气-液旋流分离器内气相时均流场的试验研究

采用多普勒激光测速仪对轴流式气-液旋流分离器内气相时均流场进行了测量研究,考察了导叶导角和流量变化对时均流场的影响。测量结果表明,在分离空间,切向速度分布呈现典型的Rankin涡结构,切向速度沿轴向衰减不明显,轴向速度由外围的下行流与内部的上行流构成,轴向速度随轴向向下而衰减。最大切向速度面与轴向LZVV面呈现与筒体相似的管锥形。对环形空间和集液槽内时均流场的结构进行了分析。环形空间与集液槽内切向速度分布趋势与分离空间内相似,集液槽内旋流强度远低于分离空间,最大轴向速度位置靠近轴心处。     

压力对旋风分离器内颗粒浓度分布影响的模拟

 为了分析压力变化对旋风分离器内颗粒浓度分布的影响，利用Fluent6.1软件, 气相流场采用修正的雷诺应力模型, 颗粒相运动采用颗粒随机轨道模型, 对0.1~6.5Mpa压力下旋风分离器内气、固两相流流场进行了模拟。结果表明，在入口浓度一定条件下，随着压力的升高，器壁颗粒浓度渐呈螺旋状灰带分布，旋风分离器内旋流区域的颗粒浓度减小，旋风分离器分离能力增强。压力增加一方面使气体切向速度增加，颗粒所受离心力增加；另一方面，气体的湍流强度增大，颗粒的扩散作用增强。当压力超过3.0 MPa后，压力增加对切向速度影响不大，而颗粒扩散增加，旋风分离器内旋流区域颗粒浓度增加，对颗粒分离不利。旋风分离器的径向颗粒浓度分布可以用指数函数描述，其中颗粒的径向速度、颗粒的扩散系数和边壁的颗粒浓度是影响颗粒浓度分布的主要因素。旋风分离器粒级效率随压力的增加而增大，当压力超过3.0 MPa后，压力增加对粒级效率影响不大。     

排气管直径对旋分器非轴对称旋转流场的影响

采用相位多普勒分析仪研究了4种不同排气管直径的旋风分离器气相非轴对称旋转流场。结果表明,实验测得的切向速度、轴向速度、湍流度分布与旋风分离器典型流场分布特点一致;随着排气管直径的减小,旋转中心与旋风分离器几何结构中心之间的偏心距也明显减小,其内部流场分布的非轴对称性减弱,有利于提高旋风分离器的分离效率,并降低因涡核摆动造成的摩擦阻力。说明合理地设置排气管直径是抑制单入口旋风分离器非轴对称旋转流动、提高旋风分离器性能的有效手段。     

旋风分离器内非轴对称旋转流场的测量

采用相位多普勒分析仪研究了不同入口旋风分离器气相非轴对称流场。首先采用圆管层流实验验证测量系统的准确性,然后考察不同入口结构下直筒型旋风分离器内部流场的分布特点。实验测得的切向、轴向速度、湍流度分布与旋风分离器典型流场分布特点一致。对比3种入口结构旋风分离器测量结果发现,随着入口结构轴对称性逐渐增加,其内部流场分布的非轴对称性明显减小,旋转中心与旋风分离器几何结构中心之间的偏心距也明显减小,有利于提高旋风分离器的分离效率并降低因涡核摆动造成的摩擦阻力。合理地布置入口结构是抑制单入口旋风分离器非轴对称旋转流动,提高旋风分离器性能的有效手段之一。     

排气管插入长度对旋流分离器分离性能的影响

旋流分离器的结构参数对内部流场分布和分离效率等有重要影响。采用数值模拟和室内试验相结合的方法研究了排气管插入长度对柱状旋流分离器分离性能的影响。模拟研究发现,排气管插入长度的加长会引起分离器内部切向速度和轴向速度的衰减,降低旋流强度,同时造成压力损失的增加;但排气管插入分离器内部能够改善分离器分离空间的旋流不稳定性。室内试验研究发现,随着排气管插入长度的增大,分离器高效运行区范围略有缩小。综合各种因素,排气管插入柱状旋流分离器内部可以提升其分离性能,但插入长度不宜过长,研究中的排气管插入长度宜为分离器筒体直径的0.5倍。     

