王增輝,馬興亮

(中海油石化工程有限公司 工藝室，山東 青島 266100)

軸流導葉分離器核心部件為導向葉片，因此, 導向葉片的形狀與尺寸對軸流導葉分離器的性能及分離效率有重大影響，導向葉片一般由4或8個葉片經(jīng)特定的曲線旋轉(zhuǎn)固定在圓筒壁上形成。短路流和二次流夾帶對分離器的分離效率影響較大。軸流導葉分離器結構簡單、過流面積大，中間流道的連接于管柱整體結構形式簡單，能夠與常規(guī)坐封工藝和起下作業(yè)工藝吻合，顯著降低加工制造難度和加工成本及現(xiàn)場操作技術難度，適宜于井下狹長空間環(huán)境的安裝操作，是用于井下分離設備的理想分離設備[1]。

1 建立模型

1.1 幾何模型

實驗實際測量與模擬計算驗證一樣均選取軸流導葉旋流分離器，軸流導葉旋流分離器是帶內(nèi)構件復雜的旋流分離器，其內(nèi)部的流場非常復雜。軸流導葉旋流分流器為軸向進料，由導向葉片強制導流產(chǎn)生旋流，在分離空間筒體段與椎體段實現(xiàn)氣液相分離。軸流導葉旋流分離器主要由進料室、導向葉片、分離空間筒體段與椎體段、排氣管以及集液槽組成[2]。其示意圖如1所示。

軸流導葉旋流分離器的筒體段直徑為100mm，采用的導向葉片傾斜角度為25°，導向葉片共有8個葉片，內(nèi)徑為70mm，外徑為100mm， 而排氣管的內(nèi)徑為60mm。由此可知導向葉片與內(nèi)徑之間存在一段為加厚段。此加厚段的作用是縮小導向葉片的流通截面積，提高氣液兩相流進料的速度，使導向葉片的造旋功能更好。

為防止氣相從底部流出，專門設置了集液槽。當軸流導葉分離器處于分離過程時，集液槽為封閉狀態(tài)。分離結束后打開放出其中的液相產(chǎn)品，收集液相產(chǎn)品，計算分離效率。因此集液槽的直徑要遠大于分離段。防止進入集液槽液相被旋流再次帶到軸流導葉分離器的分離段。軸流導葉分離器的各部分尺寸見表1。

圖1 軸流導葉旋流分離器

表1 軸流導葉旋流分離器尺寸

表1(續(xù))

為方便實驗測量的結果與模擬計算得出的壓力、速度值進行對比，在旋流分離器內(nèi)部由上到下取十個橫截面。軸流導葉旋流分離器導向葉片下方的環(huán)形空間取二個截面為Z1、Z2。軸流導葉旋流分離器分離筒體段取4個截面分別為Z3、Z4、Z5、Z6。軸流導葉旋流分離器分離椎體段取二個截面為Z7、Z8。同樣集液室取二個界面為Z9、Z10。以排氣管底部中心為坐標原點，具體橫截面縱向坐標如表2所示。

表2 分離器橫截面縱向坐標

表2(續(xù))

1.2 網(wǎng)格劃分

通過構體創(chuàng)建軟件得到流體經(jīng)過的區(qū)域時，幾何模型流體域建立后用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過程中的一個重要步驟，其劃分的好壞會影響到計算收斂的快慢和結果的準確性。一般來講，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，收斂所耗費的時間增加，但結果的準確性提高，應綜合考慮兩方面的因素。本論文進行旋流分離器的模擬計算，內(nèi)部為氣液兩相流場，計算時需要選擇雷諾應力模型，因此全部采用六面體網(wǎng)格，降低網(wǎng)格的總數(shù)目，在保證計算精度的前提下加快收斂速度。

由于軸流導葉旋流分離器內(nèi)部的導向葉片非常復雜且尺寸小而分離器筒體段與椎體段尺寸大。劃分網(wǎng)格時先將構體劃分為多塊子區(qū)域，各區(qū)域采用不同的尺寸，分別生成各個子區(qū)域的單元網(wǎng)格，再將各單元網(wǎng)格拼接形成總體網(wǎng)格。模擬計算前將各個子區(qū)域的交接面連接起來，這樣流體才能通過[3]。軸流導葉旋流分離器的網(wǎng)格圖如2所示。

