蔣明虎 宮磊磊 徐保蕊 趙立新

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院)

井下油水分離旋流器利用不互溶介質(zhì)間的密度差進(jìn)行離心分離，重質(zhì)相由底流口排出，輕質(zhì)相由溢流口排出[1]。旋流器本身無運(yùn)動部件，混合液在入口壓力的作用下進(jìn)入旋流器并高速旋轉(zhuǎn)[2, 3]。井下油水分離旋流器工作時，進(jìn)入旋流器的采出液含有一定量的伴生氣，氣相的存在既改變了設(shè)備內(nèi)的流動與分離條件，也增加了相間混合和湍流程度[4]，對旋流器的分離性能產(chǎn)生一定影響。為探究氣體對井下油水旋流器性能的影響規(guī)律，針對新型螺旋流道倒錐式旋流器，筆者采用Fluent軟件對氣液比分別為0.01、0.03、0.05、0.08、0.10時旋流器的油相分布進(jìn)行模擬分析。筆者的主要目的是研究氣液比對旋流器的油相分布、分離效率和壓力損失的影響及其變化規(guī)律。

1 旋流器模型

筆者選用新型螺旋流道倒錐式旋流器，初始模型旋流腔主直徑50mm，主相水密度ρ1=998.2kg/m3，粘度μ1=1.003mPa·s，油相密度ρ2=889kg/m3，粘度μ2=1.06Pa·s，模型的計算采用雷諾應(yīng)力算法[5, 6]。初始邊界條件：入口速度為0.8m/s，入口含油體積分?jǐn)?shù)2%，油相粒徑0.3mm，溢流分流比為20%；假設(shè)壁面不可滲漏，無滑移，利用壁面函數(shù)方程計算剪應(yīng)力和近壁處的湍動能、湍流擴(kuò)散率；殘差精度設(shè)置為1×10-6。

在Fluent前置軟件Gam0bit中對旋流器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇合適的網(wǎng)格劃分形式可提高網(wǎng)格的質(zhì)量，而網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計算結(jié)果和計算穩(wěn)定性[7]。由于在網(wǎng)格數(shù)量相同的條件下，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格所需的計算時間短，而且計算結(jié)果更精準(zhǔn)、收斂性更強(qiáng)，因此采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于螺旋入口處混合相流動狀態(tài)較復(fù)雜，因此在該處對網(wǎng)格進(jìn)行加密，最終劃分的網(wǎng)格數(shù)約為15萬(圖1)。

圖1 旋流器模型網(wǎng)格劃分

2 數(shù)值模擬與分析

2.1 不含氣條件下

圖2為不含氣時旋流器內(nèi)部和溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖2可以看出：旋流器的油水分離性能較好，油相基本由溢流出口排出，旋流器軸心和溢流口處有明顯的油核，其分離效率可達(dá)89.31%。

a． 內(nèi)部

b. 溢流口

2.2 含氣條件下

為研究入口氣體含量對旋流器油水分離性能的影響，在結(jié)構(gòu)參數(shù)、分流比和其他設(shè)置參數(shù)不變的條件下，分別對入口氣液比為0.01、0.03、0.05、0.08、0.10時旋流器的油相分布進(jìn)行模擬分析。圖3為不同氣液比時旋流器溢流口油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖3可以看出：氣液比為0.00時，溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)最高，約為16.0%；隨著入口氣液比增大，溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)不斷減小，當(dāng)氣液比為0.10時，溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)最低，約為5.0%。

圖3 不同氣液比時旋流器溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖4為不同氣液比時旋流器溢流口入口下方2mm處的油相體積分?jǐn)?shù)分布，從圖4可以看出：在入口壓力的作用下，混合液進(jìn)入旋流器中并高速旋轉(zhuǎn)，氣相密度小于油相密度，致使部分油相向邊壁運(yùn)動，從底流口排出，導(dǎo)致溢流口的油相體積分?jǐn)?shù)隨氣體含量增加而減?。粴庖罕葹?.00時，軸心處的油相體積分?jǐn)?shù)最大，邊壁處的油相體積分?jǐn)?shù)最??；當(dāng)氣液比為0.10時，軸心處的油相體積分?jǐn)?shù)減至最小，邊壁處的油相體積分?jǐn)?shù)增至最大。