排气管内置深度对气-液旋流分离器流动特性的影响

排气管在具有二级旋流分离机制的分离器中至关重要。模拟分析了排气管内置深度对气-液旋流分离器流动不稳定性、旋流场、短路流以及径向流量分布的影响。研究表明,增加排气管内置深度可更好地引导旋流,提高流场稳定性;随内置深度增加,分离空间准自由涡出现衰减,准强制涡强度增大,下行与上行轴向速度均减小,在排气管中形成一定强度的旋流,有助于实现二级分离功能;同时,分离器环形空间预分离能力增强,短路流量增加,单位长度零轴速包络面上的径向流量增加,排气管的二级分离功能有助于削弱短路流带来的负面影响。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

结构及操作参数对旋流器切向速度场的影响——液-液水力旋流器速度场研究之二

利用多普勒激光测速仪,结合流体力学理论,试验分析了双锥体水力旋流器结构和操作参数对切向速度场的影响。试验分析表明,大锥段和小锥段切向速度分布规律基本相同,均由准自由涡和准强制涡构成,分界面半径ｒｍ没有变化;随着小锥角θ的增加,准自由涡区缩小,准强制涡区扩大,速度梯度增加会加大液滴的乳化程度;随入口流量增加,切向速度增大,经拟合得出大锥段和小锥段的最大切向速度均为入口流量的４９４倍;分流比加大,分界面半径基本不变,最大切向速度增加。指出合理选择小锥角θ,控制操作参数如入口流量Ｑｉ和分流比Ｆ,可得到较好的分离效果。     

杆状内构件对旋风分离器流场和性能的调控

采用雷诺应力模型(Reynold Stress Model, RSM)和DPM模型(Discrete Phase Model, DPM)对增设杆状内构件的Stairmand型旋风分离器内的气固两相流动进行了数值模拟分析，考察了不同杆件位置对旋流流场特征和涡结构及分离效率的影响规律。计算结果表明，增设杆件于旋分器内部非轴心位置，随着杆远离几何中心切向速度先增大后减小，且当杆件置于外旋流区域时切向速度降低幅度更大。因此，杆件置于非轴心位置时能起到减阻的效果，且随着杆远离几何中心，减阻幅度先增加后减小，杆件位于外旋流时减阻幅度最大，最高可达38.3%。随着杆件远离旋风分离器几何中心，Stk₅₀先增大后减小，其分离性能先降低后升高。杆件置于轴心位置时，分离效率最高，同时压力降也最高。杆件位置的改变能影响旋风器的流场分布，从而影响其性能。可以根据应用场景的需求，选择合适杆件的位置。以高分离效率为标准时，可将杆件置于距离几何中心较近的位置，甚至置于几何中心处。以低能耗为标准时，可将杆件置于距离几何中心较远的位置。     

柱状气液旋流器的入口形式优化

柱状气液旋流分离器由圆筒、进口管(入口)、上部溢流口(出气管)、下部底流口(排液管)组成.入口管为整个旋流分离提供旋转动力,并决定了混合相的气液分布以及混合相进入柱状气液旋流分离器最初的切向速度.针对柱状旋流器的入口形式进行了数值模拟研究,模拟结果表明,入口倾角为30°,入口布置于0.08 L位置,采用矩形喷嘴及单入口形式将保证柱状气液旋流器具有最优的分离效果.     

旋流快分系统（VQS）环形空间内气相流场的研究

采用激光多普勒测速仪（LDV）对旋流快分系统（VQS）内环形空间的气相流场进行研究。结果表明，VQS系统内环形空间的气相流场具有双涡特性，内外涡的分界点处存在最大的切向速度。由于流体与双侧壁面之间的摩擦造成能量损失和湍流能量耗散，导致最大切向速度不断衰减且位置沿轴向向下逐渐向提升管外壁移动，同时涡量传递造成外部的准自由涡区逐渐增大，内部的准强制涡区逐渐缩小。轴向速度沿径向呈明显的线性分布，下行轴向速度沿提升管外壁向封闭罩内壁的径向方向逐渐增大。轴向速度的径向梯度沿轴向向下逐渐变小，轴向速度分布也逐渐趋于水平直线状。整个环形空间内，切向、轴向相对湍流强度分布稳定，湍流脉动与扩散比较平缓，有利于气流稳定下行，避免纵向环流、涡旋死区的发生。     