1.3 邊界條件及計算方法

計算前處理設置入口(INLET)邊界類型為速度入口控制條件，流體介質(zhì)選為15℃下的空氣，入口速度為6.88m/s。入口介質(zhì)的密度為1.23kg/m3，粘度為1.78×10-5Pa·s。出口(OUTLET)為壓力控制條件，排氣管壓力為0atm；集液槽排液口不出任何物質(zhì)，為封閉壁面，氣相全部從排氣管流出。

選用RSM模型，流體的湍流強度認為是中等湍流強度取5%，壁面均為無滑移光滑壁面。殘差為10-5，離散格式采用高階處理方式，保證計算的準確度。采用局部步長法，加快收斂速度[4]。

由于RSM模型計算非常復雜，若初值不好收斂速度非常慢，甚至出現(xiàn)震蕩波動。因此首先用RNGk-ε模型上風方案離散格式計算得到的結果為初值，再用RSM模型高階離散格式得到最終結果。最終得到旋流分離器內(nèi)部的蘭金渦形式的內(nèi)部流場[5]。

實驗測量時軸流導葉旋流分離器的入口條件與數(shù)值模擬計算時一致，經(jīng)過煙霧發(fā)生器制造極少的煙霧跟蹤分子，通過LDV測速儀測得各分離器內(nèi)部橫截面的跟蹤霧滴的切向速度與軸向速度，得出其速度分布。軸流導葉旋流分離器導葉下方的環(huán)形空間每間隔2mm測一個點的數(shù)據(jù)，軸流導葉旋流分離器筒體段與椎體段間隔3mm測量一個點的數(shù)據(jù)而由于集液槽直徑大，集液槽每間隔5mm測量一個點的數(shù)據(jù)。每個點測量1000次取平均值作為此點測量值。同理利用五孔探針得到各截面各個點的壓力分布。同數(shù)值模擬計算得到的各截面速度壓力的數(shù)值進行對比分析。

2 切向速度對比

圖3為軸流導葉旋流分離器切向速度分布圖，由圖3可以看出氣液相進料經(jīng)過軸流導葉后才產(chǎn)生切向速度。在排氣管口附近切向速度最大。

圖3為軸流導葉旋流分離器切向速度模擬計算值與實測值對比圖。由圖可以看出軸流導葉分離器的筒體段與椎體段的切向速度模擬計算值與實驗實測值接近，導葉下方環(huán)形空間與集液槽處切向速度模擬計算值與實驗實測值有差距，但規(guī)律基本一致。

圖3 軸流導葉旋流分離器切向速度分布圖

圖4 各橫截面實測與模擬計算切向速度對比圖

軸流導葉旋流分離器的筒體段與椎體段的切向速度均呈蘭金組合渦結構，即內(nèi)部內(nèi)旋流為強制渦，切向速度隨半徑增大而增大；外部外旋流為自由渦，切向速度隨半徑增大而減小。強制渦即渦流內(nèi)各點有相同的旋轉(zhuǎn)角速度，就像旋轉(zhuǎn)的剛體一樣。因角速度相同則切向速度與旋轉(zhuǎn)半徑呈正比關系。自由渦即無摩擦流體的旋轉(zhuǎn)運動，即各流體微元的動量矩相同，則切向速度與旋轉(zhuǎn)半徑呈反比關系。如上圖所示各截面切向速度存在最大值。軸流導葉旋流分離器內(nèi)部流場切向速度最大的軌跡呈最大切線速度軌跡面。如上圖所示最大切線速度軌跡面為圓筒軌跡面形狀，且最大切向速度軌跡面在排氣管筒體內(nèi)部，其直徑為排氣管尺寸的2/3倍。筒體段與椎體段的最大切線速度值從上到下略有減小。

如圖4所示內(nèi)旋流切向速度從零到最大增大速度很快，而外旋流切向速度從最大值到器壁的較小值緩慢減小。同時近壁處切向速度仍然很大，則離心力也依然很大，有利于氣液相分離。軸流導葉旋流分離器導向葉片下方的環(huán)形空間切向速度分布比較平穩(wěn)，但最大切向速度數(shù)值比筒體段的要小。集液槽內(nèi)切向速度分布依然呈蘭金組合渦，同樣最大切向速度比筒體段小。除上述規(guī)律外，排氣管內(nèi)部靠近邊壁處切向速度依然高達15m/s，而排氣管中心很小。表明排氣管內(nèi)部也存在旋流，氣體邊旋轉(zhuǎn)邊上升[6]。

