入口管下傾角度對旋流分離器內(nèi)部流場的影響*

韓孟霞 何利民 羅小明 呂宇玲 王玉柱

中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院

入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計對旋流分離器內(nèi)部流場以及其分離效率具有重要的影響，而入口管的下傾角度就是其中一個重要的影響因素。柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由靠近壁面的準自由渦和軸心位置的準強制渦組成。入口管的下傾造成分離器等高度截面上最大切向速度值的減小，同時增加了分離器內(nèi)部流場的不均勻性：切向速度最低點位置沿軸向發(fā)生擺動，不同下傾角度擺動的方向和幅度不同；渦核邊界往入口管的對面方向發(fā)生了擺動，擺動幅度隨下傾角度的增加而增大。入口管的下傾使分離器內(nèi)部壓力分布的對稱性變差，壓力分布的扭曲程度隨下傾角度的增加而增大。

柱狀旋流分離器；切向速度；渦核邊界；下傾角度；壓力損失

柱狀旋流分離器由于其結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、分離效率高等優(yōu)點，在石油化工行業(yè)獲得了廣泛的應用。研究發(fā)現(xiàn)：入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計對旋流分離器內(nèi)部流場以及其分離效率具有重要的影響，而入口管的下傾角度就是其中一個重要的影響因素。入口管下傾會引起柱狀旋流分離器內(nèi)部流場的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性體現(xiàn)在內(nèi)部速度場、渦核及壓力場的分布上。采用數(shù)值模擬的方法分析不同下傾角度的入口管對柱狀旋流分離器內(nèi)部流場的影響，包括不同橫截面處切向速度的分布，渦核邊界的擺動以及壓力損失的變化規(guī)律。

1 幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

柱狀旋流分離器采用切向入口形式，入口槽為扇形，入口管下傾角度分別為0、10、20、30和40°。在數(shù)值模擬中保證不同下傾角度入口管的橫截面積、長度相同，且入口橫截面中心處于分離器主體的相同高度上。對分離器計算流域采用分區(qū)域非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格劃分。

2 邊界條件和數(shù)值解法

2.1 邊界條件

模擬的流動介質(zhì)為空氣，密度為1.225kg/m3，黏度為1.7894×10-5Pa·s。將流體流動假設(shè)為不可壓縮，將入口邊界設(shè)定為速度入口邊界，入口速度取12m/s，并計算入口處湍動能k和湍動耗散率ε。出口邊界為流動出口，按湍流流動充分發(fā)展處理。計算模型的壁面采用無滑移邊界條件，近壁處采用標準壁面函數(shù)來計算。

2.2 數(shù)值解法

為提高計算速度，同時保證計算的收斂性、精度、穩(wěn)定性，計算過程分三步進行[1]：

（1）首先在穩(wěn)態(tài)條件下，采用RNGκ-ε湍流模型求解RANS，計算方法采用SIMPLE算法，離散格式采用絕對穩(wěn)定的一階迎風格式，設(shè)定收斂條件，計算收斂時形成的初步渦旋流場。

（2）以RNGκ—ε模型計算的流場作為初始條件，繼續(xù)采用SIMPLE算法，改用RSM湍流模型，空間離散格式采用QUICK格式，壓力差補格式采用PRESTO!格式，計算至一定程度時，旋流器內(nèi)開始形成Rankine渦形式的流場結(jié)構(gòu)。

（3）以穩(wěn)態(tài)RSM模型計算的流場作為初始條件，切換成非穩(wěn)態(tài)計算，采用PISO算法，離散格式仍采用二階精度的QUICK格式。

3 模擬結(jié)果

3.1 模型檢驗

采用以上數(shù)值解法得到的柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由內(nèi)外兩層漩渦組成，分別為靠近壁面的準自由渦和軸心位置的準強制渦。在準自由渦區(qū)域，切向速度從壁面處沿徑向向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在準強制渦區(qū)域，切向速度從軸心沿徑向向外迅速增大。因此，該數(shù)值解法能有效地反應柱狀旋流分離器的內(nèi)部流場。在物理上，將準強制渦所包圍的區(qū)域稱為“渦核”，它是由各切向速度最高點沿軸向方向所包絡(luò)的渦束組成的。本文將研究渦核邊界，即切向速度最高點的包絡(luò)面，而切向速度最高點即準自由渦區(qū)域和準強制渦區(qū)域交匯的徑向位置。

