含气条件对井下油水分离旋流器性能影响的数值模拟*

蒋明虎 宫磊磊 徐保蕊 赵立新

(东北石油大学机械科学与工程学院)

井下油水分离旋流器利用不互溶介质间的密度差进行离心分离，重质相由底流口排出，轻质相由溢流口排出[1]。旋流器本身无运动部件，混合液在入口压力的作用下进入旋流器并高速旋转[2, 3]。井下油水分离旋流器工作时，进入旋流器的采出液含有一定量的伴生气，气相的存在既改变了设备内的流动与分离条件，也增加了相间混合和湍流程度[4]，对旋流器的分离性能产生一定影响。为探究气体对井下油水旋流器性能的影响规律，针对新型螺旋流道倒锥式旋流器，笔者采用Fluent软件对气液比分别为0.01、0.03、0.05、0.08、0.10时旋流器的油相分布进行模拟分析。笔者的主要目的是研究气液比对旋流器的油相分布、分离效率和压力损失的影响及其变化规律。

1 旋流器模型

笔者选用新型螺旋流道倒锥式旋流器，初始模型旋流腔主直径50mm，主相水密度ρ1=998.2kg/m3，粘度μ1=1.003mPa·s，油相密度ρ2=889kg/m3，粘度μ2=1.06Pa·s，模型的计算采用雷诺应力算法[5, 6]。初始边界条件：入口速度为0.8m/s，入口含油体积分数2%，油相粒径0.3mm，溢流分流比为20%；假设壁面不可渗漏，无滑移，利用壁面函数方程计算剪应力和近壁处的湍动能、湍流扩散率；残差精度设置为1×10-6。

在Fluent前置软件Gam0bit中对旋流器模型进行网格划分，选择合适的网格划分形式可提高网格的质量，而网格质量直接影响计算结果和计算稳定性[7]。由于在网格数量相同的条件下，结构网格比非结构网格所需的计算时间短，而且计算结果更精准、收敛性更强，因此采用六面体结构网格。由于螺旋入口处混合相流动状态较复杂，因此在该处对网格进行加密，最终划分的网格数约为15万(图1)。

图1 旋流器模型网格划分

2 数值模拟与分析

2.1 不含气条件下

图2为不含气时旋流器内部和溢流口的油相体积分数分布云图，从图2可以看出：旋流器的油水分离性能较好，油相基本由溢流出口排出，旋流器轴心和溢流口处有明显的油核，其分离效率可达89.31%。

a． 内部

b. 溢流口

2.2 含气条件下

为研究入口气体含量对旋流器油水分离性能的影响，在结构参数、分流比和其他设置参数不变的条件下，分别对入口气液比为0.01、0.03、0.05、0.08、0.10时旋流器的油相分布进行模拟分析。图3为不同气液比时旋流器溢流口油相体积分数分布云图，从图3可以看出：气液比为0.00时，溢流口的油相体积分数最高，约为16.0%；随着入口气液比增大，溢流口的油相体积分数不断减小，当气液比为0.10时，溢流口的油相体积分数最低，约为5.0%。

图3 不同气液比时旋流器溢流口的油相体积分数分布云图

图4为不同气液比时旋流器溢流口入口下方2mm处的油相体积分数分布，从图4可以看出：在入口压力的作用下，混合液进入旋流器中并高速旋转，气相密度小于油相密度，致使部分油相向边壁运动，从底流口排出，导致溢流口的油相体积分数随气体含量增加而减小；气液比为0.00时，轴心处的油相体积分数最大，边壁处的油相体积分数最小；当气液比为0.10时，轴心处的油相体积分数减至最小，边壁处的油相体积分数增至最大。

图4 不同气液比时旋流器溢流口下方2mm处的油相体积分数分布

图5为不同气液比时旋流器溢流口下方50mm处旋流腔的油相分布，由图5可见：油相主要集中在旋流腔轴心；在旋流腔轴心处，气液比为0.00时油相体积分数最大，气液比为0.10时油相体积分数最小；而在旋流腔边壁处，气液比为0.10时油相体积分数最大。说明气相的存在是导致油相向边壁运动的主要原因。

