大錐角對井下油水分離水力旋流器性能的影響

大錐角對井下油水分離水力旋流器性能的影響

用水旋流器是利用油、油兩相液體密度差和離心作用實現(xiàn)水、油分離的裝置。隨著對旋轉(zhuǎn)流器分離機制的研究，對整個流場的形成和大錐形分離的影響引起了人們的注意。當(dāng)使用流量旋流器進行井油分離時，井運行空間限制了流量旋流器的徑向結(jié)構(gòu)，不利于分離，因此，大錐形的處理量也降低。大柱角作為流量旋轉(zhuǎn)器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其變化的業(yè)務(wù)分布、動量矩和分離效率對大柱角的變化密切相關(guān)。對于標準脫油水流量流量流量流量流量裝置的結(jié)構(gòu)，大柱角為20，小柱角為1.5。根據(jù)實驗的結(jié)果，大柱角應(yīng)為25。28.fluent軟件。我計劃模擬水旋轉(zhuǎn)器的大柱段。從大柱角中選擇不同的角度，在不同的角度上調(diào)整大柱角，并確定地下水旋轉(zhuǎn)器的最佳角度值。1模型和數(shù)值法1.1水的動力黏度水的密度ρw為9.982×102kg/m3,水的動力黏度μw為3.003mPa·s;油的密度ρo為8.89×102kg/m3,油的動力黏度μo為3.06×103mPa·s.1.2溢流前充放電場建模選用典型的雙錐體液-液水力旋流器,只改變大錐角α,對旋流器的切向速度、軸向速度、壓力降以及油相體積分數(shù)進行數(shù)值模擬.大錐角分別取為25°,26°,27°,28°.旋流器主直徑為28mm,小錐角為1.5°.分析時選取與旋流器頂部距離Z為0.086m處的截面.將溢流嘴所形成的體從旋流器中去掉,簡化水力旋流器結(jié)構(gòu),同時將入口簡化為環(huán)形截面,為減少計算網(wǎng)格數(shù)量,將對流場影響較小的尾管段忽略不計.采用貼體坐標劃分網(wǎng)格,分區(qū)域生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,使網(wǎng)格分布與計算域的幾何形狀一致,以捕捉邊界特征.基于有限體積法,將控制方程轉(zhuǎn)換為可以用數(shù)值方法求解的代數(shù)方程;方程的離散對對流項采用二階迎風(fēng)差分格式,擴散項采用中心差分格式;壓力-速度耦合采用SIMPLE算法,壓力插值為PRESTO!格式.旋流器模型的網(wǎng)格劃分見圖1.1.3/43/2i/2i/2i/0.清水河3/4.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3微生物流體循環(huán)方程.3.2.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3.3(1)入口邊界:油水兩相流體均勻混合,垂直邊界流入.入口速度vi=qi/Ai,入口處湍動能Ki=(0.12vi)2,入口處湍動能耗散率εi=C3/4μμ3/4K3/2i/(0.007De).其中,Cμ=0.09為經(jīng)驗常數(shù),qi為入口流量,Ai為入口截面積,De為入口當(dāng)量直徑,與Ai相關(guān).(2)溢流出口邊界:溢流速度vo=4qo/(πd2o),溢流口湍動能Ko=(0.12vo)2,溢流口湍動能耗散率εo=C3/4μμ3/4K3/2i/(0.007do).其中,do溢流口直徑,qo溢流口流量.(3)底流出口邊界:按照湍流流動充分發(fā)展處理.(4)固壁邊界:按無滑移邊界條件處理.2其他旋流器應(yīng)力模型雷諾應(yīng)力模型適合于水力旋流器的流場分析,且雷諾應(yīng)力輸運方程中的對流項和產(chǎn)生項可以隨流線曲率的旋轉(zhuǎn)而自動調(diào)節(jié),具有更強的描述復(fù)雜湍流的能力.為改善旋流器中強旋湍流的預(yù)報結(jié)果,采用基于各向異性湍流的代數(shù)應(yīng)力模型或雷諾應(yīng)力模型.3結(jié)果分析選用入口流量為4m3/h的水力旋流器,入口處油相體積分數(shù)為2%.3.1大錐角+近地層分區(qū)不同大錐角時水力旋流器的切向速度分布曲線見圖2.由圖2可知,從邊界開始,隨半徑的減少速度逐漸增大,到達最大切向速度點后,切向速度逐漸減小,直至中心點處切向速度值為0.以最大切向速度點為界,速度分布分為外渦流區(qū)與內(nèi)渦流區(qū).隨著大錐角的增大,最大切向速度也逐漸增大,大錐段的旋流強度越強,流場變得更加不穩(wěn)定;油滴所受的切向力也增大,直到油滴破碎成穩(wěn)定的小油滴,從而提高旋流器的分離效率.在內(nèi)渦流區(qū),當(dāng)大錐角為26°時,最大切向速度最靠近中心點;在外渦流區(qū),當(dāng)大錐角為26°時,切向速度沿徑向的速度梯度變化不大,降低液滴的剪切破碎,并且在外渦流區(qū)切向速度最小,從而有利于提高分離效率.3.2大錐角軸向速度分布不同大錐角時旋流器軸向速度矢量分布見圖3.由圖3可以看出,旋流器具有明顯的零軸向速度包絡(luò)面(LZVV),雙錐體液-液水力旋流器是一個柱錐聯(lián)合面,并以該包絡(luò)面界將流場分成內(nèi)、外旋流區(qū).在內(nèi)旋流區(qū)的軸向速度指向溢流口,隨著半徑的減小,軸向速度增大,在中心線附近達到最大;在外旋流區(qū),旋流器器壁附近流體的軸向速度達到最大,隨著半徑減小,軸向速度亦減小.旋流器內(nèi)部流場的軸對稱性較好,紊流現(xiàn)象不明顯.不同大錐角時水力旋流器的軸向速度分布曲線見圖4.由圖4可以看出,隨著大錐角的增大,內(nèi)渦流區(qū)軸向速度基本相同;在外渦流區(qū)軸向速度減小,并且對應(yīng)的LZVV內(nèi)的軸向速度略有提高,液體受到的反力增大,更容易向中心移動,軸向速度在軸心附近有所增大,其它區(qū)域保持不變.矢量分布3.3大錐角為26時混合介質(zhì)不同大錐角時的油相體積分數(shù)分布曲線見圖5.由圖5可以看出,當(dāng)大錐角為26°時,截面處混合介質(zhì)中油相體積分數(shù)達到80%,在壁面處幾乎為0,說明軸心處油相體積分數(shù)較高,分離效果較好.3.4大錐角的影響不同大錐角時水力旋流器的壓力降與分離效率的關(guān)系見表1.由表1可見,隨著大錐角的逐漸增大,壓力降也隨之增加,在大錐角為26°時旋流器的分離效率最高.實驗驗證結(jié)果表明,當(dāng)水力旋流器主直徑為28mm,小錐角為1.5°,大錐角為26°時,井下油水旋流器的分離效率最高,可達到95.