直流式气液旋流分离器高效数值求解算法

为了克服直流式气液旋流分离器数值计算过程中收敛速度较慢、健壮性较差的问题,急需引入高效稳定的数值求解算法。首先建立了直流式气液旋流分离器的物理数学模型,然后分别采用SIMPLE、SIMPLEC和IDEAL 3种压力速度耦合算法对旋流器进行数值求解,比较了3种算法的计算效率和健壮性。数值计算结果表明:在不同网格数量、入口速度和湍流模型下,IDEAL算法的收敛性和健壮性均优于传统的SIMPLE和SIMPLEC算法,因此建议在旋流器数值计算中采用高效稳定的IDEAL算法。研究结果为后续旋流器内气液两相复杂流动特性的研究及分离性能的预测奠定了基础。     

圆管气-液旋流分离器的数值模拟

建立了圆管气-液旋流分离器结构设计简化模型,通过研究液滴和气泡的轨迹并结合传统分离器的设计经验,完成分离器的结构参数设计和计算。使用Fluent软件对单、双入口分离器内部速度分布和压力分布进行数值模拟研究。轴向速度在分离器中心区域方向向上,在该区域外侧向下,拟合了最大轴向速度与入口混合物速度的经验关联式;切向速度在分离器中心位置为0,在径向先增大后减小,在壁面处为0,漩涡在最大值两侧分为两层,内侧为准强制涡,外侧为准自由涡;径向速度数量级比切向速度和轴向速度均小,并且在轴线的两侧一正一负,在分离器中心位置为0,沿着径向先迅速增大后减小,在壁面处为0。在下部液相空间的截面上,压力在圆管壁面处最大,在中心处最小;在轴向上,随着液位的升高,压力逐渐增大。对比单、双入口分离器的模拟结果,双入口切向速度、径向速度和压力的分布对称性更好,流场更稳定,动能损失更小,由此证实了在单入口情况下,分离器流场的不对称性由入口效应所致。     

水下旋流气液分离器研究进展

旋流气液分离器能够实现高气速、高气液比工况下的气液分离,从而满足降本增效的要求。通过调研国内外水下旋流气液分离器的研究成果,对不同类型的水下旋流气液分离器进行了重点评述,从旋流场内液滴破碎机理、分离器内部流场参数等方面论述了水下旋流气液分离器的理论研究进展。结合工程实际需求,提出了水下旋流气液分离器研究中的不足及其未来的研究方向:建立水下旋流气液分离器的独立设计准则;进一步完善液滴在旋流场中破碎与聚合的理论研究;将旋流气液分离器与其他形式的分离器相结合,形成综合性的分离系统。     

气液两相流管束分离器数值模拟与实验验证

由于气液两相流分流分相法计量分离器存在结构复杂、液位难稳定等特点,设计加工了一种新型气液两相流管束分离器,通过数值模拟得到不同气、液相折算速度及不同流型入口条件对管束分离器分离效果的影响,并进行实验验证,对分离器的工作性能进行评估。结果表明:在分层流、段塞流、环状流流型条件下,分离器内气液分离效果较好,且分离器内气液相界面保持稳定,维持在分离器中部。实验验证可知:当气相流量在50~1 500 L/min、液相流量在50~2 400 kg/h范围内时,分离器内气液相界面保持稳定,分离误差均在±2.5%以内,计量效果良好,与模拟结果吻合。设计的管束分离器结构简单、工作液位稳定,为两相流分流分相法计量分离器的设计提供了技术支持。     

CO_2驱采出液分离器内构件分离特性数值模拟北大核心

CO_2驱采出液中含有大量CO_2气体,在气液分离过程中易产生泡沫,通过对卧式分离器内部导流板和消泡板的分离特性进行数值模拟,探讨其内部构件对CO_2驱采出液分离效果的影响。拟合分离器运行工况下采出液的物性参数,采用CFD中的多相流混合模型,对分离器中导流板的4种放置角度(15°、30°、45°、60°)进行数值模拟,结果表明:导流板放置角度越大,对气液分离的影响越有利,但影响逐渐减弱,在综合考虑导流板使用稳定性及寿命的情况下,选取导流板最优放置角度为45°;采用群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)与CFD多相流模型相互耦合,对分离器中放置的1~3个消泡板进行数值模拟,结果表明:分离器内消泡板数量越多,其消泡效率越强,该研究结果为设计更高效CO_2驱采出液的分离器提供了一定依据。     

超级稻育秧精密播种器内部流场的数值模拟

为分析超级稻育秧精密播种器吸种性能的影响因素,及精密播种部件内部气室流场的变化规律,利用FLUENT对气吸式滚筒内部气室三维流场进行了研究。模拟计算采用三维、可压、黏性、湍流模型和SIMPLE数值计算方法,通过计算发现,在气吸式滚筒有涡流产生;进入吸孔的气流,以一定的倾斜度与吸孔内壁产生碰撞;随着气体逐渐远离滚筒内壁,气体的碰撞和分离沿滚筒轴截面产生多个旋涡。研究结果表明:采用内部流场数值模拟可获得试验中难以得到的吸孔和气吸式滚筒内部流动规律,不同直径的吸孔对气流有着明显的影响,直径为1.5 mm吸孔的速度流线分布最好、吸种性能最佳。     