水力旋流器内部流体流动特性PIV实验

为了研究水力旋流器内部流体流动特性,利用激光粒子测速技术（PIV）对双切向入口双锥水力旋流器内部流体流动的全流场进行了测量,利用Tecplot进行了流场显示,切向速度、轴向速度和径向速度提取及涡量计算,并绘制了零轴向速度包络面（LZVV）。研究了不同流量条件下,水力旋流器旋流腔中流体的切向速度和径向速度分布特点、上锥段中流体轴向速度分布特点、上锥段中流体局部涡量特征、上锥段中流体零轴向速度包络面（LZVV）的分布特性。结果显示,水力旋流器旋流腔中的流体切向速度呈中心对称的凹抛物线形分布,旋转动量主要集中在器壁和气柱处,径向速度呈不对称的双M形分布,且靠近气柱处的径向速度比器壁处的要大。上锥段中流体的轴向速度呈不规则的M型分布,轴向速度与流量不呈十分一致的关系,而是随着流量的增加,轴向速度有波动。上锥段中径向上的局部涡量呈不规则的双M形分布,靠近旋流腔壁处,负涡量的绝对值较大;零轴向速度包络面（LZVV）为一近似不规则的圆锥面,双切向入口中流体流量和介质黏度影响LZVV面的形状和分布位置。     

两种油水旋流分离器的数值模拟对比分析

旋流分离器目前已作为一种高效节能的新设备进入含油污水处理的工业应用阶段。借助于计算流体动力学(CFD)的方法,得到了两种旋流分离器内切向速度分布、轴向速度分布,以及变流量下的压力曲线与效率曲线。结果表明:同向出流旋流分离器的倒锥在旋流腔和大锥段上部,对切向速度的影响不大,在大锥段的下半部分,从截面Ⅱ开始,双锥旋流分离器的切向速度迅速下降,而同向出流旋流分离器的倒锥结构使得切向速度维持在一个较高水平;在旋流腔和大锥段,双锥旋流分离器的轴向速度要大于同向出流旋流分离器的轴向速度,同向出流旋流分离器的倒锥结构没有使轴向速度增加,倒锥结构对切向速度影响更明显。同向出流旋流分离器的底流出口截面尺寸小,故其压力损耗大,同向出流旋流分离器的内置倒锥结构对旋流腔和锥段的压力损失影响较小。两种结构旋流器的简化效率曲线表明,双锥旋流分离器比同向出流旋流分离器更适应处理量相对较低的情况,其处理范围更广。     

新型GLCC分离器的结构优化研究

油气开采过程中普遍存在的多相流动严重影响生产效率,通过分离器有效实现气液分离是一种理想处理方法。在经典GLCC分离器基础结构上优化形成新型分离器,并基于FLUENT软件,采用雷诺应力RSM模型和Mixture模型对其分离效率进行验证计算。研究表明:稳流器扰乱流场准自由涡发展而避免底溢流口已分离的液相再次卷入旋流区,增加了气柱凝聚力,提高了分离效率;渐缩式锥形腔体可强化离心力场,使得旋流器壁到涡心的压力逐渐递减,流相在器壁停留时间增大,促进介质分离的同时也一定程度上提高了压降;螺旋式入口使得流体介质在螺旋管内实现分离的同时,压降也随之增大,压力损失主要用来提高流体旋转动能从而增强分离性能。     

两种不同入口形式的旋风分离器分离性能的对比研究

采用数值模拟和实验研究的方法比较了不同进气量下,相同入口面积的Stairmand型和轴流导叶式旋风分离器的压降、分离效率和内部流场。结果表明,进气量648 m3/h时,轴流导叶式分离器内切向速度小于Stairmand分离器,进气量1080 m3/h时,轴流导叶式分离器切向速度较大;本实验条件下,轴流导叶式分离器可以明显增加内部流场的对称性和稳定性,削弱环形空间纵向环流和短路流现象;Stairmand型分离器分离效率随进气量先增大后减小,轴流导叶式分离器的效率则一直增加,且进气量小于1080 m3/h时,Stairmand型分离器分离效率较高,进气量大于1080 m3/h时,轴流导叶式分离器分离效率较高;相同进气量下,轴流导叶式分离器压降基本小于Stairmand型分离器。     

