井下旋流除砂器流场的数值模拟 (1)

不同入口设计的井下旋流除砂器流场的数值模拟

王景昌 郭付来 赵启成 吴蒙华

（大连大学机械学院 辽宁 大连 116622）

摘 要：针对井下原油防砂问题，提出了三种不同入口方式的内外双级旋流器串联式除砂器的结构模型并介绍了它的工作原理。利用TGrid 程序，采用四面体网格对除砂器整体进行了网格划分，确定出边界条件。采用FLUENT 软件三维数值模拟的方法，对不同入口方式的除砂器速度场、压力场、分离介质运动迹线的分布特征和介质相分布特征的数值模拟进行了研究，分析了内部分离介质流动特征对分离性能的影响。通过模拟发现除砂器内部的螺旋翅片引导流体产生涡旋流动，可以实现固液分离的目的，与传统旋流器相比，没有形成空气柱，从而使得内部流场更加稳定，有利于介质分离。不同的入口方式对除砂器内部流场产生不同的影响，切向入口时更有利于旋流的形成。为旋流器的改进、设计提供依据。 关键词：防砂；除砂器；FLUENT ；数值模拟；固液分离

The numerical simulation of the flow field in the underground hydrocyclone with different

entrances

Wang Jingchang Guo Fulai Zhao Qicheng Wu Menghua

(Dalian university Dalian 116622 China)

Abstract: For preventing sand in underground oil, this paper structures a model of hydrocyclone with three different entrances and the inside cyclone and the outside one seriesing and describes how it works. By the TGrid procedures, the all of the hydrocyclone is meshed with the tetrahedral and the boundary conditions are determined. The methods of Three-dimensional numerical simulation in FLUENT are used to simulate the velocity field distribution, the pressure field distribution, the path lines of the separated medition characteristics of the separated medium and the phase distribution of the medium. The affect of the internal separated medition characteristics to the separated performance is analysed. Through the simulation, it is found that the spiral fin in the hydrocyclone can guide the fluid to produce a vortex flow to meet the purpose of separating the solid-liquid. There is no formation of the air column comparing with the conventional cyclone, so the internal flow field is more stable to conductive to the separation of the media. Different entrances produce different effects on the flow field in the desander. It provides a basis for the improvement of the cyclone.

Key words: preventing sand; hydrocyclone; FLUENT; numerical Simulation; solid-liquid separation

0 引言

原油中的砂粒会在抽油泵及地面集输设备中沉积，造成砂卡，严重时会堵塞工艺设备，影响运行效率。因此，必须进行原油除砂。旋流器具有结构简单、分离效率高、设备体积小、安装方便等优点，早在100多

[1]

年前就被用作固-液两相介质的分离。不同的入口方式对分离效率和除砂器性能产生不同的影响，其内部流场也受到研究者的广泛关注。

计算流体力学简称CFD ，它的基本特征是数值模拟和计算机实验，从物理定理出发，在很大程度上替代了流体动力学实验，在科学研究和工程技术中产生了巨大的影

响。应用CFD 技术对旋流器内部流场进行模拟和分析可作为一种有效的分离器性能预测工具，同时研究各种参数对多相分离的影响，从而改进旋流器的结构设计，加速旋

[2]

流器的应用推广。

1 新型旋流器的CFD 模型

1.1 新型旋流器的结构

如图1所示，三种不同入口方式的除砂器主要由内、外二级旋流器及上、下接头组成。每一级旋流器，由旋流器外壳、旋流器内壳及螺旋翅片组成。从液流顺序看，内外旋流器相当于串联关系。 1.2 除砂器的工作原理

夹带一些砂粒的油水混合液经外旋流

作者简介：王景昌（1964-），男，黑龙江省肇源县人，博士，大连大学教授，主要从事水处理理论及工艺的研究。电话：0411-87403811，电邮[email protected]

（a ） （b ） （c ）

（a ） （b ） （c ） a -切向入口 b -斜切向入口 c -直贯入口

图1 除砂器结构示意图

Fig.1 Structural sketch and model of hydrocyclone

器外壳上的多个入口进入外旋流器旋流腔。由于螺旋翅片的作用，液流在外旋流器腔内旋转向下运动。在离心力和重力作用下，砂粒沿外旋流器外壳的内壁旋转向下运动，经外出砂口沉入油井底部。而油液则通过小孔进入溢流管内，由壳体上接头进入采油泵。1.3 网格划分

