螺旋管内油水分离流场数值模拟分析.pdfVIP

第 22卷 第 1期 中国海上 油 气 Vol_22 NO．1 2010年 2月 CHINA OFFSHORE OIL AND GAS Feb．2010 螺旋管内油水分离流场数值模拟分析 王 涛 李清平 喻西崇 姚海元 (中海油研究总 院) 摘 要 利用 Fluent软件 ，采用 Realizablek-e模 型对不同流速、不同开孔条件下螺旋管 内部流场 进行 了数值模拟分析 。入 口流速较高时，螺旋管内油水界面为向 内侧管壁倒伏的 “V”字形 ，“V”字 形 内侧为油相 ，外侧为水相 ；螺旋管横截面上流体速度与压力沿径向由内侧管壁向外侧管壁逐渐增 大。根据模拟结果提 出了螺旋管开孔优化设计方法：在 高入 口流速下，螺旋管外侧管壁开孔位置应 选择在螺旋管横截面水平位置及其上、下一定 角度 处(同时开孔)，从而提 高油水分 离效率；在保证 管 内压力为正值的前提下 ，可考虑在 内侧管壁开孔释放分 离出的油。为降低 系统压损 ，应尽量降低 入 口流速 。 关键词 螺旋管 油水分 离 数值模拟 开孔位置 螺旋管旋流分离技术是一种油水分离技术 ， 分离的新开孔方法 。 目前还处于工业试验和数值模拟研究阶段 。 “十 1 模型选择及数值模拟条件 五”期 问，中海石油研究 中心与 中国科学 院力学研 究所合作率先将螺旋管旋流分离技术应用到 了工 1．1 模型选择 业试验分离器样机 中，通过现场试验取得 了较好 在数值模拟计算 中，模型的选择直接影 响到模 的油水分离效果 ；同时 ，中国科学院力学研究所龚 拟结果的正确性 。大量的紊流计算表明k-e模型具 道童 、周永等人采用 多相流模 型对螺旋管在低入 有较好 的计算稳 定性 、经济性和计算结果 的准确 口流速 (0．797m／s)下 的油水 分离进行 了数值模 性l3]，但是标准是一￡模型在处理 Reynolds应力的各 拟和实验研究 ，提出了低人 口流速下螺旋管管壁 个分量时假定粘度系数 是相 同的，即假定 是 的最佳开孔位置 ¨1]。在低入 口流速下 ，由于流体 各向同性的标量 ，而在弯曲流线的情况下 ，湍流实际 所受 的径 向离 心加速度较小 ，此 时重力加速度对 上是各向异性 的，因此 ／1也应该是各 向异性 的张 油水分离是一项不 能忽略 的重要影 响 因素 ，同时 量 。文献E43中指出，标准 k-e模型在时均应变率特 较低 的径 向离心加速度也不利于油水快速分离。 别大的情形下有可能导致负的正应力，从而可能导 而在高速旋转情况下，液滴能得到较大 的离心加 致模拟结果失真 。而 Realizable是一￡模型在计算湍 速度 ，油水会产生快速分离 ，分离系统 的分离效率 动粘度时充分考虑 了旋转的影响，这样就使模拟结 能得到提高 ，这样就能大大减 小分离系统 的体积 。 果能够更加接近实际情况 ，因此本文选用 了Realiz— 高效、紧凑螺旋管油水分离系统 的研究，对于螺旋 ablek-e模型。 管旋流分离技术在海洋采 油平 台工艺分离系统中 在利用 Fluent软件计算时，对多相流模型选择 的应用有着重要 意义 。本 文对入 口流速 为 1．5～ 了混合模型 。混合模型是一种简化的多相流模型， 15．0m／s情况下螺旋管 内流场 、管线压 降进行 了 可用来求解以不同速度运动的多相流动 。它假设在 模拟分析 ，并选择较高人 口流速 (15．0m／s)模拟 非常小的空间尺度上流体各相在速度上是平衡的 ， 了不 同开孑L位置下螺旋管 内油水分布状况 ，并根 相之间的耦合非常强烈 ，因此