固液分离水力旋流除砂器的数值模拟

一24一石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY2006年第34卷第3期●专题研究固液分离水力旋流除砂器的数值模拟胥思平朱宏武张宝强(1，中国石油大学·华东2．中国石油大学·北京)摘要利用CFD软件，采用雷诺应力模型分别计算了300型和250型水力旋流除砂器的内流场，得到了2种水力旋流除砂器的轴向、径向、切向速度及压强的分布曲线。通过对所得结果的分析，发现模拟结果基本符合旋流除砂器的运行规律。比较2种旋流除砂器的内流场，表明改进的300型水力旋流除砂器的结构及分离能力优于原来250型水力旋流除砂器，为水力旋流除砂器的优化设计和选型提供了可靠的设计依据。关键词水力旋流除砂器CFD数值模拟雷诺应力模型引言250型水力旋流除砂器是一种油田钻井中广泛使用的钻井液固相控制设备。在井队现场使用中，它除砂除泥综合效果好，分离效率高，不易堵塞，可有效地去除钻井液中有害固相，大大减轻现场工人劳动强度，深受井队工人的欢迎。为了满足钻井生产对钻井液处理量不断提高的需求，计划在250型除砂器基础上开发出处理量达240—260m／h的300型除砂器。目前，许多学者和科研单位采用不同的方法对水力旋流器进行了数值模拟并取得了丰硕的成果。西安交通大学多相流国家重点实验室的陆耀军和清华大学的周力行教授合作⋯，采用雷诺应力模型和简化的二维几何模型，通过编制计算机程序计算出水力旋流器的内流场，结果表明雷诺应力模型比RNGK—s模型预测旋流器中的强旋湍流更为准确。中国石油大学(北京)的丁永强采用RNGx一和三维几何模型，通过编制计算机程序获得了水力旋流器的内流场分布情况并预测了旋流器的分离效率。西南石油学院的任连城采用CFD方法对Ri．etemaK设计的最佳旋流器进行了流场数值模拟，模拟结果基本满足(准)自由涡运动规律，为笔者的数值模拟提供了计算基础。实际上，以前的水力旋流器的数值模拟大都是验证室内试验的，没有应用于工程实际来指导旋流器设计。笔者采用较为成熟的流体软件FLUENT对预先设计的300型和正在使用的250型水力旋流除砂器的内流场进行计算。结果显示新设计的300型在继承了250型分离能力强的优点下同时具备了处理大流量的特点，这为300型大流量除砂器的结构设计提供理论依据。最后利用软件的模拟结果提出水力旋流器的改进方案，重新设计了300型水力旋流除砂器并应用于现场，结果表明该水力旋流除砂器结构合理，除砂效果好，达到了使用要求。FLUENT是近年来广泛应用的基于有限容积法的一款CFD软件，可以在其前处理模块中建立几何模型并划分网格，在其求解模块中设置边界条件和采用的物理模型及求解方法，在后处理模块中进行后处理。该软件的推广应用对流体机械的设计开发具有重要意义。基本方程1．流体控制方程组设分离器的内部流场在柱坐标下，流体运动是定常的、不可压的、轴对称的湍流流动，且忽略了热传导及热辐射等因素，其雷诺方程为方向：·胜利石油管理局局级科研项目，项目名称：“固液分离器流场分析及优化设计”，项目编号：2004067。维普资讯http://www.cqvip.com2006年第34卷第3期胥思平等：固液分离水力旋流除砂器的数值模拟一25一p=+23w,一2div4]+等+OaW~,)】++警)]Y方向：p警=考+(2鲁一)】+[(+鲁)】+(鲁+ax)】Z方向：p警一+(2警一2di)卜警+警)】+警+)】式中——流场中某一微团的流速在轴方向上的分量；——流场中某一微团的流速在Y轴方向上的分量；——流场中某一微团的流速在z轴方向上的分量；p——流体密度；——流体粘度；p——压力；——坐标值；)，——y坐标值；z—Z坐标值。2．雷诺应力输运方程模型在雷诺应力输运方程模型即DSM模型中，用于确定雷诺应力各分量输运方程的张量精确形式表达为J：去(p)+彘(pu)=D+P七n一￡式中左边2项分别为应力的时间变化率和对流项；右边4项的具体含义是：D，——应力扩散项；Pf——剪力产生项；皿7——压力一应变项；——湍能耗散项。它们的具体表达式详见相关参考文献。此外，还有[，-_一时均速度分量；，——由湍流模型确定的未知雷诺应力分量。计算模型及数值解法新设计的300型水力旋流除砂器的结构参数为公称直径300mm，进13直径100mm，溢流13直径98mm，底流口直径38mm，圆柱段长度300mm，锥角7．7。，圆锥段长度800mm，溢流管插入段长度300mm。250型水力旋流除砂器的结构参数为公称直径250mm，进13直径80mm，溢流口直径75mm，底流13直径45mm，圆柱段长度350mm，锥角18。，圆锥段长度780mm，溢流管插入段长度250mm。流体工况为入口流量240～260m／h。入13含砂质量分数10％～14％，砂子中径25m，流体密度≤1．6g／cm。300