超聲速旋流分離器噴管設(shè)計方法的對比分析

超聲速旋流分離器噴管設(shè)計方法的對比分析

超聲速旋轉(zhuǎn)天然氣生產(chǎn)能力是一種基于傳統(tǒng)低溫分離技術(shù)分離效率低、投資和運(yùn)營成本高、耐寒性差、耐用性高的新設(shè)備。它提出了一種新設(shè)備，可以加熱或添加防凍劑。天然氣在噴管內(nèi)絕熱膨脹形成低溫低壓,使天然氣中的水分和重?zé)N分離出來,為后面的旋流分離提供先行條件。所以,拉伐爾噴管設(shè)計的優(yōu)劣決定了超聲速旋流分離器分離效率的高低。設(shè)計合格的拉伐爾噴管可保證出口氣流均勻一致,達(dá)到超聲速,紊流度小,且流場中不存在激波。一、拉默爾噴管的超聲速決策拉伐爾噴管設(shè)計包括亞聲速收縮段、喉部和超聲速擴(kuò)張段3個部分的型線設(shè)計。1.設(shè)計方法該方法收縮段按維托辛思基曲線設(shè)計,擴(kuò)張段按富爾士法設(shè)計入。(1)積的比及收縮段曲線亞聲速收縮段的作用是使氣流加速,同時要保證收縮段的出口氣流均勻、平直而且穩(wěn)定。收縮段的性能取決于收縮段進(jìn)口面積和出口面積的比值及收縮段曲線形狀。將收縮段設(shè)計成維托辛思基曲線,收斂段上任意截面半徑為:R=R21?[1?(R2/R1)2](1?x2/L12)2/[1+x2/(3√L1)2]3√R=R21-[1-(R2/R1)2](1-x2/L12)2/[1+x2/(3L1)2]3式中:R1、R2、R分別為收縮段進(jìn)口、出口及任意x處的截面半徑,L1為收縮段長度(如圖1所示)。(2)喉嚨喉部是氣流從亞聲速轉(zhuǎn)變?yōu)槌曀俚倪^渡段,喉部直徑的選取受到氣流流量的限制。喉部曲線變化不能太快,這里選用了一段圓弧作為過渡曲線。(3)擴(kuò)張段曲線及各節(jié)段分析擴(kuò)張段曲線采用基于特征線法的富爾士法進(jìn)行設(shè)計。超聲速擴(kuò)張段曲線包括3段曲線(如圖2)。喉部過渡段、直線段和消波段,其中喉部過渡段和直線段是使氣流加速的,消波段是設(shè)法將膨脹波在壁面的反射消滅,以保證實現(xiàn)出口氣流均勻。2.噴管漸擴(kuò)頂錐角該方法收縮段按維托辛思基曲線設(shè)計,擴(kuò)張段按錐形管設(shè)計。亞聲速收縮段與方法Ⅰ中的設(shè)計相同。這里僅說明超聲速擴(kuò)張段的設(shè)計。對于噴管擴(kuò)張段,為簡化設(shè)計過程,取其形狀為錐形。由不同漸擴(kuò)頂錐角的模擬對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)噴管漸擴(kuò)頂錐角φ(如圖3所示)在8°~12°范圍內(nèi)變化時,φ對流動特性影響不明顯,實際效果頗佳。當(dāng)φ取10°時,其流動更接近等熵流。這里取頂錐角φ為10°。故有:L2=D2?Dcr2tan(φ/2)=D2?Dcr2tan5°L2=D2-Dcr2tan(φ/2)=D2-Dcr2tan5°3.噴管內(nèi)部形狀該方法亞聲速收縮段和超聲速擴(kuò)張段均按面積比公式設(shè)計。假定噴管每一截面上流動參數(shù)均勻,根據(jù)氣體動力學(xué)原理設(shè)計噴管內(nèi)部形狀曲線,當(dāng)Ma<1時,其曲線方程類似于橢圓形;當(dāng)Ma>1時,其曲線方程類似于雙曲形。4.噴管型線的確定在超聲速旋流分離器入口壓力7MPa、流量11.767×104m3/d、溫度30℃工況下,流體介質(zhì)為中原油田白26井天然氣組分,按照Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種方法設(shè)計的噴管型線分別如圖4中a、b、c所示。5.噴管流場計算方法的確定超聲速旋流分離器內(nèi)部流場十分復(fù)雜,CFD(計算流體力學(xué))技術(shù)是研究開發(fā)超聲速旋流分離器的重要手段,FLUENT軟件是一大型的CFD模擬軟件,適于模擬亞聲速、跨聲速和超聲速流動的很大范圍內(nèi)的復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)的可壓縮流動。計算中網(wǎng)格采用GAMBIT的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,解算器選用耦合顯式格式,湍流模型選用RNGk—ε模型,采用壓力邊界條件。按不同方法設(shè)計的噴管連上一段50mm的等徑管,進(jìn)行數(shù)值模擬對比分析,確定噴管的最優(yōu)設(shè)計方法。由噴管馬赫數(shù)等值線(圖5)可以看出,噴管1(圖5-a)的出口氣流更均勻。超聲速氣流從噴管超聲速擴(kuò)張段進(jìn)入等徑管,通道面積縮小,氣流受到壓縮,產(chǎn)生壓縮波。噴管2(圖5-b)和噴管3(圖5-c)在噴管出口與等徑管之間的過渡曲線曲率半徑小于噴管1,所以噴管1產(chǎn)生的壓縮波為微弱壓縮波,對氣流的影響不大,出口氣流更均勻。因此,設(shè)計方法Ⅰ是超聲速旋流分離器噴管設(shè)計的最佳方案。二、流體靜溫和靜壓在分離器入口壓力4MPa、流量10×104m3/d、溫度30℃工況下,按照設(shè)計方法Ⅰ對噴管進(jìn)行設(shè)計和數(shù)值模擬。如圖6~8所示,在整個拉伐爾噴管內(nèi)部,馬赫數(shù)沿管道軸向呈增加趨勢,而流體靜溫及靜壓則是沿軸向降低的,在喉部處流體馬赫數(shù)達(dá)到聲速,出口截面處為超聲速流,并形成低溫低壓(-67.76℃,527924Pa),凝析出了大量的游離水和重?zé)N液,為后面進(jìn)入旋流場實現(xiàn)離心分離提供了條件。同時噴管出口氣流穩(wěn)定分布,無明顯激波系進(jìn)入整流段中,有利于后面的整流分離。噴管出口凝析形成的液滴直徑介于1.0~1.5μm,液滴在超聲速旋流分離器中的滯留時間介于1~13ms,而水合物形成的時間一般為1000s甚至更長時間,因此極短的滯留時間不會形成水合物,亦不需添加防凍劑。三、氣流超聲速,出口均勻,無激波下無激波(1)亞聲速收縮段用維托辛思基曲線設(shè)計,超聲速擴(kuò)張段按富爾士法設(shè)計,喉部型線按照光滑圓弧設(shè)計的噴管,氣流在擴(kuò)張段達(dá)到超聲速,出口達(dá)到設(shè)計的馬赫數(shù)的要求,出