3.2 速度場

由X=0截面的切向速度云圖分布可知：入口管下傾角度為0°時，柱狀旋流分離器內(nèi)部切向速度基本呈軸對稱分布，切向速度最低點位置基本位于中心軸，但隨著入口管由水平方向變?yōu)橄聝A方向，該位置發(fā)生擺動，尤其是在入口以下位置；而且，隨著入口管下傾角度的增大，這種擺動愈加明顯，并且擺動方向與擺動幅度隨下傾角度的變化而變化。因此，入口管的下傾增加了柱狀旋流分離器內(nèi)部流場的不均勻性。

圖1為不同入口管下傾角度的渦核邊界對比。由圖1可知，隨著入口管由水平方向變?yōu)橄聝A方向，渦核邊界發(fā)生擺動，往入口管的對面方向擺動，而且，擺動幅度隨下傾角度的增大而增大。這是由于入口管下傾角度不同，造成分離器內(nèi)部流場不穩(wěn)定，這種不穩(wěn)定會影響渦核邊界沿軸向的分布規(guī)律，而下傾角度越大，切向速度場的不穩(wěn)定性越強，渦核邊界的擺動幅度也就越大。關(guān)于分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對流場產(chǎn)生的不穩(wěn)定性影響，宋健斐等[2-3]對分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對流場產(chǎn)生的不穩(wěn)定性影響做了詳細的分析。

圖1 不同入口管下傾角度的渦核邊界對比

3.3 壓力場

對于旋流分離器而言，壓力損失是其分離性能的一個重要指標。壓力損失是靜壓和動壓損失的和，即總壓損失，主要包括入口壓力損失、分離空間內(nèi)的壓力損失和溢流管內(nèi)的壓力損失。切向進口的旋流分離器進口壓力損失非常小，相比于其他壓力損失可以忽略；分離空間內(nèi)的壓力損失主要包括分離空間限制旋流場的損失和分離器壁面的摩擦損失。

圖2是不同入口管下傾角度的柱狀旋流分離器的壓力損失曲線。由圖2可知，壓力損失隨下傾角度的增加先急劇降低后緩慢降低。這是因為隨著入口管下傾角度的增加，氣流在分離空間內(nèi)的旋流速度（切向速度）減小，湍流黏性應力能量損耗和壁面摩擦損失減小，造成了壓力損失的降低。

圖2 不同下傾角度的壓力損失

4 結(jié)論

（1）柱狀旋流分離器的切向速度呈Rankine渦特征，由靠近壁面的準自由渦和軸心位置的準強制渦組成。在準自由渦區(qū)域，切向速度從壁面處沿徑向向內(nèi)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在準強制渦區(qū)域，切向速度從軸心沿徑向向外迅速增大。準強制渦所包圍的區(qū)域稱為“渦核”，切向速度最高點的包絡(luò)面就是該渦核的邊界，而切向速度最高點即準自由渦區(qū)域和準強制渦區(qū)域交匯的徑向位置。

（2）入口管的下傾造成分離器等高度截面上最大切向速度值的減小，同時增加了分離器內(nèi)部流場的不均勻性：切向速度最低點位置沿軸向發(fā)生擺動，不同下傾角度擺動的方向和幅度不同；渦核邊界往入口管的對面方向發(fā)生了擺動，擺動幅度隨下傾角度的增加而增大。

（3）入口管的下傾使分離器內(nèi)部壓力分布的對稱性變差，壓力分布的扭曲程度隨下傾角度的增加而增大。

[1]金向紅，金有海，王建軍，等．軸流式氣液旋流分離器內(nèi)氣相流場的數(shù)值研究[J]．高校化學工程學報，2009，23（5）：748-755.

[2]宋健斐，魏耀東，時銘顯．旋風分離器內(nèi)流場的非軸對稱性特點[J]．過程工程學報，2004（z1）：562-566.

[3]宋健斐，魏耀東，時銘顯．蝸殼式旋風分離器氣相流場的非軸對稱特性的模擬[J]．化工學報，2006，56（8）：1397-1402.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.023

基金論文：國家863計劃項目“深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)與裝備”（2012AA09A213）。