网格生成是连接几何模型与数值算法的纽带，本文利用PROE 软件建立除砂器的几何模型，导入GAMBIT 后利用TGrid 程序，采用四面体网格对整体进行网格划分[3]

。划分好网格后，检查网格划分情况。图2是对除砂器进行的网格划分示意图。 1.4 设置边界条件

利用FLUENT 软件进行计算的过程中，边界条件的设置是关键的一步。设置边界条件的方法一般是在利用GAMBIT 建模的过

（a ） （b ） （c ）

a -切向入口 b -斜切向入口 c -直贯入口

图2 除砂器模型网格划分示意图 Fig.2 Meshing sketch of the hydrocyclone model

程中设定的，FLUENT 软件提供了十余种类

型的进、出口边界条件[4]

。具体的边界条件处理如下:

入口边界：除砂器的入口速度可以认为是均匀分布的，分析的流体是原油与砂粒的混合相。入口流量为恒定值，入口速度也恒定。

出口边界：除砂器的上、下接口是充分发展的，将其设定为压力出口。

壁面：除砂器壁面不可渗透，不存在运动滑移。

2 除砂器的CFD 模拟

2.1 基本假设

为了建模需要并使模型更加容易求解，

做出如下基本假设[5]

：

（1）在流场中的每一位置，颗粒相与流体相相互渗透，每一相都有各自的速度和体积分数，但每个尺寸组的颗粒具有相同的速度；

（2）颗粒相在空间中具有连续的速度分布和体积分数分布；

（3）颗粒相除了与混合相间有质量、动量与能量的相互作用之外，还有自身的湍流脉动，从而造成颗粒质量、动量及能量的湍流输运；

（4）用初始尺寸来区分颗粒相； 2.2 CFD 模拟模型

FLUENT 提供了VOF 、Mixture 、Eulerian 三种多相流模型。Mixture 是一种简化了的多相流模型，可以模拟n 相通过求解混合相的动量方程、连续性方程和能量方程，分散相的体积分数方程，以及相对速度的代数表示。典型用于沉降、旋风分离等。

采用Mixture 多相流模型把颗粒相和流体相看做连续介质，两者相互渗透组成混合相。

基于以上假设后的颗粒控制方程表示如下：

混合相的连续性方程：

∂

→

∂(ρm ) +∇⋅(ρm v ) =m （1t

m ）

→

式中：v m

为质量平均速度；ρm 为混合相密

度；

混合相的动量方程：

∂

→

→

→

→

∂(ρ(ρ→T m v ) +∇⋅m v v ) =-∇p +∇⋅[u m (∇v +∇v m t

m m m m )]

+ρm g →+F →+∇n →→

⋅(k ∑=1

αk ρk v dr . k v dr . k ) (2)

→

式中：F 为体积力，u m 为混合相的粘性系→

数，v dr . k 为颗粒相中第k 相的漂移速度. 颗粒相的体积分数方程:

由颗粒相的连续性方程可得其体积分数方程为：

∂

(α→

→

∂p ρp ) +∇⋅(αp ρp v m ) =-∇⋅(αp ρp v dr . p ) (3) t

由上述方程可知，虽然该模型并未针对每一相去求解各自的连续性方程和动量方程，但考虑了连续相与每一颗粒相的相对速度，同时还求解了颗粒组分方程，这样的处理方法可以对每一相均给出计算结果，同时

还大大减少了计算量[6]

。

3 模拟结果与讨论

研究中选取两个具有代表性的截面，分别是距底面为450mm 的横截面Ⅰ和沿轴向

的纵截面Ⅱ，在求解中选用标准的k-ε湍流模型。

各参数如下：入口砂粒粒径为0.008mm ，砂粒密度为2350kg m 3，砂粒体积比为0.1，混合相的入口速度为5s ，入口管道直径为20mm ，螺旋翅片螺旋角为35度，螺旋间隙为5mm ，内孔个数为15

