含不同入口構件的重力式分離器內流場的數值模擬

鄧志安 賈 琳 孫 潔 商羽婷

西安石油大學 石油工程學院 （陜西 西安 710065）

含不同入口構件的重力式分離器內流場的數值模擬

鄧志安 賈 琳 孫 潔 商羽婷

西安石油大學 石油工程學院 （陜西 西安 710065）

應用Fluent軟件的標準к-ε模型和多相歐拉模型,對重力式分離器的油氣分離器入口構件處流場進行了三維數值模擬,得到含有3種不同入口構件的分離器內部速度矢量和流線,分析并比較了不同構件下的分離特性。模擬結果表明,Fluent軟件可較好地模擬油氣兩相在分離器內部的流場和濃度分布，較為準確地反映出真實分離器內部流場情況，為分離器的設計提供科學的參考依據。

重力式分離器 數值模擬 油氣分離 入口構件

在石油、化工等行業的許多場合都需要采用氣液分離器對氣液混合介質進行分離 ,以完成產品凈化或滿足工藝流程的技術要求[1]。

進入分離器的油井氣液流是高速的、擾動的氣液混合流體。在離開管線時由于高流速，因此，進入分離器的慣性作用必須得到有效克服，使得氣液流在容器尺寸條件下以正常流速產生自然的重力分離，并且盡可能地分散開氣液流以利分離。入口構件就是以碰撞和其它機理使來流產生減速度，并使氣液流得到有效地分散[2]。

在分離器的結構優化方面,通常采用“理論分析→初步設計→多樣機對比實驗”的模式。由于實驗條件的限制,單純通過實驗來研究分離器的性能不僅周期長而且費用高;數值模擬技術不僅資金投入少,計算速度快，而且可以全面深入揭示流場,不受試驗測試手段的限制。因此,利用數值模擬技術研究分離器內流體的流動規律,進而優化分離器的結構,可以大大縮短研發周期,具有重要的工程應用價值。近年來,CFD仿真技術在流場模擬和結構優化方面已經取得了一些可喜的應用[3]。

應用Fluent 6.3軟件對3種不同入口構件的油氣分離器內流場進行了三維數值模擬,得到含有3種不同入口構件的分離器內部速度矢量和流場,分析并比較了不同構件下的分離特性。為油氣分離器的結構設計和選型提供一定的參考依據。

模型及邊界條件

數值計算采用的分離器模型如圖1所示。其幾何參數為：軸向筒長6 000mm（不包括兩端的封頭），內徑2 000mm，入口內徑150mm，氣體出口內徑100mm，液體出口內徑120mm。由于僅對入口構件的分離特性進行研究，計算模型相對于實際分離器作了一定的簡化，計算模型沒有實際分離器兩端的封頭設計。

模擬計算所采用的入口構件截面圖如圖2所示。

該程序基于有限體積剖分的 SIMPLE類算法,體積分數差分格式選取為QUICK格式,壓力插補格式以PRESTO格式為基礎，采用Fluent 6.3軟件提供的標準κ-ε模型。為了保證模擬計算的準確性，先采用多相流模型中的Mixture模型進行初步模擬計算，后續選用Eulerian模型完成分離器內部流場模擬。

基本方程為：

質量守恒方程組：

式中k=c,d代表連續相和分散相,Γmk、Mmk分別代表各相的質量源、動量源;Γk表示各相間相互的質量擴散,Mm表示兩相間相互的作用力。tm表示黏度和湍動的應力張量。

介質采用空氣和水，入口邊界采用速度入口邊界條件，其中水的速度為0.65m/s,空氣的速度為10m/s,空氣的體積分數為38.5%。出口采用壓力出口邊界條件。

模擬結果及分析

1 入口部分的速度矢量與入口流線

圖3～圖5為入口區域的縱向切面速度矢量。從圖中可以明顯看出流體在進入分離器內時慣性作用得到了降低，速度減小。同時，在入口處的上方明顯存在漩渦，并且在入口處下方也存在一定程度的漩渦。其中平板形構件入口上方漩渦較大，區域較廣。凸板形和凹板形較之有一定程度的減小。

2 入口部分的液相體積分數

圖6中顯示了入口部分液相的體積分數云圖。從體積分數云圖中可看出，入口構件使氣液流速度降低，同時對氣液流起到了較好的分離作用。由于氣相速度較大，使得入口處一部分液相被攜帶至入口處上方。平板入口構件上方液相區域較大，而凸形板與凹形板構件較之有一定程度的減小。其次，從體積分數分布云圖較高的速度向分離器下部運動，會造成已分離過的液相界面產生一定的波動，其中平板與凹板下部液面較小，凸板下部和后部都存在一定的波動區域。

3 入口構件處液相體積分數

圖7為入口構件橫截面處液相體積分數，圖8為距構件50mm處橫截面液相體積分數。

從圖7、圖8中可以看出氣液流體在流經入口構件與之碰撞并較好的分離開來，使得分離器內上部主要為氣相，下部為液相。從圖7中可以看出平板構件處上部液相體積分數為45%，凸板構件處上部液相體積分數為40%，凹板構件處上部液相體積分數為41%。

結論

（1）在目前Fluent提供的模型中,標準κ-ε模型和多相歐拉適用于模擬含有不同分離構件的重力式分離器內部兩相流流場。對于多相流在分離器中的流場模擬，應先使用Mixture模型進行初步計算，再以Eulerian模型進一步完成模擬過程，以達到較高的準確性。

（2）通過對入口部分的速度矢量、流線和體積分數的分析,發現凸形板和凹形板入口構件具有顯著降低流速、減少漩渦產生等優點 ,其初步分離效果要優于平板入口構件。其中凹形板分離效用優于凸形板，而凸形板減少漩渦的效用上優于凹形板。

（3）由于氣液混合流體在與入口構件發生碰撞，液滴會以較高的速度向分離器下部運動，造成液相界面產生一定的波動，其中平板與凹板波動區域較小，凸板波動區域較大。

[1]Joseph M.Lee,Rafiqul I.Khan,Daniel W.Phelps.Debottlenecking and CFD Studies of High and Low Pressure Production Separators[R]. SPE 115735,2008(9）.

[2]郭福民,張學禮.油氣分離器原理設計與計算[M].上海:上海交通大學出版社,1993.

[3]趙立新,朱寶軍,李鳳明.離心式氣液分離器內流場的數值模擬與結構優化[J].化工機械,2007,34(2):90-91.

The standard k-e model and multi-phase Euler model of fluent software are applied to the three dimension numerical simulation of flow field at the inlet components of oil and gas separators in gravity separators,getting the vector and streamline of internal speed of separators with three different components.Then,the analysis and comparison are carried out about the separate characteristics under different components.The result of simulation indicates that the software"Fluent"can simulate the flow field and the concentration distribution of both oil and gas in the separator better,and reflect the flow field of real separators more exactly,and thus providing the scientific reference basis for the design of separators.

gravity separator;numerical simulation;oil and gas separation;inlet component

鄧志安（1962-），男，教授，主要從事油氣田地面工程及多相流教學及研究工作。

路萍

2010-01-11