泡沫在连续管螺旋管段内流动的压降数值模拟（） 摘要: 关键词: 中图分类号:

通过自定义函数和数值模拟方法研究泡沫流体在连续管中流动的压降,并且对比了计算结果与模拟结果。对于泡沫在直管段内流动,由于考虑了加速压降和真实速度剖面的影响,模拟压降比计算压降大。对于泡沫在螺旋管段内流动:由于泡沫具有压缩性,其物性随压力变化,所以当出口压力不同时,同一位置处速度剖面和密度剖面不同;由于离心力的作用,速度剖面不对称;出口压力、注气流量和曲率对压降影响比较明显。对连续管泡沫钻井进行水力参数设计时,尽可能地提高注入压力,可减少泡沫在螺旋管段流动的压降。     

模型重力式油水分离器内部结构数值模拟

针对油水分离器油水分离效果难度加大的现状,基于CFD软件对安装整流构件及聚结构件的分离器模型的流体流动进行了数值模拟,通过对比分离器的速度矢量和流场,分析不同内部构件对流动特性的影响。模拟分析结果表明,圆筒形整流构件达不到理想的整流效果,"田"字形整流构件安装在入口构件后0.5 D处可以起到较好的整流效果;综合对比各种聚结构件,平行板聚结构件可以产生最好的油水分离效果。     

重力式油水分离器内部构件对流动特性的影响

通过数值模拟,研究了在油水分离器内放置不同构件(稳流构件以及3种入口构件)对分离器流场特性的影响.结果表明,加入不同的入口构件对分离器内初始流场影响亦不相同,但能更有效缓冲入口流体对初始流场的冲击.加入稳流构件后,能明显减小并抑制流场内部旋涡和返混,使分离器内部流场更接近柱塞流动,有利于油水两相的分离.因此,合理的内部构件可有效地提高油水分离器的分离效率.     

井下螺旋分离器内气液两相流场的数值模拟

根据井下螺旋分离器中气液流场的分散、流动状态以及力学特征,选取颗粒轨道模型作为气液两相流计算模型,运用流体力学软件FLUENT对不同螺旋结构下的气液两相流场进行数值模拟及可视化处理与分析。结果表明,分离器螺旋圈数越多,颗粒越易分离;螺旋结构相同时,颗粒直径越大越易分离,并确定了螺旋分离器的最佳螺旋结构。     

热管型地热系统气液分离器外部流场结构优化

超长重力热管开采地热能的过程中,热管中下降的冷凝液与上升的热蒸汽易相互碰撞而引发蒸汽带液情况,通过在绝热段增设气液分离器可有效预防这一问题。介绍了新型热管型地热系统中气液分离结构（气液分离器）的特点,采用计算流体力学方法,建立了气液分离器有限元模型并对其外部流场进行模拟。通过在分离器外部空腔内设置螺旋导流板,调节气液分离器入口管高度、偏心距及螺旋导流板板螺数、螺距,进行优化分析研究。设置螺旋导流板后,液体在分离器出口处的流动更加稳定,冷凝水入口与气液分离器出口距离与压降成正比关系,入口管偏心距与内管内壁面切应力成反比关系。螺旋导流板螺数为5、螺距为200 mm时分离器出口液体的均匀性和稳定性最优。     

GLCC数值模拟中湍流模型选取研究

数值模拟是研究深水管柱式气液旋流分离器分离性能的有效方法,其中湍流模型选取是否得当将直接影响数值模拟的准确性。研究比较了Euler模型、Mixture模型及RSM模型3种不同的湍流模型对深水管柱式旋流分离器内流场数值模拟结果的影响。对比了3种湍流模型的切向速度与轴向速度场分布,发现3种模型均能较好地模拟出分离器内两相流的运动规律。将模拟结果同试验测量的油气分离效率以及进、出口处压降进行对比。结果表明:Euler模型和Mixture模型在压降、分离效率方面与试验测量结果相比存在一定误差,而RSM模型模拟的流场更接近于试验测量结果。进行管柱式气液旋流分离器流场数值模拟分析时,采用RSM模型模拟更为可靠。     

旋转钻柱内赫巴流体流动模型与流场特性研究

为了揭示钻井液在旋转钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了旋转钻柱内赫巴流体的流动模型。研究了钻柱的旋转速度、轴向流速及密度的变化对钻柱内螺旋流场的影响,并给出了合理的解释。通过分析得出旋转钻柱内赫巴流体的流动由于其表观黏度的单峰分布特性,使得螺旋流场减弱了流体质点在各方向上的随机脉动趋势,并增强了流场旋流的整体趋势。该项研究成果对于钻柱内考虑旋转效应流场钻井液流动的深入研究具有指导意义。     

