許 敏

（長慶油田公司機械制造總廠，西安710201） ＊

水力旋流器內部流場數值模擬及分離性能分析

許 敏

（長慶油田公司機械制造總廠，西安710201）＊

在分析水力旋流器基本組成與工作原理的基礎上，采用計算流體力學（CFD）技術進行了水力旋流器的仿真模擬，分析了分流比、進口體積分數及溢流管壁厚對水力旋流器分離性能產生的影響。結果表明：分離性能隨著分流比的升高而升高，但其升高的幅度由具體旋流器結構而定；隨著體積分數的增加，旋流器對0.07～0.10mm粒徑的分離效率呈簡單的單調下降趨勢；在相同操作條件下，旋流器溢流管壁厚的增加可以使分離效率提高，能耗降低。

水力旋流器；數值模擬；分離效率

水力旋流器是鉆井液固控系統(tǒng)中的除砂器、除泥器和微型旋流器的統(tǒng)稱，是鉆井液固相控制的重要設備，多用于鉆井液的預分離，具有結構簡單、體積小、質量輕、無運動部件、分離效率高、處理時間短的特點，對降低鉆井液中的細顆粒固相有很大作用，對提高鉆井速度效果顯著［1－2］。

本文對水力旋流器進行了CFD（計算流體力學）仿真模擬，并對其分離效果各影響因素進行了分析，對現(xiàn)場的實際設計應用具有指導意義。

1 基本組成與工作原理

1.1 結構組成

水力旋流器通?？梢苑譃檫M料口、圓柱段、錐段和溢流管4部分，結構如圖1所示。上部呈圓柱蝸殼，下部呈錐形殼，圓柱殼的側面有一切向鉆井液入口管，頂部裝有出口溢流管；圓錐殼底部是排砂孔，分離出的砂泥以及少量的液體由此排除。當流體經過進料口射入旋流器內腔中后，在強大離心力作用下，粒度細而輕的顆粒旋轉上升，粒度粗而重的顆粒旋轉向下，最終完成分離，上部溢流口得到溢流產物，下部底流口得到沉砂產物。

圖1 水力旋流器結構

1.2 工作原理

離心沉淀原理是水力旋流器的基本工作原理，即懸浮的顆粒受到離心加速度的作用而從液體中分離出來。含有懸浮固相顆粒的鉆井液在壓力作用下，以很高的速度由進液口進入圓柱蝸殼，繞錐筒中心高速旋轉的鉆井液產生極大的離心力，并向圓錐筒底部移動。由于鉆井液中的液體與固體存在著密度差，使固相分離出來而靠近錐壁。旋流器的錐筒越向底部半徑越小，鉆井液獲得的角速度越大，從而產生更大的離心力。對于1個設計較好并進行適當調節(jié)之后的旋流器，鉆井液在錐體頂部不但繞中心高速旋轉，而且產生1個反向旋渦，經垂直導流管而離開錐筒。鉆井液和鉆井液中的固相顆粒的運移速度幾乎相同，這些固相顆粒在小半徑處受到極大的徑向加速度，在徑向加速度（離心力）的作用下，迫使固相顆粒向錐筒壁運移。同時，由于旋轉下行的固相顆粒慣性力很大，將推著它向底部快速運動，因此當液體反向旋轉，向上由溢流口排出時，這些已分離出來的固相顆粒不可能隨溢流返回，而是由底流口（排砂口）排出。由此可見，這些固相顆粒實際上是由于慣性除掉的，而不是靠沉降作用。由于細小的顆粒受到的離心力較小，在到達錐底之前未能到達錐壁，因而被反向運動的鉆井液帶至錐筒中心經溢流口返回。

旋流器中液體的流場如圖2所示。水力旋流器中液體流場（用流線表示）呈對稱分布，其中任何一點的流速都可分解成切向速度、徑向速度和軸向速度。

在水力旋流器中同時有2種基本的同向旋轉的液流：一種是順圓錐螺旋向下（由錐底向錐頂）流動的外旋流；另一種是沿圓錐螺旋向上（由錐頂向錐底流動的內旋流。當外旋流接近排砂孔時又分為2部分：一部分向下，帶著已分離出的砂粒經排砂孔排出；另一部分改變了流動方向，向上流動，形成了內旋流。在溢流管下部，由于外旋流和內旋流的流線反向而形成閉環(huán)渦流，此渦流在繞旋流器軸線方向旋轉的同時，內側由下而上流向上蓋方向，外側由上而下流向排砂孔。除此之外，還有蓋下流，它主要由未經旋流器處理的原鉆井液組成，先是在蓋下流動，然后沿著溢流管進人溢流。

