曹 禹，崔少平，劉曉亮

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065 )

導(dǎo)流葉片螺距對(duì)前置型超音速分離器流場(chǎng)特性的影響

曹 禹1，崔少平2，劉曉亮1

（1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065 )

超音速分離器主要由Laval噴管、旋流管和擴(kuò)壓管等主要部件組成，是一種高效節(jié)能的脫水凈化裝置。由于旋流位置的不同，分離器內(nèi)部流場(chǎng)的特性變化也會(huì)不同。本文通過研究前置型旋流段內(nèi)導(dǎo)流葉片螺距的不同對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)分離器旋流段內(nèi)部結(jié)構(gòu)和旋流段位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高超音速分離器的脫水效率。

旋流段；導(dǎo)流葉片；數(shù)值模擬；流場(chǎng)特性

超音速分離器由于外形結(jié)構(gòu)和工況條件對(duì)其管內(nèi)液滴生長(zhǎng)、氣液旋流分離和流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響較為敏感，使得該方面的研究進(jìn)展較為緩慢。國(guó)內(nèi)對(duì)超音速低溫脫水技術(shù)的研究中，理論分析和數(shù)值模擬占多數(shù)。天然氣組分因地域不同而差異較大，加之液滴成核和生長(zhǎng)理論不完善，實(shí)驗(yàn)技術(shù)不成熟，使得僅有個(gè)別機(jī)構(gòu)對(duì)其展開了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。西安石油大學(xué)康勇等人對(duì)組合可調(diào)式超音速分離器進(jìn)行了深入的研究設(shè)計(jì)，利用流體數(shù)值模擬軟件CFD對(duì)超音速分離器的多種可調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量數(shù)值模擬研究，設(shè)計(jì)加工了一種便于拆卸和調(diào)節(jié)的超音速脫水裝置，并正在建立相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以對(duì)比分析模擬結(jié)果和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的差異[1]。

國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者對(duì)于低壓超音速氣液分離器的數(shù)值模擬研究較多，室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，至今還處于探索研發(fā)期，在天然氣工業(yè)中并未能實(shí)現(xiàn)從理論和實(shí)驗(yàn)研究向工業(yè)商業(yè)化的轉(zhuǎn)變。

1 超音速分離器的基本原理

超音速分離器主要由Laval噴管、旋流器、分離直管、環(huán)形排液管和擴(kuò)壓管等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中關(guān)鍵部件Laval噴管包含收縮管、喉管和漸擴(kuò)管。

圖1 超音速分離管的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 supersonic separation tube structure diagram

超音速分離器的設(shè)計(jì)理念結(jié)合了超音速風(fēng)洞、工程熱力學(xué)和流體力學(xué)等方面的理論。飽和天然氣流經(jīng)Laval噴管的特殊變截面管道時(shí)絕熱膨脹，溫度迅速下降至氣體露點(diǎn)，同時(shí)壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而形成低溫低壓高速流場(chǎng)。液滴首先在Laval噴管漸擴(kuò)段形成，以離散相的形式與氣流混合在一起，氣液混合物通過機(jī)械旋流作用產(chǎn)生不同的離心力。凝析達(dá)到平衡的液滴被甩到管壁，經(jīng)環(huán)形排液管離開。干氣流進(jìn)入擴(kuò)壓管，壓力回升，流速降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能[2]。Laval噴管相當(dāng)于透平膨脹制冷機(jī)，旋流管相當(dāng)于分離器，而尾段擴(kuò)壓管相當(dāng)于二次壓縮機(jī)。超音速分離管內(nèi)部流道示意圖如圖2所示，其整體形式為單進(jìn)雙出流道。

圖2 超音速分離管內(nèi)部流道示意圖Fig.2 supersonic separation pipe internal flow diagram

2 前置型超音速分離器的設(shè)計(jì)理念

所謂前置型超音速分離器,就是將旋流裝置安裝在分離器的入口端。本文中的旋流裝置是一段螺旋導(dǎo)流葉片，將螺旋導(dǎo)流葉片安裝在距分離器入口一段距離的管道內(nèi)，使氣流在進(jìn)入Laval噴管之前就發(fā)生旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入噴管后，氣流的壓力、溫度降低，速度大幅度增加，實(shí)現(xiàn)氣流從亞音速到音速再到超音速的轉(zhuǎn)變，然后進(jìn)入分離管段時(shí)液體與氣體被分離開，進(jìn)而達(dá)到氣液分離的目的。

3 前置型分離器物理模型的建立

3.1 導(dǎo)流葉片的設(shè)計(jì)要求

導(dǎo)流分離葉片的長(zhǎng)度L不能過長(zhǎng)，隨著導(dǎo)流葉片的長(zhǎng)度不斷增加，螺旋流與管壁的碰撞面積及接觸次數(shù)會(huì)隨著增加，由此會(huì)加大氣流的能量損失，可能會(huì)導(dǎo)致超音速分離管出口分流增多[3]。

