基于FLUENT的水力旋流器入口結構參數優化設計流場仿真

龔 俊，葉俊紅，姚明修

(1.中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257237；2.山東省油田采出水處理及環境污染治理重點實驗室，中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

水力旋流器具有分離效率高、占地面積小等優點，在國內外油田生產系統中得到廣泛使用， 其具體結構形式多種多樣，根據構成特點和工作特點可概括為3 種基本形式，即四段式、三段式和旋轉式。水力旋流器的油水分離效率以及油水混合物單位體積處理量所需的能耗是評價其性能的兩個重要指標。生產實踐表明水力旋流器的分離效率和能耗常常是一對矛盾，如何妥善處理好這一矛盾，是水力旋流器的技術關鍵[1-5]。

水力旋流器入口其形式的優劣是決定水力旋流器的流場分布及壓力損失的關鍵因素之一[6]。水力旋流器的入口形式多種多樣，按其數量的多少可分為單入口、雙入口及三個以上的多入口等。按入口流道形式又可分為等截面直線型及變截面( 漸縮截面) 直線型和曲線型[7]。有研究表明，調整旋流器入口形式不僅大大縮小了液-液水力水力旋流器的空間，并且能顯著提高分離效率[8-10]。

本文設計了一種雙入口形式的水力旋流器，通過CFD軟件仿真優化了設計參數，為水力旋流器入口結構參數的合理選擇提供新思路。

1 CFD模型建立及網格劃分

水力旋流器選用四段式，分為旋流腔、大錐段、小錐段、平尾段四個區域(見圖1)。其中，旋流腔和大錐段統稱為旋流體，也是水力旋流器的主體部分，通常是由上部的圓柱段(旋流腔)與下部的圓錐段(大錐段)組成。液體從切向入口進入旋流腔內產生高速旋轉的液流。旋流腔的直徑是水力水力旋流器的主直徑，其大小不但決定了水力水力旋流器的處理能力，而且其和旋流腔、大錐段長度的比例關系也是確定其他參數的重要依據，在很大程度上影響著水力水力旋流器油水分離的能力。

圖1 四段式水力旋流器結構示意圖

1.1 邊界條件

(1)入口邊界條件

入口溫度：45～60℃；入口流量：1～2m3/h；入口壓力：0.5～0.7MPa。

(2)出口邊界條件出口包含收油口和出水口，均按流動充分發展條件處理。

(3)固體壁面邊界條件

固壁邊界按照無滑移邊界條件處理，默認壁面粗糙度為0.5。本次計算按照壁面不可滲透，不存在滑移速度考慮，并使用標準壁面函數法確定固壁附近流動。

1.2 多相流模型的選擇

多相流模型選擇“Euler-Mixture”模型進行計算。

1.3 模型建立與網格劃分

在眾多入口結構中，阿基米德螺線形入口較其他結構入口在零件外徑相同的前提下，流道更長，導流能力更強，更有利于混合液迅速形成較為穩定的旋流，使旋流腔內流場分布更加有序合理，降低了液滴剪切破碎的可能性[6]。根據阿基米德螺線標準方程，嚴格按照計算步驟完成水力旋流器入口結構設計，并結合加工精度要求和壁厚等參數得到最優化的入口結構形式，見圖2。圖2中標號1 的曲線為阿基米德螺線，標號2 是導流線，標號3 的圓為旋流腔內孔圓，點A 是阿基米德螺線與旋流腔內孔圓相交點。

圖2 阿基米德螺線進口結構示意圖

利用了ICEM-CFD軟件對水力旋流器的物理模型劃分了全六面體網格，網格數量控制在100萬左右。在進水口交界面及細微區域都進行了一定的加密，確保得到更加精確的計算結果，見圖3。

圖3 水力旋流器模型

圖4 模型進水口放大圖

在網格劃分過程中，對網格的主要尺寸都進行了最大與最小值網格質量評測工作，網格質量在0.4以上，滿足計算要求。

圖5 網格劃分模型

2 仿真結果及分析

通過仿真計算得到了水力旋流器分離效率、內部的壓力分布、內部的氣體流線分布以及各截面面積等相應的數值。

2.1 流線分布

圖6 水力旋流器內部的流線分布

由圖6水力旋流器內部截面速度分布圖可以發現，進入腔體內的液體大多數都是基于流入的速度沿著壁面在高速轉動，受重力以及壓力的影響，水流向下運動，在中心筒附近形成一個流動較密集的區域。而中心區域液體受壓力影響向頂部出口流動。

2.2 速度分布

圖7 水力旋流器內部的速度分布

由圖7截面的速度分布矢量圖可以發現明顯顯示環狀的速度分布，越向內部速度逐漸變低，中心點的速度則變大，其方向也由環狀變成了向垂直方向變化。

2.3 速度矢量分布

圖8 旋流器中間截面的速度分布矢量圖

經過大量的模擬運算得到水力旋流器各個結構尺寸的優化調節范圍，最終獲得圖8較理想的的內部速度矢量分布結果。

2.4 壓力分布

圖9為沿著頂部橫截面上的壓力云圖，可以發現，水力旋流器中心壓力較低，兩邊的壓力較高，壓力成環狀向外分布，壓力分布由內向外均勻分布。

圖10為縱截面壓力云圖，可以發現，水力旋流器自入口至出水口壓力逐漸降低。

圖9 中間截面的壓力分布云圖

圖10 縱截面上的壓力云圖分布

2.5 油水分離效果分析

圖11水力旋流器縱截面含油體積分布圖和圖12水力旋流器橫截面含油體積分布圖結果顯示，液體中的油相集中的水力旋流器的中心區域，體積分數相對較高，油相部分通過中心出油管排出水力旋流器，起到了較好的油水分離效果。

圖11 水力旋流器縱截面含油體積分數分布圖

圖12 水力旋流器頂部出口含油體積分數分布圖

3 結論

入口結構對水力旋流器內部流場分布影響較大，設計了阿基米德螺旋線入口形式的水力旋流器，仿真內部速度場具有良好的對稱性，內部流動穩定性好、渦流區域少、離心力場強，具有較高的分離效率。