再循环腔进口位置对超音速分离器流场影响数值分析

超音速分离器作为一种新型、高效的分离设备,具有传统分离方式和设备不可比拟的高效性和经济性。在相同的结构尺寸下,对传统超音速分离器与再循环超音速分离器进行了对比数值模拟。结果表明,在相同的出口压力下,再循环分离器的流场分布较传统分离器好,且能使激波远离喉部,扩大超音速流动的区域范围,有利于气液分离。同时,针对再循环腔不同进口位置对流场稳定性的影响进行了分析。结果表明,进口位置在Laval喷管出口时,流场稳定性较好,有利于提高分离性能。     

气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟

为了定量描述输油管道弯管处由于流体方向改变引起的流体速度改变和压力波动的动态行为,以及管道内部的冲蚀磨损规律,利用Fluent软件建立了90°弯管冲蚀模型。针对不同的入口流速工况,对弯头内部压力和速度场进行了数值模拟,分析了流体在弯管段的流动和冲蚀规律。分析结果表明,流体在经过弯管段时,对管壁外侧压力先增大后减小,并在该侧取得最大值;弯管处流体流速和管壁压力变化剧烈,该区域管壁冲刷腐蚀最为严重;弯头使流体流场更加复杂,增大了气泡溃灭的概率和弯管腐蚀速率;随着流体速度增大,管壁压力会增大,管壁冲刷腐蚀速率也随着流速增大而增大,实际应用中应选择合理的流速。     

螺旋入口构件对立式分离器分离性能影响的数值模拟

立式分离器的入口构件同时具有降低入口流体对内部流动的不利影响和促进入口流体初步分离的作用。设计了2种螺旋入口构件,应用FLUENT软件的欧拉多相流模型及k-ε湍流模型,分析了不同操作条件及结构形式下立式分离器内气-液两相流动的特点与分离特性。研究结果表明,加入螺旋入口构件的立式分离器可进一步分离粒径较小的油滴,可在入口流量大的工况下依旧保持较高的分离效率;单层、双层螺旋入口构件均可提高分离效率,两者效果差距不大,但单层螺旋结构更为简单和紧凑。     

轴流式气-液旋流分离器分离特性

针对内部设有中心体的轴流式气-液旋流分离器,根据液滴在分离器内部旋流场的受力情况,建立分离器分离效率模型。实验发现,当液滴直径大于10 μm时,通过理论模型求得的液滴粒级分离效率与实验值吻合较好;在一定气速范围内,减小导流叶片出口角、增加中心体直径以及减小排气管直径均能够提高分离效率,即对于一定结构的分离器,存在相应的临界气速能够使分离器的分离效率达到最大值,随气速继续增大,分离效率呈下降趋势。根据实验结果提出分离器在不同工况下的设计准则,当气速高于临界气速时,为保证分离器分离效率,维持较低压降,设计导叶出口角为45°,中心体直径与筒体直径比为0.5,排气管直径与筒体直径比为0.85,分离器长度与筒体直径比为3。当入口气速低于临界气速时,可根据理论模型对分离器结构参数进行调整。     

同向出流气液分离器流场分析及结构参数优选

为解决常见的气液分离器气相出口含液量大和管汇连接复杂等问题,提出了一种新型同向出流式气液旋流分离装置。该装置能有效降低气相出口的液相含量,主要针对其不同结构参数开展了数值模拟及试验研究,并完成了结构参数的优选。研究结果表明:影响气相运移速度及分离性能的最佳内锥角度为2°,最佳进气孔角度为30°,最佳脱气效率模拟值为96%;随着内锥角度的增大,气相溢流管内的轴向速度呈先上升后下降的规律,内锥角度为2°时,轴向速度最大达到0.58 m/s;随着进气孔角度的增大,气相溢流管内的轴向速度基本呈上升规律,进气孔角度为30°,轴向速度最大达到0.60 m/s;优化后的气液分离器结构适用于含气体积分数区间为15%~30%,最佳分离效率为92.6%。研究结果可为同向出流气液分离器的工程应用提供理论指导。     

高含水采出液T形管分离器的流场数值模拟

传统的油田集输工艺损耗能量大,运行成本高。鉴于此,基于Fluent数值模拟软件,采用RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型对T形管分离器的流场特性以及油水分离过程展开研究。研究结果表明:油水两相速度分布规律基本相同,在主管中沿流动方向速度逐渐降低,分支管中速度最大,水相在主管顶部区域速度较小,在汇管中上述分布趋势更加明显;湍流在分支管和主管连接处、分支管和汇管连接处以及汇管上游较为剧烈,油水发生强烈掺混;入口流速对油水分离过程的影响较大,流速越大,流体的停留时间越短,分流扰动后恢复为分层流更加困难;流速越大,油水剪切作用增强,油滴更均匀分散在水中,混合层携带更多的油相,故操作中需要确定最佳流速;随着含油体积分数增大,混合层厚度增加,最终分离效率呈现先缓慢增加,后逐渐下降的趋势;分流比较低时,汇管主要流出底层水,分离效率较低;随着分流比增大,汇管的流量增大,油水间扰动增强,流体流经汇管携带了部分混合层流体,分离效果明显提升;但分流比继续增大,混合层全部流入汇管后,油层开始流入汇管,此时分离效率随着分流比的增大呈线性降低。基于研究结果,最优操作参数为:入口流速0.10~0.30 m/s,入口含油体积分数5%~9%,分流比0.5~0.7。研究结果为油水分离提供了新思路,可为探究高效分离效果的设备结构设计和优化提供参考。     