水下分离器入口预分离构件的数值模拟

为了考察水下分离器入口预分离构件在高气液比工况下的分离效果,利用流体动力学软件FLUENT对其进行数值模拟.针对水下分离器3种长径比和3种入口倾角,建立了9个入口预分离构件的物理模型,通过模拟计算得到了各模型内部速度分布云图、速度曲线图及液滴分离效率图,并进行对比分析.结果表明:不同长径比和入口倾角对入口预分离构件内部流场的影响程度不同,长径比为4∶1、入口倾角为0°的入口构件内部流场最稳定,气液分离效果最好.(图6,参6)     

CO_2驱采出液分离器内构件分离特性数值模拟

CO_2驱采出液中含有大量CO_2气体,在气液分离过程中易产生泡沫,通过对卧式分离器内部导流板和消泡板的分离特性进行数值模拟,探讨其内部构件对CO_2驱采出液分离效果的影响。拟合分离器运行工况下采出液的物性参数,采用CFD中的多相流混合模型,对分离器中导流板的4种放置角度(15°、30°、45°、60°)进行数值模拟,结果表明:导流板放置角度越大,对气液分离的影响越有利,但影响逐渐减弱,在综合考虑导流板使用稳定性及寿命的情况下,选取导流板最优放置角度为45°;采用群体平衡模型(Population Balance Model,PBM)与CFD多相流模型相互耦合,对分离器中放置的1~3个消泡板进行数值模拟,结果表明:分离器内消泡板数量越多,其消泡效率越强,该研究结果为设计更高效CO_2驱采出液的分离器提供了一定依据。     

离心泵内固液两相流动的三维数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对离心泵全流场的固液两相流速度场和压力场进行三维湍流动力学仿真分析.结果表明:叶轮流道沿程压强逐渐升高,叶轮轴向截面压强分布非对称性较明显;固液两相在同一壁面上的速度分布规律相同,叶片和前后盖板壁面的固液两相平均速度差达10%以上;扬程和效率的数值计算和试验测量值接近.     

双曲线型薄壁堰泄流规律的数值模拟

【目的】推求双曲线型薄壁堰堰流的基本方程式,确定双曲线型薄壁堰的流量系数,为实际工程中流量的控制和测量提供参考。【方法】根据双曲线构建了双曲线型薄壁堰,通过能量方程式推导其流量的计算公式;数值模拟了4种不同堰顶水头的过流能力,根据模拟的流量数据利用最小二乘法拟合流量与堰顶水头的关系式,与理论推求的堰流基本公式相结合确定双曲线型薄壁堰的流量系数,辅以RNGk-ε湍流模型数值求解气液两相流时均方程;使用半隐式SIMPLE(Semi-implicit method for pressure-linked equations)算法求解速度与压力耦合方程组,并用VOF(Volume of fluid)法模拟自由水面。【结果】理论公式计算的流量与数值模拟的流量相差甚微,相对误差在0.3%以内,证明本研究推求公式正确。【结论】双曲线型薄壁堰的流量与堰顶水头成正比关系,该关系为流量的控制和测量提供了便利。     

气液两相流瞬态数值模拟

多相流动的瞬态数值模拟最常用的是双流体模型,由于受技术垄断的影响,其相关求解资料较少.为此,通过采用有限体积法,将SIMPLE算法推广到两相流形成SIMPLE-MF算法,用于双流体模型的求解效果较好,并开发了两相流瞬态模拟程序.     

旋转栅对脱油型旋流器流场影响的数值分析

根据计算流体力学方法,利用雷诺应力湍流模型和多相流模型中的混合物模型,对采用叶片式、螺旋式和通式3种不同旋转栅的脱油型动态旋流器流场分别进行数值模拟,以揭示旋转栅流道结构对动态旋流器流场的影响。结果表明:旋转栅结构形式对动态旋流器内湍流强度和湍流耗散的影响非常大;螺旋式旋转栅可以降低动态旋流器内旋转栅附近的湍流强度,但对旋流器内整个流场湍流的改善并不明显;与叶片式和螺旋式旋转栅相比,通式旋转栅所产生的切向速度和轴向速度较大,具有更强的分离能力和更宽的高效分离域。     

新型卧式组合分离器的数值计算

以中国石油设计公司西南分院设计的新型卧式组合分离器为研究对象,采用基于Euler方法描述的气、液两相流体的漂移流动模型模拟分离器内部的两相分离,针对其分离元件的最优组合工况,基于CFD方法,对其内部的气、液两相流动进行数值计算,分析了气液分离过程和分离效率,并将结果与试验结果进行对比.结果表明：该新型组合式分离器分离效率较高,能有效脱除天然气中的液相成分,同时针对积水槽、排液管及积液高度控制提出了优化建议.（表1,图6,参5）     

一种新的旋流板阻力模型

从流体力学实验角度 ,研究了不同液气比情况下的旋流板阻力特性 .由试验结果 ,分析了旋流塔板压降与其结构、液气比、气体密度和气体塔板穿透速度等影响因子的无因子量化关系 ,利用回归分析手段 ,推导出了主要参数对旋流板阻力的回归并联式 ,提出了一个新的多参数旋流板阻力公式 .并将此公式与传统的旋流板阻力公式进行了比较 .发现 :传统的旋流板阻力公式只有穿孔动能因子F0 在 11kg0 .5/m0 .5·s左右时 ,计算误差较小 ,否则 ,计算误差非常大 .新的旋流板阻力计算公式适用范围广 ,不同液气比 ,不同穿孔动能因子情况下的计算误差在 10 %以内 .     