圖2 旋流器中液體的流場

2 計算模型

2.1 模型建立及網格生成

本文按照文獻［3－4］提出的最佳分離效果確定旋流器的結構尺寸：公稱直徑?75mm，進液口直徑?20.5mm，溢流管直徑?24.5mm，底流口直徑?12.5mm，溢流管插入深度50mm，圓柱段長度120mm，錐角20°。

本模型采用非結構四面體網格劃分，采用三維直角坐標系，網格數約150 000個。水力旋流器幾何模型如圖3所示。

2.2 邊界條件與求解方法

進口邊界給定速度入口，設為均勻來流，速度值取5.8m／s，顆粒直徑為1～40μm；出口邊界給定壓力出口，出口為溢流口和底流口，均設定為壓力出口，壓力值均為0，即均與外界大氣壓相通；固壁按無滑移邊界條件處理，在旋流器中，壁面效應是產生漩渦和湍流的主要因素，器壁是靜止不動的，故不存在滑移速度；采用了Simple壓力－速度耦合求解算法，差分格式采用了QUICK差分格式，求解器采用了三維雙精度穩(wěn)態(tài)求解器，以便使計算結果更為精確。

入口的湍動能和湍流耗散率分別為

式中，I為湍流強度；l為湍流長度尺度；常數Cμ取0.09。

圖3 水力旋流器幾何模型

3 分流比對分離效率的影響［5］

旋流器是離心分離設備，密度不同的流體在旋流器內高速旋轉，產生強離心力場。分散相和水在離心力的作用下在徑向產生速度差異，發(fā)生了分離運動。分離后的分散相聚集在旋流器的邊壁部分并逐漸在重力作用下向下沉降，最后經底流口流出旋流器。水在強大的壓力場作用下向旋流器中心運動（或經流線改變而流至中心處），進而從溢流口流出。因此，存在一個分流的問題，從底流口處流出的總體積流量與進口總體積流量的比值即為分流比。

由前述可知：分流比對旋流器的分離效率影響很大，旋流器的折算分離效率與分流比有關；分流比增大，溢流口體積分數降低，所以分離效果好，但旋流器的分流比不宜過大，否則分離效率會明顯降低。

分離效率隨分流比變化曲線如圖4所示，可以看出：分離效率隨著分流比的降低而升高，并且到了一定水平后其變化率基本為零，從而分離效率產生了1個極限值。

4 進口體積分數對分離效率的影響［6］

實踐證明，體積分數是影響水力旋流器分離粒度的重要因素之一。隨著進口體積分數的增高，體積分數的影響更為突出。在低體積分數物料分級時，水力旋流器內的顆粒主要受到水流曳力和離心力的作用；隨著入口體積分數增加，顆粒之間的相互作用力逐漸加大，甚至超過水流曳力，成為影響分級過程的主要作用力。

旋流器在不同體積分數下的分離效率與折算分離效率曲線如圖5所示，可以看出：隨著體積分數的升高，分離效率明顯下降，折算分離效率隨著分離效率增大而增大。不同粒徑分離效率隨進液體積分數變化曲線如圖6所示，可以看出：隨著體積分數的增加，旋流器對0.07～0.10mm粒徑的分離效率呈簡單的單調下降趨勢。因此，對一定結構的旋流器，其進液體積分數不宜過高。