圖4 不同氣液比時旋流器溢流口下方2mm處的油相體積分?jǐn)?shù)分布

圖5為不同氣液比時旋流器溢流口下方50mm處旋流腔的油相分布，由圖5可見：油相主要集中在旋流腔軸心；在旋流腔軸心處，氣液比為0.00時油相體積分?jǐn)?shù)最大，氣液比為0.10時油相體積分?jǐn)?shù)最??；而在旋流腔邊壁處，氣液比為0.10時油相體積分?jǐn)?shù)最大。說明氣相的存在是導(dǎo)致油相向邊壁運(yùn)動的主要原因。

圖5 不同氣液比時旋流腔的油相體積分?jǐn)?shù)分布

氣體不僅影響旋流器的油相分布，還會影響旋流器的分離效率，而且氣液比越大，影響越明顯。圖6為旋流器的分離效率隨氣液比的變化趨勢，從圖6可以看出：氣液比為0.00時分離效率最大，隨著氣液比增大，旋流器的油相分離效率逐漸降低，當(dāng)氣液比為0.10時，油相分離效率為36.90%。

圖6 旋流器的油相分離效率隨氣液比的變化

底流口的油相體積分?jǐn)?shù)也可反映旋流器的分離效率，圖7為不同氣液比時旋流器底流口的油相體積分?jǐn)?shù)變化趨勢。從圖7可以看出：在內(nèi)錐圓柱壁附近有較高的油相體積分?jǐn)?shù)，且油相分布不均勻，當(dāng)氣液比為0.03、0.05時油相體積分?jǐn)?shù)最大；但整體上，氣液比越大，底流口含油越多，氣液比為0.10時油相體積分?jǐn)?shù)最大，氣液比為0.00時油相體積分?jǐn)?shù)最小。

圖7 不同氣液比時旋流器底流口的油相體積分?jǐn)?shù)變化趨勢

3 旋流器壓力損失分析

在考慮旋流器分離效率的同時，也要考慮旋流器的能耗。壓力損失提供旋流器離心分離能量，壓力損失越小，能耗越低。圖8為不同氣液比時旋流器溢流口和底流口的壓力損失變化曲線，由圖8可知：入口氣液比越大，旋流器溢流口和底流口的壓力損失越低；不含氣時旋流器底流口和溢流口的壓力損失均高于含氣時的壓力損失。

沿程損失和局部壓力損失的計算式分別為：

(1)

(2)

式中d——旋流器內(nèi)徑，m；

l——流體流過的長度，m；

Δpλ——沿程壓力損失，Pa/m；

pξ——局部壓力損失，Pa；

v——流體的平均流速，m/s；

λ——摩擦阻力系數(shù)；

ρ——流體的密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系數(shù)。

a. 溢流口

b. 底流口

入口流體的總流量、分流比和溢流口的流體總量不變時，入口氣液比越大，溢流口的含氣量越高，所流出的液相也越少。根據(jù)式(1)、 (2)可知，由于液相的密度大于氣相的密度，因此氣液比越大，旋流器壓力損失越小。

4 結(jié)論

4.1隨著入口含氣體積分?jǐn)?shù)的增大，旋流器溢流口的油核面積不斷減??；不含氣時旋流器的分離效率為89.31%；旋流器的分離效率隨氣液比的增大而降低，且氣液比越大，影響越明顯，當(dāng)氣液比為0.10時，旋流器的分離效率低至36.9%。

4.2在內(nèi)錐圓柱壁附近出現(xiàn)較高的油相體積分?jǐn)?shù)，且油相分布不規(guī)則，當(dāng)氣液比為0.03、0.05時油相體積分?jǐn)?shù)最高；但整體上，氣液比越大，底流口的油相體積分?jǐn)?shù)也越大，氣液比為0.10時，油相體積分?jǐn)?shù)最大，氣液比為0.00時，油相體積分?jǐn)?shù)最低。

4.3氣液比越大，旋流器壓力損失越小。

[1] 蔣明虎，趙立新，李楓，等. 旋流分離技術(shù)[M].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000：6～10.

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