基于ANSYS-Workbench流固耦合振動對旋分器分離效率的影響分析

耿海洋,曹琳琳,姬 風,孫美娜

(1.哈爾濱石油學院,哈爾濱 150028; 2.哈爾濱職業技術學院,哈爾濱 150000)

0 引言

水力旋流分離器是一種圓錐形分離器,經過近百年的發展演變,已應用于石油、化工、冶金、造紙、核工業、船舶工業、生物工程等眾多工業領域,成為一種多用途的高效分離裝置。隨著同井注采技術的不斷發展,旋流分流器憑借結構簡單、體積小、處理速度快等優點逐步應用于井下油水分離作業。與地面油水分離旋流器的工作環境相比,井下油水分離器多與桿柱連接,桿柱運轉時產生的復雜振動會直接傳遞到分離器,令分離器內部流體與分離體壁面產生復雜的流固耦合現象,這種強烈的耦合作用會直接影響分離器內部流場運動方式,從而影響旋流分離器的分離效率[1]。

目前,對于圓管內部的流固耦合現象多采用任意拉格朗日-歐拉法進行描述,通過有限元法進行迭代求解,而針對旋流分離器在外振動激勵下流場規律的研究較少。于海波[2]將復合水力旋流器工作中產生的振動視為振動源,開展在該振動條件下的流場特性研究,其研究過程考慮了結構振動對內部流體的影響,但忽略了流場對結構的沖擊作用,實為單向耦合,且K-ε模型并不能滿足旋流分離器內部強湍流特性。李森[3]針對復合式水力旋流器工作時結構的自身振動特性進行分析,通過模擬實驗的方法總結出系統振動對分離效率的影響規律,但是缺乏旋流器內部流固耦合的理論分析,無法對實驗結果進行理論驗證。

以井下油水分離旋流分離器為研究對象,根據計算流體力學及彈性力學理論,結合有限元分析理論,利用ANSYS-Workbench中流固耦合分析模塊,對不同振動條件下旋流分離器內部流場進行有限元模擬分析,找出不同振動條件下對分離效率的影響變化規律,為合理控制井下桿柱振動及實際操作提供指導,以保障旋流分離器的高效安全運行。

1 旋分器流固耦合原理

水力旋流器的流固耦合問題是旋流器流場研究的重要方向。旋流器內部的流固耦合現象是指旋流器中的流體在流固耦合結合接觸面上的一種相互載荷傳遞,引起彼此振動,對于流體來說,結構體的振動、變形影響其流場載荷的分布。而對于結構體來說,流場載荷的沖擊力會令結構體產生變形及振動,因此旋流器的振動不單是管柱系統造成的振動,而是旋流器與內部流場作為一個整體發生的振動。

1.1 旋流器內部流固耦合力學模型

將應用于井下油水分離桿柱上的油水旋流分離器作為研究對象,在旋流器工作時,尾管端固定,力學模型如圖1所示。

a-圓柱段;b-大錐段;c-小錐段;d-尾管段圖1 雙錐型旋流分離器流固耦合力學模型Fig.1 Fluid-structure coupling mechanical model of double-cone cyclone separator

基于以下假設建立旋流分離器內部流固耦合各項控制方程模型:

A.在靜止狀態,旋流分離器軸向與Z軸重合。

B.周期振動激勵力施加在上圓柱段,只考慮Z-Y平面的振動激勵。

C.旋流分離器結構部分材料為各向同性,且耦合作用下的結構部分只發生小變形。

D.流體部分的介質為不可壓縮的恒定流體,且不考慮內部流體溫度變化對計算結果的影響。

1.2 流體控制方程

旋流分離器內的流體分析計算需要遵循質量守恒、動量守恒及能量守恒等物理定律,但由于已假設旋流器內部流體介質為不可壓縮流體且熱交換較小,可忽略能量守恒定律。

1)連續性方程[4-8]。連續性方程也叫質量守恒方程,即單位時間內流出計算控制體的流體凈質量等同于相同時間內計算控制體內因密度變化而減小的質量,其連續性方程可表示為:

(1)