3D欧拉法和层流模型对水轮机转轮内部流场的数值模拟

3D欧拉法和层流解法都具有控制方程个数少，计算简单、省时的特点，均能够快速地在最优工况点附近得到合理的数值解。可以用于转轮叶片的初步的水力计算和其他湍流模型计算结果的校核。分别应用这2种算法对一混流式水轮机转轮内部流体的三维流动进行了数值模拟，方程离散采用有限体积法，插值采用二阶迎风格式，压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，计算了3个典型工况(最优工况、大流量工况和小流量工况)，得到了转轮内部合理的速度分布和压力分布。最优工况点的效率计算值比试验值高3．09个百分点，计算所需时间比标准κ-ε湍流模型少30％～40％。     

斜板式气液分离器流场的数值模拟

基于计算流体动力学(CFD)方法,应用ANSYS-CFX软件,分别应用标准k-ε模型和RNGk-ε模型,对斜板式气液分离器内部流场进行数值模拟计算,得到了在两种湍流模型下的分离器内部流场速度矢量分布规律、气体体积分数分布规律以及流体轨迹规律。对比两种湍流模型的分析结果表明:在流体流动快速畸变时,RNGk-ε模型的ε方程中增加的附加生成项会迅速增大,由此改善了对旋转流、浮力流等较复杂湍流的预报能力;与标准k-ε模型相对比,RNGk-ε模型更能合理地模拟斜板式气液分离器的内部流场分布。     

稠油在柱状旋流分离器中分离特性的数值模拟

针对特高含水时期中国油田在稠油集输方面面临的挑战,构建了低剪切强度的旋流场,利用柱状旋流分离器进行油水预分离,同时采用数值模拟的方法进行研究。选择混合模型与RNG k-ε模型对稠油的旋流分离特性进行数值模拟,分析稠油的分散相粒径、油品黏度、密度、底流比及入口流速等参数对柱状旋流分离器底流口含油率和压降的影响。结果表明:稠油在柱状旋流器内的分离特性与其他油品不同,其分散相粒径对底流口含油率影响显著,但对压降影响不大;油品密度、黏度对底流口含油率存在不同影响,并在所选黏度的研究范围内存在最佳分离黏度区(750～830 mPa·s);入口流速增大,底流口含油率降低;底流比对压降的影响并不显著,模拟结果与已有实验结果具有一致性。(图9,表1,参24)     

黄桥高含CO_2气田产出液单井集输工艺

为实现黄桥地区高含CO_2气井产出物高效回收及有效利用,采用热力学状态方程(PRSV状态方程、WS混合规则)和闪蒸计算理论对黄桥地区高含CO_2气井产出物进行相态计算,明确了黄桥地区高含CO_2井流的相图特征和CO_2对油气烃类体系相态的影响:含有CO_2的油气烃类体系p-T相图的气液两相区面积随CO_2摩尔分数的增加而显著缩小。根据产出液的相态特征,制定了单井地面工艺处理流程,分析了该产出液处理工艺中关键设备(旋流分离器、CO_2压缩机)的操作参数:当前选取的操作参数均处于旋流分离器的可靠工作区域内(单相气区);整个CO_2压缩机工作压力和温度范围内无液相析出。经验证,制定的黄桥地区现有高含CO_2单井集输工艺流程和设备操作工况参数合理,能够实现对该地区高含CO_2井流中游离水和液态原油的有效脱除,可在该地区类似条件区块推广使用。(图4,表2,参21)     

浑水分离清水装置无悬板时的流场数值模拟

对浑水分离清水装置内部清水流场的分布规律进行了三维数值模拟。应用标准的k-ε紊流模型进行数值模拟，控制方程的离散采用控制容积积分法，应用SIMPLE算法进行求解。同时也对计算结果中的速度场进行了分析，初步探讨了该浑水水力分离清水装置内清水流场的分布规律，经整体分析发现，浑水水力分离清水装置内存在一绕中心旋转的偏心涡旋，在同一水平面上的切向流速由中心至边壁是先增大后减小的，在锥体区和重力区轴向流速分布都是先增大，后减小的。     

离心式气液分离器流场的全三维数值模拟

针对适用于高密度、高粘度钻井液气液分离系统二级分离的离心式气液分离器,运用 CFD 商业软件对其进行了全三维数值模拟,通过选取适当的数学物理模型得出了分离器内部气液两相流的运动情况和分布状况,探讨了分离器内的局部流场情况,指出了原模型的一些不足,提出了改进后的分离器模型。