通常導(dǎo)流葉片的形式是根據(jù)氣流壓力的大小來選擇的，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，本文選擇中高壓氣流為研究對(duì)象，因此導(dǎo)流葉片的形式選為高壓螺旋圓弧葉型。

超音速分離管旋流器的設(shè)計(jì)要求需滿足[4]：1）尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易拆卸安裝；2）葉片光滑,前緣半徑較小，厚度和彎度盡量小；3）旋流分離強(qiáng)度高，葉片后氣流切向速度分布均勻；4）避免激波或?qū)⒓げㄎ恢每刂圃跀U(kuò)壓管入口附近。

圓柱螺旋線參數(shù)方程為：

式中，a為圓柱螺旋線半徑， 為螺距，θ= ωt=2πnt，ω為角速度，式中對(duì)左螺旋線取負(fù)號(hào)，對(duì)右螺旋線取正號(hào)。

圓錐面方程可以表示為：

圖3為螺旋導(dǎo)流葉片和配管的擰裝圖，本文主要模擬分析研究導(dǎo)流葉片不同的螺距對(duì)分離器內(nèi)部流場(chǎng)的影響。

3.2 模型的建立

圖3 螺旋導(dǎo)流葉片和配管的擰裝圖Fig.3 spiral guide vane and the twist of the piping diagram

因螺旋葉片安裝在分離器入口前端，所以對(duì)模型的入口直管進(jìn)行了加長(zhǎng)，主要是為了使氣流穩(wěn)定。利用SOLIDWORKS創(chuàng)建的三維物理模型如圖4所示。

圖4 前置型超音速脫水裝置的物理模型Fig.4 type front supersonic dehydration unit of physical model

根據(jù)前置型超音速分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分區(qū)域劃分網(wǎng)格[5]。螺旋導(dǎo)流葉片的幾何型線較為復(fù)雜，其附近區(qū)域流場(chǎng)的計(jì)算精度要求較高，先采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，然后利用Fluent軟件將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格。Laval噴管、分離直管和擴(kuò)壓管的幾何型線較為規(guī)則，故采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分，劃分好的網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 物理模型的網(wǎng)格劃分Fig.5 mesh of physical model

4 帶有導(dǎo)流葉片的前置型超音速分離器的模擬分析

將葉片數(shù)目為1、螺距為60mm的導(dǎo)流葉片安裝在噴管入口附近，設(shè)置其為基本模型D，在基本模型的基礎(chǔ)上研究其導(dǎo)流葉片的螺距大小對(duì)裝置內(nèi)部流場(chǎng)性能（溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、激波位置和旋流強(qiáng)度等）的影響。在基本模型D的基礎(chǔ)上將葉片螺距進(jìn)行放大和縮小，設(shè)螺距分別為30mm和90mm，其他參數(shù)固定不變。利用Fluent對(duì)新建物理模型進(jìn)行模擬計(jì)算，圖6、7、8分別為3種螺距對(duì)應(yīng)模型沿軸向位置的溫度、速度和壓力變化對(duì)比曲線。

圖6 溫度沿軸向變化對(duì)比曲線Fig.6 changes along the axial temperature contrast curve

圖7 速度沿軸向變化對(duì)比曲線Fig.7 speed changes along the axial curve

圖8 壓力沿軸向變化對(duì)比曲線Fig.8 pressure change along the axial curve

從對(duì)比曲線可以看出，氣流經(jīng)過螺旋導(dǎo)流葉片時(shí)，溫度變化較為平緩，流速略有增長(zhǎng)，壓降隨著螺距的增加而減小。在Laval噴管內(nèi)，溫度迅速下降，在漸擴(kuò)管出口均達(dá)到谷值，30mm模型降溫至134.59K，60mm模型降溫至136K，90mm模型降溫至136.74K，表明膨脹溫降與螺距呈反比關(guān)系。在喉管上游，流速的增長(zhǎng)幅度隨螺距的增大而減小。漸擴(kuò)管上游（x=0.48m）的溫度小幅度上升，原因是此處有膨脹波產(chǎn)生，但對(duì)流場(chǎng)低溫環(huán)境影響較小。當(dāng)流體經(jīng)過分離直管時(shí)，溫度一直保持較低值，較好地抑制了凝結(jié)液滴在離心分離過程中出現(xiàn)二次蒸發(fā)現(xiàn)象[6]。在擴(kuò)壓管入口附近溫度和壓力陡然上升，其原因主要是超音速流向亞音速流轉(zhuǎn)換必然有激波產(chǎn)生；隨著螺距的減小，激波后的流速、溫度和壓力變化更為平緩。相比之下，螺距30mm和60mm的模型流場(chǎng)性能較為穩(wěn)定。

