不同参数下旋流器内油滴运动的模拟研究.pdf

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1、石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第4期．I专题研究不同参数下旋流器内油滴运动的模拟研究马艺金有海王振波(中国石油大学(华东)机电工程学院)摘要利用Fluent软件研究不考虑油滴破碎聚结时，不同粒径和入口位置的油滴粒子运动过程及粒子流的分布规律。求解过程中采用离散随机轨道模型，该模型的速度波动成分被离散为时间函数。结果表明，导叶式旋流器内油滴颗粒存在3种运动轨迹，颗粒受到溢流管处短路流的影响，在进入环形空间后很快向溢流管漂移，并进入内旋流上升得到分离；颗粒摆脱了短路流

2、的影响，向下运动的距离增加，在锥段进入内旋流后随上行流进入溢流管；颗粒受到离心力的作用，随外旋流从底流管逃逸；入口位置对旋流器内颗粒的运动规律和停留时间影响不大；颗粒总体上是均匀分布于各个流道的。关键词旋流器粒径入口位置运动轨迹离散相力，gx(P一P)为重力，F为其他力，包括0引言质量力F=2(u—u)和压力梯度引起的dtpp计算流体力学(CFD)技术以其成本低、周期力F。短和适用性强等优点，已在旋流分离领域得到了广旋转流场中的力、布朗力、温度梯度引起的力泛的应用¨j。水力旋流器工作时的液流是多相流在此不

3、做讨论。运动，如果次相的体积分数大于10％，则可把次1．2随机轨道模型(粒子的湍流分布)相当成连续相处理，采用欧拉一欧拉方法分析；随机轨道模型运用瞬时速度沿着粒子轨迹对每如果次相的体积分数小于10％，则可把次相当成个粒子的轨迹方程进行积分，从而可以解释湍流对离散相，采用欧拉．拉格朗日方法——离散相模型粒子的随机影响。在求解过程中，采用离散随机轨进行分析。离散相模型(DPM)可以模拟出粒子道(DRW)模型。该模型的速度波动成分被离散在旋流器的运动轨迹、停留时间及粒级效率J。为时问函数，在每个时间间隔内其随机

4、值是常数。笔者利用Fluent软件研究不考虑油滴破碎聚结时，不同粒径和人口位置的油滴粒子运动过程及粒子流DRW模型在粒子粒径均匀的强异质流中给出了非的分布规律。物理性结果，粒子集中在低湍流区。1．2．1轨迹方程1离散相模型轨迹方程和描述粒子之间热或质量传递的辅助方程用时间步微分方程积分求解。在每个时间步求1．1粒子的运动方程(粒子力平衡方程)解方程，得出沿着粒子轨迹的每一点的粒子速度。通过求解粒子的力平衡方程来预测离散相粒子粒子轨迹通过下式预测：的轨迹，作用在粒子上的力和粒子惯量相等，即dxd：Up(2)

5、dlZp：(一)++Fx(1)假设在每个时间间隔内包含的体积力为常数，“Pp式中，F。(“一“。)为单位质量粒子间的拖拉作用在粒子上的其他力是线性的，则轨迹方程可简基金项目：国家科技部863课题“井下多相分离、同井采油回注及油砂混举技术研究”(2006AA06Z224)。2010年第38卷第4期马艺等：不同参数下旋流器内油滴运动的模拟研究一13一化为：快向溢流管漂移，并绕过溢流管外壁进入内旋流上dup升得到分离(见图2a)；②颗粒摆脱了短路流的影d：(u一“，)(3)响，向下运动的距离增加，在锥段进入内旋

6、流后随式中——粒子豫驰时间。1．2．2积分时间摹辜预测粒子分布利用时间刻度积分概念来描述沿着粒子轨迹湍流运动所用的时间，即=其中，粒子的积分时间正比粒子扩散率和流体中的湍流运动，且粒子的扩散用““表示。，；ab2计算模型与初始条件图1+1om油滴运动轨迹采用的基准结构为DN50型导叶式旋流器。介霉‘萃质的主相为水，密度为1000kg／m，粘度为1×10Pa·s；离散相为汽油，密度为729．4kg／m，粘度为48×10一Pa·s。水相初始条件：①采用速度人口条件，根据人口流量除以人口截面积计算得到；②出口采

7、用充分发展条件。油相初始条件J：①采用速度人口条件，其‘bC中水相速度与油相速度相同，认为颗粒在进入旋流4,50m油滴运动轨迹器时已具有良好的跟随陛，与水相之间不存在速度滑移；②相应边界条件人口为逃逸，溢流口为捕捉，底流口为逃逸，壁面为反射。3计算结果3．1不同粒径的油滴在流场中的运动轨迹油滴在水力旋流器内的运动轨迹与油滴粒径有关，这里默认油滴颗粒由人口中心点射入。笔者分别考虑了1O、2O、30、40、50、60、70、80、90、100m的油滴颗粒，以10、50和100m的颗粒为图34,1oom油酒运动

8、轨迹例，观察油滴的运动迁移轨迹，如图1～图3所示。上行流进入溢流管(见图2b)；③颗粒受到离心力由图1～图3可以看出，在相同的入口位置情作用，随外旋流从底流管逃逸(见图2c)。对于况下，不同粒径的颗粒有着各自的运动轨迹，并且100m的颗粒，其运动轨迹基本上全从溢流管流具有很大的随机性。同一粒径的颗粒从同一个入口出被捕捉，一般也存在短路流和内旋流2种运动形位置射入时可能产生多种运动轨迹。对于10m式。从图3还可知，粒径较大的颗粒