含不同构件的重力式分离器内流场数值模拟

应用Fluent软件的标准κ-ε模型和多相混合模型,对重力式分离器的油水分离内流场进行了三维数值模拟,得到含有2种不同入口构件、4种不同整流构件和6种不同聚结构件的分离器内部速度矢量和流场,分析并比较了不同构件的分离特性。模拟结果表明,该方法可较好地模拟油水两相在分离器内部的流场和浓度分布;耙形入口构件、圆筒整流构件、田字板整流构件、蛇形板相向聚结构件以及斜板交错搭接聚结构件具有较好的油水分离特性。     

油水分离旋流器流场和分离性能的数值模拟

深入研究了液-液水力旋流器的流动机理,并采用LRR应力模型对油水分离旋流器的油水两相流场进行了数值模拟。通过数值计算得到了水力旋流器内流体流动的流线图、等压线以及速度矢量图,并且研究了不同参数(分流比、进口压力以及溢流管直径)对分离效率的影响。计算结果与理论分析一致,证明了模型和算法的正确性。研究成果为前人试验和理论总结提供了有力的理论支持,同时为进一步研究水力旋流器的分离机理、流场特性以及结构优化设计提供了一条有效的途径。     

基于电场和流场耦合的FCC油浆脱固性能分析

基于有限元分析方法,建立了静电分离场的三维数值仿真模型,模拟得到电场和流场耦合作用下催化剂颗粒的运动轨迹,分析了静电分离器内催化裂化(FCC)油浆流场对催化剂颗粒运动和吸附的影响,颗粒受力与其速度间的关系,以及电压、进口流速等对粒子吸附效率的影响。结果表明：静电分离器中催化剂颗粒的主要吸附位置是填料球接触点处;静止流场中颗粒速度与所受介电泳力之间存在正相关关系,同一电压下,颗粒在静止流场中的分离效率高于在运动流场中的分离效率;颗粒分离效率随施加电压增加而提高,随颗粒在电场入口流速增大而降低。研究结果可为提高FCC油浆静电分离效率和建立连续运行静电分离系统提供参考。     

基于CFX的水平管等径三通失效分析数值模拟

应用计算流体动力学（CFD）方法及CFX软件,建立水平管等径三通中的流体湍流和冲蚀数学模型。考虑等径三通近壁面处湍流的衰减,设定流动介质的气相为连续相,液相为离散相,边界条件设定为质量入口和压力出口组合,其中进口为气液两相质量流量和体积分数,出口为截面平均静压。采用稳态模拟和有限体积法对充分发展的气液两相流管内流动进行数值模拟,经过计算得到流动介质的速度流线、速度矢量及气液分布。其中,气相速度最大为21．2m／s,液相速度最大为13．4m／s;流速增大时,气液两相流的壁面切应力相应增大,气相最大切应力为36．87Pa,液相最大切应力为68．24Pa。剪切力破坏管壁腐蚀产物膜,加剧腐蚀产物膜的脱落。综合各因素解释等径三通冲蚀磨损的原因,同时结合失效样品壁厚检测结果,论证气液两相流对水平管等径三通冲蚀磨损的失效规律。     

气液分离器叶片式入口构件整流效果研究

为提高气液分离器的分离效率,提出一种用于重力式气液分离器的新型叶片式入口构件结构。该构件同时具有入口分离与气体整流两项功能。为研究新型叶片式入口构件的整流性能,应用RNG k-ε湍流模型,对气液分离器内流场进行三维数值模拟,确定了安装折弯角度130°~150°、直板长度100~200 mm、斜板长度50~90 mm入口构件以及未安装入口构件的分离器内部的速度分布。研究结果表明:新型叶片式入口构件能显著降低速度不均匀度,抑制回流,使流速分布更加均匀;入口构件折弯角度过大或过小、斜板长度过长均不利于整流,水平板长度对整流效果的影响不明显。研究成果可为气液分离器的优化设计提供依据。     

深水指状分离器分离效果研究

为确定一种在深水能实现高效分离的指状分离器结构,建立了一套包含液塞发生器和电导探针数采程序的气液两相流试验系统,并以分离效率和气相出口含水率为评价标准,探究了不同分离器结构在不同表观气速下对不同液塞的分离效果。结果表明:入口不连通气管结构分离效果优于入口连通结构,立管加高、大存储段容积结构能改善液塞分离效果;加高立管或增大存储段容积可以显著改善入口连通气管结构的分离效果,而对入口不连通结构分离效果影响不明显;入口连通气管、立管加高、大存储段容积结构在小表观气速下能达到极好的分离效果。入口连通气管、立管加高、大存储段容积结构可视为一种深水高效指状分离器。