式中,u為速度總分量;u1、u2、u3分別為x、y、z三個方向的速度分量,m/s;t為時間,s;ρ為流體密度,kg/m3。

對于旋流器內恒定不可壓縮流體,可將式(1)簡化為:

(2)

2)動量守恒方程[9-11]。根據牛頓第二定律可知,對于旋流器流場內任意流體微元,它的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元的各種力之和,這些外力可簡單概括為作用在接觸邊界Г上的表面力和作用在內部區域Ω上的體積力F=(F1,F2,F3)。

(3)

其微分形式可表示為:

(4)

其中

P={pij}

(5)

式中,μ為動力學黏度系數,Pa·s。

1.3 結構體動力學方程

由桿柱振動及流體沖擊誘發的振動、位移控制方程可表示為:

(6)

式中,Ms為質量矩陣;Cs為阻尼矩陣;Ks為剛度矩陣;Ff為流體對結構的沖擊載荷;Fs為桿柱的周期振動載荷;r為結構體的位移。

1.4 流固耦合交界面控制方程

運動學控制方程。在流固耦合交界面上,流體與固體的位移相等,即:

rf=rs

(7)

變形控制方程。在流固耦合交界面上,流體與固體在法向應變相等,即:

n·τf=n·τs

(8)

式中,τ為剪切力張量。

2 旋分器流固耦合有限元模擬分析

選擇ANSYS-Workbench軟件中集成的MFX求解器進行隱式雙向耦合求解,即該求解器將旋流器的結構物理場分析在ANSYS中進行求解,在FLUENT中對流場進行求解,將兩個物理場的計算結果根據需要的時間步進行交錯迭代,從而實現流固耦合。MFX求解流固耦合原理如圖2所示。

2.1 模型建立

根據Martin thew提出的最佳分離效果確定旋流器的結構尺寸:公稱直徑56 mm,入流口水力直徑6.17 mm,溢流管直徑10 mm,底流口直徑14 mm,溢流管插入深度13.4 mm,大錐段錐角13.5°,小錐段錐角2.46°。利用ANSYS內部集成的meshing軟件進行網格劃分,形成有限元分析模型,其中節點數296 418個,網格數125 486個。旋流器有限元網格模型如圖3所示,結構體材料參數及流體內介質參數如表1所示。

圖2 流固耦合求解過程Fig.2 Fluid-structure interaction solution process

圖3 旋流器流固耦合有限元模型Fig.3 Fluid-structure interaction finite element mode of cyclone

表1 結構體材料參數及流體內介質參數

2.2 邊界條件

結構部分邊界條件設置。在旋流器頂端和尾管段添加固定約束,限制旋流器x、z和繞x、y、z軸五個方向的自由度,并在旋流器結構體和流體的交界面上添加流固耦合交界面選項。對旋流器整體施加位移載荷,表達式為D=L×sin(2πf),方向為Y軸方向。

流場部分的邊界條件:將切向入口設置為速度入口,入口水力直徑6.16 mm,流速設置為5.2 m/s;溢流口設置為自由出口,分流比為20%;底流口設置為自由出口,分流比為80%;油項體積分數設置為2%,油滴粒徑為0.2 mm,流體溫度設置為常溫。

設置合理的載荷時間步長關系到計算結果的收斂度,根據桿柱的整體振動情況可知諧振動載荷的初始時間步長為:

(9)

2.3 有限元計算及結果分析

在結構體外壁施加一個隨時間變化的位移載荷,最大值設定為1.5 mm,整個系統仿真時間為12 s,時間步長設置為0.005 s。改變位移載荷的振動頻率獲得分離效率與振動效率的關系曲線,如圖4所示。

圖4 分離效率隨振動頻率變化曲線Fig.4 Curve of separation efficiency with vibration frequency

由圖4可知,在0～0.8 Hz,分離效率隨著振動頻率的增大而緩慢下降,但分離效率仍保持在84.5%以上,該區間內振動頻率對分離效率稍有影響。在0.8～3.2 Hz,分離效率始終保持在84.5%左右,該區間內振動頻率對分離效率幾乎沒有影響。在3.4～4.4 Hz,隨著振動頻率的增加分離效率下降趨勢增大,振動頻率為4.4 Hz時,分離效率降到83.29%。