3 軸向速度對比

圖5為軸流導葉旋流分離器軸向速度分布圖，由圖可以看出排氣管下方區(qū)域，外側流體向下運動而內(nèi)側流體向上運動。存在一個軸向速度為零的曲面。

圖5 軸流導葉旋流分離器軸向速度分布圖

運用LDV下圖為軸流導葉旋流分離器軸向速度模擬計算值與實測值對比圖。由圖5可以看出軸流導葉分離器的筒體段與椎體段的軸向模擬計算值與實驗實測值非常接近，導葉下方環(huán)形空間與集液槽處軸向速度模擬計算值與實驗實測值有差距，但規(guī)律基本一致。

圖6 各橫截面實測與模擬計算軸向速度對比圖

如圖6所示：軸流導葉旋流分離器筒體段與椎體段的軸向速度可以分為二個區(qū)域，分離器內(nèi)部為向上流動的上行流，分離器外部為向下流動的下行流。二個區(qū)域間存在明顯的分界面，即軸向速度為零的軌跡面。在軸流導葉分離器器壁附近下行軸向速度達到最大值，對外旋流將液相帶到底部非常有利。而內(nèi)部的上行流在中間附近達到上行軸向速度達到最大值，而中間線附近存在一個滯留域，軸向速度減小甚至軸向速度出現(xiàn)變向的可能。軸流導葉旋流分離器內(nèi)部流場上行流與下行流間軸向速度為零的軌跡面稱零速包絡面。零速包絡面的形狀與軸流導葉旋流分離器筒錐段的形狀相似，其直徑為所在位置分離器直徑的0.6倍。與且隨軸向位置下移，下行流最大軸向速度略有減小[7]。

軸流導葉旋流分離器導向葉片下方的環(huán)形空間軸向速度為下行流，靠近內(nèi)部軸向速度大。集液槽內(nèi)中心區(qū)域的軸向速度為上行流，且數(shù)值較大。其他位置由于集液槽直徑擴大導致軸向速度較小。排氣管內(nèi)部邊壁處的軸向速度最大，中心基本為零，這是由于排氣管內(nèi)部大部分氣相流體在排氣管外部旋轉(zhuǎn)上升的緣故。

4 壓力對比

運用五孔探針測量軸流導葉旋流分離器的內(nèi)部壓力分布與模擬計算值進行對比，圖7為模擬計算得到的壓力分布圖。

圖7 軸流導葉旋流分離器壓力分布圖

下圖為軸流導葉旋流分離器內(nèi)部的壓力模擬計算值與實驗實測值對比，軸流導葉旋流分離器的分離空間筒體段與椎體段的壓力模擬值與實測值分布趨勢一致，但是分離器內(nèi)部的實測值比模擬值大，而分離器器壁附近的模擬值比實測值大。集液槽內(nèi)模擬值與實測值差距較大，但是趨勢一致。

圖8 各橫截面實測與模擬計算壓強對比圖

軸流導葉旋流分離器筒體段與椎體段內(nèi)部的壓力分布為中間區(qū)域的壓力低，而靠近邊壁處壓力高。這是由于軸流導葉旋流分離器的強旋流離心力場影響下形成。壓力從中心到邊壁逐漸增大，從中心到排氣管直徑處壓力增大的快，從排氣管直徑到邊壁處壓力增長的慢，這是由于外旋流的切向速度逐漸減小導致的。隨軸向位置下移，壓力略有減小。最大壓力出現(xiàn)在進料室位置處，最小壓力出現(xiàn)在底部中心處。進料室壓力比分離空間筒體段邊壁處壓力還大很多，表明流體經(jīng)過軸流導葉旋流分離器的導向葉片造旋將流體的靜壓能部分轉(zhuǎn)換成動壓能。

軸流導葉旋流分離器的集液槽內(nèi)壓力分布同筒體段與椎體段一致，均是中心壓力低，邊壁壓力高。且中心處壓力模擬值比實測值大，而邊壁處實測值比模擬值大的多。排氣管內(nèi)部依然是邊壁處壓力比中心處大，同樣由旋流導致。

5 結論

通過對軸流導葉旋流分離器內(nèi)部的切向速度場、軸向速度場及壓力場的模擬計算值與實驗實測值的考察可知。ANSYS CFD模擬計算軟件對旋流分離器的筒體段與椎體段的速度、壓力場預測良好，分離段切向速度均呈蘭金組合渦結構，軸向速度內(nèi)部流場上行流與外部流場下行，存在軸向速度為零的軌跡面稱零速包絡面。壓強外部高，內(nèi)部低?？蛇\用數(shù)值模擬替代實驗方案優(yōu)化旋流分離器操作參數(shù)與結構參數(shù)。