图5 不同气液比时旋流腔的油相体积分数分布

气体不仅影响旋流器的油相分布，还会影响旋流器的分离效率，而且气液比越大，影响越明显。图6为旋流器的分离效率随气液比的变化趋势，从图6可以看出：气液比为0.00时分离效率最大，随着气液比增大，旋流器的油相分离效率逐渐降低，当气液比为0.10时，油相分离效率为36.90%。

图6 旋流器的油相分离效率随气液比的变化

底流口的油相体积分数也可反映旋流器的分离效率，图7为不同气液比时旋流器底流口的油相体积分数变化趋势。从图7可以看出：在内锥圆柱壁附近有较高的油相体积分数，且油相分布不均匀，当气液比为0.03、0.05时油相体积分数最大；但整体上，气液比越大，底流口含油越多，气液比为0.10时油相体积分数最大，气液比为0.00时油相体积分数最小。

图7 不同气液比时旋流器底流口的油相体积分数变化趋势

3 旋流器压力损失分析

在考虑旋流器分离效率的同时，也要考虑旋流器的能耗。压力损失提供旋流器离心分离能量，压力损失越小，能耗越低。图8为不同气液比时旋流器溢流口和底流口的压力损失变化曲线，由图8可知：入口气液比越大，旋流器溢流口和底流口的压力损失越低；不含气时旋流器底流口和溢流口的压力损失均高于含气时的压力损失。

沿程损失和局部压力损失的计算式分别为：

(1)

(2)

式中d——旋流器内径，m；

l——流体流过的长度，m；

Δpλ——沿程压力损失，Pa/m；

pξ——局部压力损失，Pa；

v——流体的平均流速，m/s；

λ——摩擦阻力系数；

ρ——流体的密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系数。

a. 溢流口

b. 底流口

入口流体的总流量、分流比和溢流口的流体总量不变时，入口气液比越大，溢流口的含气量越高，所流出的液相也越少。根据式(1)、 (2)可知，由于液相的密度大于气相的密度，因此气液比越大，旋流器压力损失越小。

4 结论

4.1随着入口含气体积分数的增大，旋流器溢流口的油核面积不断减小；不含气时旋流器的分离效率为89.31%；旋流器的分离效率随气液比的增大而降低，且气液比越大，影响越明显，当气液比为0.10时，旋流器的分离效率低至36.9%。

4.2在内锥圆柱壁附近出现较高的油相体积分数，且油相分布不规则，当气液比为0.03、0.05时油相体积分数最高；但整体上，气液比越大，底流口的油相体积分数也越大，气液比为0.10时，油相体积分数最大，气液比为0.00时，油相体积分数最低。

4.3气液比越大，旋流器压力损失越小。

[1] 蒋明虎，赵立新，李枫，等. 旋流分离技术[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社，2000：6～10.

[2] 常征, 赵立新, 蒋明虎，等.新型结构溢流管水力旋流器模拟分析与实验研究[J].石油化工设备，2011，40(5): 5～8.

[3] 舒朝晖，易经纬. 液-液分离水力旋流器的理论研究进展[J]. 石油化工设备，2006，35(2): 57～61.

[4] 范大为.气-液分离水力旋流器理论与试验研究[D].大庆: 大庆石油学院，2009.

[5] 赵立新，徐磊，刘丽丽，等.入口倾角对油水分离旋流器流场和性能的影响[J].石油化工设备，2013，42(1): 25～28.

[6] 陆耀军，周力行，沈熊.不同湍流模型在液-液旋流分离管流场计算中的应用及比较[J].清华大学学报(自然科学版)，2001，41(2): 105～109.

[7] 邹宽，杨茉，曹玮，等.水力旋流器湍流流动的数值模拟[J].工程热物理学报，2004，25(1): 127～129.