根據圖4中的曲線結果可以得出,當旋流分離器的振動頻率在小頻率區間時(0～4.4 Hz),頻率對旋流分離器的分離效率影響不大,分離效率基本保持穩定,有利于分離工作。在井下油水分離桿柱系統操作范圍內的振動頻率對旋流器分離效率影響很小,需要通過對固有頻率下不同振幅情況下的分離效率進行進一步分析,才能更為準確地描述井下振動對分離效率的影響。

在分析振動頻率對分離效率的影響后,得出相同振幅下振動頻率對分離效率的影響很小,但旋流器系統并不能代表井下油水分離桿柱系統的振動特征,不能準確說明振動對分離效率的影響,因此還需在固有頻率下的大振幅值對旋流器的分離效率進行分析。

選取振動頻率0.6 Hz、3.4 Hz、4.1 Hz,將位移載荷幅值范圍設置為1.5～4.5 mm,其余參數保持不變,得出不同載荷幅值下的分離效率曲線,如圖5所示。

由圖5中的3條變化曲線可以看出,旋流器工作效率隨著振幅值的增大逐漸降低,在頻率為0.6 Hz、振幅值為1.5 mm時,分離效率最高,為85.77%。振動頻率為4.1 Hz、振幅值為4.5 mm時,分離效率最低,為77.84%,相差7.93%。可見,隨著振幅值急劇增大,旋流器分離效率的降低較為明顯。

圖5 分離效率隨振動幅值變化曲線Fig.5 Curve of separation efficiency with vibration amplitude

旋流器內部流場的穩定性是決定油水分離的關鍵因素之一,較高的湍動能和湍流耗散率使流場不穩定,對分離效率產生不利影響,湍流正是將劇烈的脈動和擾動帶入流場從而破壞流動的穩定性,造成分離難度加大,當湍流動能大于等于離心分離能量時,分離的物料將重新混摻,使分離效率急劇降低[14-16]。現將外加振動的振動頻率設置為1.5 Hz,振幅分別為1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm、3.5 mm,不同振幅下的湍動能分布如圖6所示。

由圖6湍動能分布規律可以看出,隨著振幅的增大,旋流器圓柱段與大錐段流體中心部分的湍動能逐漸增大,湍流擾動相應增大,流場趨于不穩定。

(a=1.5 mm;b=2.0 mm;c=2.5 mm;d=3 mm;e=3.5 mm)圖6 不同振幅下的湍動能分布Fig.6 Distribution of turbulent kinetic energy at different amplitudes

振動頻率與振動振幅的變化都會對旋流器的分離效率產生影響。相比而言,振動振幅的變化對旋流分離器分離效率的影響更為明顯,這主要是由于隨著振動幅度的增加,圓柱段與流體段流體的湍流擾動增大,原先相對穩定的流場被破壞,令溢流口含水量增加,致使旋流分離器的分離效率降低。

3 結論

以井下油水分離器為研究對象,針對旋流分離器受到外部振動激勵下對內部流場規律的影響,采用計算流體力學與彈性力學結合有限元分析理論,利用ANSYS-Wokbench中流固耦合分析工具,分析不同振動條件下對分離器內部流場的影響,得出不同振動條件下分離效率變化規律如下。

1)旋流分離器的分離性能隨著振動頻率及振動振幅的增大而降低,振動頻率在小范圍的變化對分離效率的影響不明顯,相比而言,振動振幅對分離效率的影響更大,故在實際應用中應采取適當措施來抑制旋流器結構體的振動,減小振動振幅。

2)用于井下油水分離旋流器的振動主要受到整體桿柱的結構及運動情況的影響。建議在實際生產操作中避開與桿柱固有頻率相應的運行轉速,避免因共振引起的振幅激增對分離器內部流場產生影響,保證井下油水分離器的分離效率。

本研究可為合理控制井下桿柱振動及操作提供指導,為新分離器研發及應用提供思路。