圖9分別為3種螺距超音速分離器在不同特征截面的切向速度分布圖，這里代表性地選擇了導(dǎo)流葉片尾緣（x=0.2m）和分離直管出口（x=0.66m）的速度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖9中（a）、（b）和（c）顯示，隨著螺距的增大，導(dǎo)流葉片尾緣的旋流渦心逐漸偏離直管中心線位置，螺距為90mm時(shí)，該位置速度場(chǎng)的均勻性較差。從圖9（d）可以看出，分離直管出口的切向速度沿徑向呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，隨著螺距的增大，切向速度變化斜率隨之減小，同時(shí)靠近壁面的最大切向速度值越來越小。當(dāng)螺距為90mm時(shí)，旋流渦心偏向一側(cè)，最大切向速度僅為39.17m·s-1，在分離直管內(nèi)所能提供的旋流強(qiáng)度偏小，分離性能較低；當(dāng)螺距取30mm時(shí)，旋流渦心靠中心點(diǎn)，最高切向速度達(dá)69.45m·s-1，離心加速度為32896.68g，且切向速度沿徑向分布對(duì)稱，可保證分離直管具備持續(xù)較佳的離心力。

綜合上述3種螺距對(duì)超音速分離器流場(chǎng)平穩(wěn)性和旋流效果的影響可知，螺距為30mm的模型在穩(wěn)定性和分離性能兩個(gè)方面表現(xiàn)最佳。

5 結(jié)論

利用數(shù)值模擬,通過對(duì)前置型超音速分離器導(dǎo)流葉片不同螺距對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部特性的分析研究,得出以下結(jié)論：

1）螺距為60mm的基本模型的數(shù)值模擬表明，流體在旋流管先形成旋切速度較小的旋流場(chǎng)，葉片尾緣旋流方向基本一致，在流經(jīng)Laval噴管的過程中，流體軸向速度迅速加速到超音速，切向速度隨之增大。流體在漸擴(kuò)管和分離直管能持續(xù)保持低溫狀態(tài)，可較好地避免液滴的二次蒸發(fā)現(xiàn)象。

圖9 不同特征截面的切向速度分布Fig.9 different characteristics of the cross section of the tangential velocity distribution

2）在前置基本模型D的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)螺距的大小分析流場(chǎng)變化的情況。隨著螺距的減小，分離直管內(nèi)的離心加速度有所提高，分離管出口的分離性能得到了改善，同時(shí)下游擴(kuò)壓管內(nèi)流場(chǎng)變化較為穩(wěn)定。綜合對(duì)比，螺距為30mm的模型分離性能較佳，旋流渦心靠中心點(diǎn)，離心加速度達(dá)32896.68g。

3）跟氣流在Laval噴管后段發(fā)生旋流作比較,氣流經(jīng)過安裝在Laval噴管前段的導(dǎo)流葉片時(shí)不會(huì)產(chǎn)生膨脹波和激波，在一定程度上減小了能耗，增強(qiáng)了流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

[1] 康勇.超音速低溫旋流分離器拉瓦爾噴管流場(chǎng)數(shù)值分析[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，41(4)：594．

[2] 曹學(xué)文.超音速旋流天然氣分離器研究[J].天然氣工業(yè)，2007，27(7)：109．

[3] 張帥.螺旋擰裝式導(dǎo)流葉片對(duì)超音速分離器旋流管速度場(chǎng)的影響[J].廣州化工，2015，43(24)：90-92．

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[6] Wen Chuang, Cao Xuewen, Yang Yan. Swirling flow of natural gas in supersonic separators[J]. Chemical Engineering and Processing, 2011, 50: 648．

Influence of Guide Vane Pitch on Flow Field Characteristics of Lead Type Supersonic Separator

CAO Yu1, CUI Shaoping , LIU Xiaoliang1
(1.School of Petroleum Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China; 2.School of Mechanical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an 710065, China）

The supersonic separator was mainly composed of Laval nozzle, swirl tube and diffuser, and it was an energy eff cient main components of dehydration device. Because of the swirl in different position, change characteristics of separator internal f ow f eld would be different. This paper mainly studied the effects of different type of Whirl f ow in front of the guide vane pitch separator internal f ow f eld, in order to achieve the separator Whirl f ow internal structure and Whirl f ow position optimization design, and then improved the dehydration eff ciency of supersonic separator.

rotational f ow section; f ow guide vane; numerical simulation; f ow f eld characteristics

TE 868

A

1671-9905(2017)02-0059-04

2017-01-03