个。

（a ）切向入口

（b ）斜切向入口

（c ）直贯入口

图3 残差图

Fig.3 Residual plot

图3中横坐标为迭代步数，纵坐标为迭代残差值，可以看出：随着迭代步数的增多，曲线都逐渐趋于收敛。在入口方式为切向时迭代趋于收敛且趋于平缓时x 、y 、z 轴向速度比其他的要大，这说明切向入口的能耗比其他方式要小，对称双切向入口结构可以减小循环流和短路流，对减小能量损耗具有较

强的现实意义[7]

。结果显示，标准的k-ε湍

流模型在60次迭代时达到收敛。 3.1 速度矢量分析

（a ）切向入口

（b ）斜切向入口

（c ）直贯入口

图4 除砂器内部的速度矢量图 Fig.4 Part velocity distribution sketch of the

hydrocyclone

图4为除砂器的速度矢量图，可以看出流体沿螺旋翅片有明显的旋转流动，说明螺旋翅片起到了引导流体产生涡旋的作用。在入口方式为切向时，入口处混合相沿壁面切向流入，加速了混合相沿壁面的旋转流动，速度矢量比较明显。在入口方式为斜切和直贯时，有明显的回流和涡流。入口方式不同时，除砂器内部出现的速度矢量密集区域不同。

该模型中并未形成空气柱[8]

。空气核对旋流器的影响非常复杂，空气核内部消耗掉的能量仅用于维持其存在，分界面的位置及空气核的大小常处于不稳定状态，从而导致流场的波动于失衡，降低了旋流器的工作性

能。空气核内有粘性能耗损失和湍流脉动损

失，这些能量损耗对分离无积极的意义[9]

。该模型避免了空气柱的形成，从而使得内部流场更加稳定，可以减少能量损耗，提高分离效率。

3.2 压力分布分析

（a ） （b ） （c ）

a -切向入口 b -斜切向入口 c -直贯入口 图5 除砂器纵截面Ⅱ处的压力分布图

Fig.5 Pressure distribution sketch of the certain radial

spot Ⅱ inside the hydrocyclone

图5为除砂器纵截面Ⅱ处的压力分布

图，从图中可以看出：三种入口方式时，旋流腔内的压力比较均匀且具有非常好的对称性，这对于消除局部压力跳跃造成的流动

紊乱非常有效[10]

。除砂器内部压力变化不大

而且没有出现负压区[11]

，说明除砂器内部没有形成空气核，该结构可以减少压降损失，能耗较小。

3.3 入口处流线分析

（a ） （b ） （c ）

a -切向入口 b -斜切向入口 c -直贯入口

图6 入口处的流线图

Fig.6 The phase distribution sketch along the axial

从图6中可以看出：入口方式为切向时，管道内部流线较直且比较密集，沿程能量损失小。入口方式为斜切时，流线较直但不太密集。入口方式为直贯时，管道内部流线比较密集但稍弯曲。 3.4 相分布分析

（a ）切向入口

（b ）斜切向入口

（c ）直贯入口

图7 沿轴向相分布曲线图

Fig.7 The phase distribution sketch along the axial

图7中纵坐标为颗粒相沿除砂器轴向的

分布浓度，可以看出，在除砂器底部颗粒相浓度达到最大值，同时流体相浓度达到最小值。然后随着轴向距离的增加，颗粒相迅速减少，流体相迅速增加。在入口处颗粒相略有增加，流体相略有减少。在顶部时颗粒相浓度达到最小值，同时流体相达到最大值。说明固液两相实现分离效果较好。

4 结论

介绍了三种不同入口方式的除砂器的结构和工作原理。通过FLUENT 软件对其内部流场进行模拟发现，内外旋流器串联的方式以及螺旋翅片的结构避免了传统模型中空气柱的形成，增强了内部流场的稳定性；不同的入口方式时，入口处的速度矢量不同，内部涡流形成位置不同。直贯和切向入口方式时，入口处速度矢量较明显。双进口形式的除砂器旋流腔内的压力比较均匀且具有非常好的对称性，这对于消除局部压力跳跃造成的流动紊乱非常有效。通过模拟准确地反应了流场的内部情况，可以方便、快捷地对除砂器的分离效果和性能进行预测, 有助于新型旋流器的研制。

[参考文献]

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