2种结构油水旋流分离器流场数值模拟研究

采用雷诺应力模型(DSM)和SIMPLEC算法,对筒锥型和圆筒型油水旋流分离器的内部流场进行了数值模拟计算,得到这2种结构旋流分离器的内部切向速度和轴向速度分布。分析研究得出如下结论:(1)数值模拟计算值与实验值存在少许差异,但两者非常接近,数值模拟可为旋流分离器结构研究提供可靠依据;(2)筒锥型和圆筒型旋流分离器零轴向速度皆位于r=(0.3~0.35)D处,而筒锥型旋流分离器z=218mm处,流动分成上、下2部分;(3)圆筒型旋流分离器没有筒锥型旋流分离器的分离空间,靠近底流口的切向速度仍较高,使流体中的颗粒绕轴心旋转不易流入轴心处分离。     

旋风分离器旋涡尾端位置的实验测量及其影响因素

为准确测量旋风分离器旋涡尾端的位置,采用筒锥式旋风分离器,通过红墨水示踪可视化地研究了分离器内流型,对轴、径向不同位置的压力信号进行了测量分析,并讨论了影响旋涡尾端位置的因素。结果表明,在分离器筒体及锥体段,静压沿径向呈V型分布,具有较大的梯度;而在料腿顶部区域,静压梯度急剧衰减,趋于平坦;这一特性可作为旋涡尾端的识别标志,由此识别的旋涡尾端位置与液体示踪显示的液环位置几乎一致。在筒体及锥体段,分离器内旋流压力信号具有一定的波动频率,而外旋流则没有明显的主频;在旋涡尾端碰壁处,壁面压力信号具有内旋流的波动频率,并有较高的幅值。旋风分离器旋涡尾端位置受入口气速的影响较小,但随着入口面积比的增加而上移,随排气管直径的增加而向下延伸。     

导叶式液-液旋流器内流场分布特性研究

为了探寻导叶式液-液旋流器内部流场的流动规律,针对旋流器内部流场的分布特性,借助激光多普勒测速技术(LDV)对其柱锥段内部流场进行了测试分析,发现导叶式液-液旋流器内切向速度存在"双峰"分布,轴向速度存在轴向零速过渡区(WZVV);流量的增大增加了切向速度和轴向速度值,但对无量纲速度无影响。对测试数据的分析可知,导叶式液-液旋流器内切向速度准自由涡参数n与轴向位置z和径向位置r有关,在主分离区域内n值为0.30~0.56;WZVV内临界面为圆柱形面,外临界面是一个柱锥联合面,WZVV的锥角为3,°略大于水力旋流器锥段部分的半锥角。     

单、双入口旋风分离器环形空间流场的数值模拟

采用RSM模型数值模拟了单入口、双入口旋风分离器环形空间流场分布形式。结果说明单入口分离器径向速度量值总体约是多入口分离器的10倍。双入口分离器环形空间流场对称性较好,切向速度比单入口分离器大;径向向心速度小,可能会减少气流向升气管壁面夹带的颗粒量;且升气管近壁下行速度小而均匀,能减小芯管下方短路流量,分离器性能比单入口分离器好。根据环形空间流场还可以推测,双入口分离器对升气管外壁面冲刷能力强且作用效果均匀,可以有效抑制在气管外壁大块结焦物的形成。     

不同结构循环旋风分离器流场的数值分析

采用CFD软件——Fluent6．2中的雷诺应力湍流模型,对具有不同几何结构的循环旋风分离器气相流场进行数值模拟,以考察循环旋风分离器的几何结构对其流场的影响。模拟结果表明,循环管可以减小不利于气、液相分离的轴向速度并降低压降,防液罩可以在不增加压力损失的情况下增强气、液相分离的主要动力——切向速度,循环旋风分离器存在一个最佳入口直径。