樊玉光，余曉月

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

液液水力旋流器是20世紀(jì)70年代問(wèn)世的用于油水分離的分離器，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行可靠受到了化工、環(huán)保部門(mén)及各大油田的重視。人們?cè)仁峭ㄟ^(guò)試驗(yàn)來(lái)研究旋流器的分離效率，周期長(zhǎng)且費(fèi)用高，隨著CFD仿真技術(shù)的日趨成熟，數(shù)值模擬已成為研究的一種重要手段，不僅計(jì)算快，而且可以較全面地揭示流場(chǎng)的特性。

水力旋流器的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定其分離性能的重要因素[1]。但在其設(shè)計(jì)過(guò)程中，溢流管這一重要結(jié)構(gòu)對(duì)旋流器分離性能的影響往往被忽視，導(dǎo)致了不管旋流器的其他結(jié)構(gòu)形式和操作參數(shù)如何變，溢流管結(jié)構(gòu)基本不變的現(xiàn)象，這對(duì)旋流器的分離性能造成了不好的影響。溢流管是分離后的輕分散相排出的地方，具有穩(wěn)定旋流器內(nèi)油核的作用，是水力旋流器分離時(shí)不可缺少的一個(gè)重要通道[2]。溢流管的結(jié)構(gòu)形狀直接影響了短路流的存在及其流量大小，也會(huì)影響水力旋流器的出口能量損失。溢流管的直徑與處理液含油濃度具有一定的匹配關(guān)系，從而會(huì)影響旋流器的分離效率，溢流管直徑對(duì)脫水效率也有顯著的影響。所以，溢流管的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)旋流器分離性能具有重要的影響[3]。

1 W式溢流管的工作原理及模型的建立

1.1 W式溢流管的工作原理

水力旋流器的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由圓柱段、大椎段、小椎段、溢流管、尾管進(jìn)口組成。其中圓柱段使流體形成渦流，大錐段可以使流體獲得極大的加速度，并形成螺旋流動(dòng)，小錐段使流體速度不斷地增大，尾管利用流體的恒速，可以對(duì)上部分形成一定的回壓，以利于被分離出來(lái)的油從溢流口排出。

圖1 除油水力旋流器結(jié)構(gòu)圖

W式溢流口水力旋流器工作原理和常規(guī)的水力旋流器一樣，是將流體的靜壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)力，利用受約束渦流產(chǎn)生離心力。在離心力場(chǎng)中，不同粒徑的液滴均會(huì)以一定的規(guī)律沿著旋流器的半徑方向運(yùn)動(dòng)。由于油水兩相密度的差異，密度大的水相在離心力作用下貼近器壁不斷旋轉(zhuǎn)向下，從下游的底流口排出；而油相則被推向中心低壓部位，并朝旋流器上游的溢流口移動(dòng)，呈現(xiàn)出雙螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡。W式溢流管的溢流管已插入旋流器的圓柱段，此設(shè)計(jì)可以避免短路流的形成和發(fā)展，有利于提高旋流器的分離效率，并且W式溢流管傾角的設(shè)計(jì)對(duì)混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，避免混合液與溢流器壁相撞時(shí)損失過(guò)大[4]。

本文所探討的旋流器基本尺寸如表1所示。

表1 旋流器基本尺寸 /mmTab.1 Basic size of Hydro cyclone

1.2 W式溢流管模型

W式溢流管是將旋流腔頂部靠近溢流管的外壁，切出一個(gè)倒的圓臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上將入口上部的旋流腔切除，在溢流管直徑和伸入長(zhǎng)度不變的前提下，逐漸增大 W式溢流管的傾斜角度θ。傾角θ分別為 0°、7°、14°、21°和 30°（圖 2）。

圖2 W式溢流管模型圖

2 計(jì)算模型及方法

2.1 邊界條件

旋流器入口為油與水的混合液，水的體積分率較大，將其設(shè)為連續(xù)相；油的體積分率較小，將其設(shè)置為分散相。根據(jù)旋流器的實(shí)際情況定義如下的邊界條件：

1）入口油相體積分?jǐn)?shù)為5%，分流比（溢流口流量與入口流量之比）為8%，溢流口和底流口設(shè)定為自由出口，入口面方向速度分量為10m·s-1，其他兩個(gè)方向速度分量為0；

2） 油水兩相的物性參數(shù)：水的密度為998.2kg·m-3，黏度為 1.003mPa·s；油的密度為834.1kg·m-3，黏度為 2.223mPa·s。

