井下油水分离旋流器大锥角参数优化

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1、大庆石油学院学报第33卷第2期2009年4月J()URNAI()FDAQINGPETR0lEUMINSTlTUTEV01．33No．2Apr．2OO9井下油水分离旋流器大锥角参数优化王尊策，于玲玲，徐艳，王家新，苑井武。(1．大庆石油学院机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2．辽河油田沈阳采油厂．辽宁新民1OO3l6；3长城钻探有限公司，辽宁盘锦124OlO)摘要：利用Fluent软件，将油相体积分数为2、油滴粒径为4O“m的混合介质作为研究对象，对主直径为28mn、小锥角为1．5。的不同大锥角的井下油水分离水力旋流器内部流场进行数值模拟，

2、得到不同大锥角时切向速度、轴向速度、油相体积分数分布以及压力降与分离效率的关系．结果表明，当大锥角为26。时。外涡流区最大切向速度最靠近中心点，内涡流区切向速度沿径向的速度梯度变化不大，可降低液滴的剪切破碎；旋流器轴心处油相体积分数最大，混合介质中油相体积分数达到95．O，在壁面附近油相体积分数很小，此时水力旋流器的分离效果较好，可为井下油水分离旋流器的结构优化设计提供指导．关键词：大锥角；水力旋流器；井下油水分离；F1uent软件；数值模拟中图分类号：TE992．2文献标识码：A文章编号：J()OO—l89i(2o09)O2一oo78一O3油水分

3、离用水力旋流器是利用油水两相液体间密度差，通过离心力作用而实现油水分离的设备⋯．随着人们对旋流器分离机理的研究，大锥段的分离作用及其对整个流场形成的影响已引起重视．当水力旋流器应用于井下油水分离时，井下作业空间限制水力旋流器的径向结构而不利于分离，水力旋流器的处理量也会降低，从而对大锥段的结构参数选取提出更高的要求．大锥角作为水力旋流器的重要结构参数，其变化对流场分布、动量矩及分离效率有很大影响．在标准脱油型水力旋流器的结构中，大锥角为20。，小锥角为1．5。．基于实验的研究结果。一，大锥角应为25。～28。．拟利用Fluent软件[对水力旋流器大

4、锥段进行数值模拟，选取小锥角为1．5。、不同大锥角时的水力旋流器，确定井下水力旋流器的最佳大锥角角度值．1模型及数值解法1．1介质物性参数水的密度为9．982×l0kg／m。，水的动力黏度为3．O03mPa·s；油的密度为8．89×1Okg／m，油的动力黏度。为3．O6×1O。mPa·s．1．2网格划分及数值解法选用典型的双锥体液一液水力旋流器，只改变大锥角a，对旋流器的切向速度、轴向速度、压力降以及油相体积分数进行数值模拟．大锥角分别取为25。，26。，27。，28。．旋流器主直径为28mm，小锥角为1．5。．分析时选取与旋流器顶部距离Z为0．O

5、86m处的截面．将溢流嘴所形成的体从旋流器中去掉，简化水力旋流器结构，同时将入口简化为环形截面，为减少计算网格数量，将对流场影响较小的尾管段忽略不计．采用贴体坐标划分网格，分区域生成非结构化网格，使网格分布与计算域的几何形状一致，以捕捉边界特征．基于有限体积法，将控制方程转换为可以用数值方法求解的代数方程；方程的离散对对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式；压力一速度耦合采用sIMPIE算法，压力插值为PREST()!格式．旋流器模型的网格划分见图1．收稿日期：2o08一O9一l8；审稿人：赵立新；编辑：任志平基金项目：黑龙江省教育厅科

6、研项目基金(1】53lO08)作者简介：王尊策(1962一)，男，博士。教授。博士生导师，主要从事石油机械T程方面的研究·78·第2期王尊策等：井下油水分离旋流器大锥角参数优化1．3边界条件(1)人口边界：油水两相流体均匀混合，垂直边界流人．人口速度i—q／Ai，入口处湍动能Ki一(0．12。)。，人口处湍动能耗散率￡i—K／(0．O07D)．其中，C一0．o9为经验常数，为入口流量，A为入口截面积，D为入口当量直径，与Al相关．(2)溢流出口边界：溢流速度一4q。／(7c)，溢流口湍动能K，=(O．12。)。，溢流口湍动能耗散率s。：CK／(0．

7、O07d。)．其中，。溢流口直径，q，溢流口流量．图l旋流器网格划分(3)底流出口边界：按照湍流流动充分发展处理．(4)固壁边界：按无滑移边界条件处理．2控制方程雷诺应力模型适合于水力旋流器的流场分析，且雷诺应力输运方程中的对流项和产生项可以随流线曲率的旋转而自动调节，具有更强的描述复杂湍流的能力．为改善旋流器中强旋湍流的预报结果，采用基于各向异性湍流的代数应力模型或雷诺应力模型．3结果分析l2选用入口流量为4m。／h的水力旋流器，入口处油相体l()一-二积分数为2％．3．1切向速度不同大锥角时水力旋流器的切向速度分布曲线见图2．型。尽由图2可知，

8、从边界开始，随半径的减少速度逐渐增大，到达2最大切向速度点后，切向速度逐渐减小，直至中心点处切向()速度值为O_1]．以最