所用最长时间为0．795s；注气后油滴粒子