圖5 分離效率及折算分離效率隨進液體積分數變化曲線

圖6 不同粒徑分離效率隨進液體積分數變化曲線

5 溢流管壁厚對分離效率的影響

本文以溢流管壁厚為7.5、12.5mm的旋流器為例，模擬條件與先前的模擬條件完全相同，并且均選擇d50顆粒為研究對象。

旋流器溢流管壁厚的選擇應滿足

式中，Di為垂直于旋流器軸線方向的進料口矩形邊長；D、D0、W分別為旋流器筒體直徑、溢流管直徑、溢流管壁厚。

水力旋流器不同溢流管壁厚下其性能參數如表1。在相同的操作條件下，旋流器溢流管壁厚的增加可以使分離效率提高，旋流器溢流管厚度增加5 mm，使得分離效率提高5.8%，并且使內部的能量損失約降低1W，溢流管溢出能量增加，但旋流器的生產能力幾乎沒有受到影響。

表1 水力旋流器不同溢流管壁厚模擬結果

水力旋流器能夠分離成功的關鍵因素之一就是要保持流場的穩(wěn)定，不受任何干擾和波動的影響。較高的湍動能和湍流耗散率使流場不穩(wěn)定，對分離效率產生不利影響，湍流正是將劇烈的脈動和擾動帶入流場從而破壞了流動的穩(wěn)定性，造成分離難度加大；更有甚者，當湍流動能大于等于離心分離能量時，分離的物料將重新混摻，使分離效率急劇降低。不同溢流管壁湍動能和湍流耗散率比較如圖7～8所示，可以看出，隨著溢流管壁厚增加，湍流擾動相應減小，流場相對穩(wěn)定。

圖7 不同溢流管壁厚進料管與筒體相交處湍動能

圖8 不同溢流管壁厚進料管與筒體相交處湍流耗散率

由以上分析可知，溢流管壁厚的旋流器不論從分離效率還是從能耗方面都明顯優(yōu)于溢流管壁薄的旋流器，這主要由于溢流管壁厚增加后，進料口突然擴大的面積減小，使進料口和筒體間的流動湍動和擾動減小，從而使溢流管可回收的能量增加，水力旋流器的整體能耗降低，分離效率提高。

6 結論

1） 分離性能隨著分流比的升高而升高，但其升高的幅度還應由具體旋流器結構而定，但對有些結構來說，分流比低時，其分離效率明顯降低，所以對于分級、分離用途的旋流器來說，應當采取適當措施來增大分流比。

2） 隨著體積分數的增加，旋流器對0.07～0.10mm粒徑的分離效率呈簡單的單調下降趨勢。因此，對一定結構的旋流器，其入口體積分數不宜過高。

3） 在相同操作條件下，增加溢流管壁厚使進料口突然擴大的面積減小，進料口和筒體間的流動湍動和擾動減小，從而使溢流管可回收的能量增加，水力旋流器的整體能耗降低，分離效率提高。

［1］ 曲占慶，田相雷，袁世昌，等.螺旋式井下油氣分離器設計與分離效果分析［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：39－43.

［2］ 李成兵，熊 琎.新型柱式氣液旋流分離器數值計算［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：34－37.

［3］ Rietema K.Performance and Design of Hydrocyclones.IV：Design of Hydrocyclones［J］.CHEM ENG SCI，1961，15（3）：320－325.

［4］ 張自杰.廢水處理理論與設計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003：84－87.

［5］ 張 靜.水力旋流器氣液固流場的數值模擬［D］.天津：天津大學，2010.

［6］ 王柏秋.水力旋流器內部流場數值模擬及分離效率研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

Numerical Simulation of Inner Flow Field in Hydrocyclone and Performance Analysis

XU Min
（Machinery Manufacturing Plant，Changqing Oilfield Company，Xi’an720201，China）

Based on the analysis of basic makeup of hydrocyclone and working principle，the numerical Fluid mechanics was used to simulate real hydrocyclone，analyzing the effecting of diversion ratio，incoming concentration，and overflow pipe thickness to separation performance.The result showed that the separation was increased as the diversion ratio was increased，the increasing limit depending on its structure.As the concentration increased the separation effectiveness tended to decreasing with the particle diameter ranging from 0.07to 0.10mm.at the same operation condition，to increase the thickness of overflow tube could increase separation efficiency with energy reduced.

hydrocyclone；numerical simulation；separative efficiency

1001－3482（2012）03－0021－04

TE925

A

2011－09－20

許 敏（1967－），女，河北新河人，工程師，主要從事石油機械設計與制造工作，E－mail：yjs237＠163.com。