2.2 數(shù)值解法

因旋流器內(nèi)部流體是進(jìn)行旋流的湍流運(yùn)動(dòng)，采用Reynolds切應(yīng)力模型可以較好地模擬流體在高速旋轉(zhuǎn)下的流動(dòng)，同時(shí)采用多相流模型Mixture進(jìn)行聯(lián)合求解，模擬出油水兩相的流動(dòng)，非定常算法可以觀察油相遷移過(guò)程，用非平衡壁面處理近壁面。對(duì)旋流器采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)約為12萬(wàn)。離散格式選為QUICK格式，因其對(duì)于非直流線(xiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象，預(yù)報(bào)的結(jié)果較為貼近真實(shí)的物理狀態(tài)。旋流器模擬的解法采取兩步走，第一步模擬水的單相流場(chǎng)，采用PISO算法，第二步模擬油水兩相的混合相流場(chǎng)，采用SIMPLEC算法[5]。

3 W式溢流管模擬結(jié)果及分析

3.1 速度和角度對(duì)進(jìn)出口壓降的影響分析

對(duì)于油水分離水力旋流器來(lái)說(shuō)，壓力損失是旋流分離的主要能量損失，包含進(jìn)口與底流口、進(jìn)口與溢流口兩部分壓降表示的壓力損失。因此研究壓降時(shí)，通常包含有兩個(gè)壓降，即溢流壓降和底流壓降，分別表示進(jìn)口與溢流口、進(jìn)口與底流口之間的壓降，并且用流量加權(quán)平均來(lái)表示總的能量損失。分析模擬結(jié)果所得的不同角度的壓降圖如圖3所示。

圖3 壓力降隨速度的變化曲線(xiàn)

圖3 為壓力降隨速度的變化曲線(xiàn)。當(dāng)角度θ為0°時(shí)，W式溢流管就是直筒式溢流管。從圖3可以看出，整體來(lái)說(shuō)，W式溢流管水力旋流器和直筒式溢流管水力旋流器的壓力降變化趨勢(shì)相似，隨著速度的增加壓力降大幅度提高，這是由于入口流量的增加導(dǎo)致流體切向入口速度增加，旋流器內(nèi)的離心力場(chǎng)增強(qiáng)所致。如圖4所示，隨著角度的增大，旋流器的溢流壓降和底流壓降都會(huì)降低，并且角度越大，壓降越小，所以改變結(jié)構(gòu)后的 W式溢流管水力旋流器壓力損失略小，且傾角θ越大，壓力損失越小。

圖4 不同角度的壓降圖

圖5 W式溢流管不同角度對(duì)分離效率的影響

3.2 速度和角度對(duì)分離效率的影響分析

分離效率是檢測(cè)旋流器的最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，分離效率為溢流口處油的質(zhì)量流量占入口處油的質(zhì)量流量的比例分率。由所得的模擬數(shù)據(jù)，用origin畫(huà)成的曲線(xiàn)圖如圖5所示。由圖5可知，W式溢流管水力旋流器較直筒式溢流管水力旋流器分離效率高，且隨著傾角θ的增大，分離效率增加，當(dāng)傾角θ為 14°和21°時(shí)，分離效率最高，之后隨傾角θ的增大而降低，可見(jiàn)分離效率隨θ傾角的變化為先增加后降低。并且在不同速度下，分離效率曲線(xiàn)的趨勢(shì)是一樣的，所以對(duì)分離效率起到了驗(yàn)證的作用。W式溢流管傾角的設(shè)計(jì)對(duì)混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，減小了油水混合液與溢流壁的碰撞，從而減小了能量損失，對(duì)分離性能的提高起到了一定作用。

4 結(jié)論

1）通過(guò)以上對(duì) W式溢流管的數(shù)值模擬分析可知，與直筒式溢流管相比，W式溢流管對(duì)分離效率的提高有一定的作用，如 W式溢流管水力旋流器的速度場(chǎng)比直筒式溢流管的旋流器更加穩(wěn)定。

2）W式溢流管角度為14°和21°的時(shí)候，分離效率達(dá)到最大，溢流處流場(chǎng)穩(wěn)定；W式溢流管角度為30°的時(shí)候，旋流器分離效率開(kāi)始下降。W式溢流管的壓降隨著角度的增大而降低，可知當(dāng)角度為14°和 21°時(shí)，能耗也較低。

3）傾角的設(shè)計(jì)對(duì)混合液與溢流壁相遇起到了緩沖作用，避免混合液與溢流器壁相撞時(shí)損失過(guò)大，對(duì)旋流器分離性能的提高起到了一定作用。

[1] 任相軍，王振波，金友海.軸流式氣液旋流分離器分離性能試驗(yàn)研究[J].石油化工設(shè)備，2009，38(3)：16-20.

[2] 龔險(xiǎn)峰.溢流口結(jié)構(gòu)對(duì)除油旋流器分離性能影響的試驗(yàn)[J].油氣田地面工程，2002，21(4)：127-128.

[3] 丁旭明，王振波，金有海.兩種入口結(jié)構(gòu)旋流器性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].化工機(jī)械，2005，32(2)：69-71.

[4] 賀杰，蔣明虎.水力旋流器[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[5] 韓占忠，王敏，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M] .北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.