同向出流倒锥式旋流器的结构模拟分析

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中图分类号 ： TH12；TH138.8；TQ172.6 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.02.005Structural Simulation Analysis of A Co·rotating Outflow Reverse-cone HydrocycloneZHAO Li-xin ，HAN Li-yan ，ZHENG Guo-xing ，JIANG Ming-hu ，LI Feng ，ZHANG Yong(1.Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China；2.Daqing Oilfield Production Technology Institute，Daqing 163453，China)Abstract： Based on the existing research.results of oil-water separation，a new type hydrocyclone-a co-rotating out]ow reverse-cone hydrocyclone is proposed，the structure and working principle of the new hydrocyclone are introduced.Based on computa。

tional fluid dynamics(CFD)method，numerical simulation analysis is made of the internal flow field in the hydrocyclone by Flu。

ent software，through the observation of the flow field characteristics，the effect of the typical structure parameters(such as thediam eter of overflow pipe，the dip length of overflow pipe，the cone angle and the size of water outlet)on separation performanceof the hydrocyclone is analysed。

Key words：co-rotating outflow；inverse-cone；numerical simulation；structural analysis1 前言目前，油水分离已经成为石油工程中-个不可缺少的重要环节，油水分离设备也已成为油田地面工程中最基本、最重要、应用最广的工艺设备之- 。在油田开发进人中、高开采期后，随着聚驱规模不断扩大，含聚污水采出量逐年增多，越来越多的水驱污水站已经出现了聚合物，从而引起处理水质变差，难以满足注水要求。因此，如何改善水质已成为油田地面工程系统竞相研究的热点问题。

旋流器是目前应用越来越广泛的两相分离设备，现有旋流器多数采用出水口和出油口位于装置不同侧的结构，旋流器内部存在向上和向下两个旋流运动，从而导致流场不稳定、分离效率低 曲 。而且出水口与出油口位于不同侧的旋流器在与相关配套工艺上的设备进行连接时，增加了施工的难度。因此，为了解决这些问题，本文提出了-种新型旋流器结构，同向出流倒锥式旋流器(现已获国家发明专利)，并对这-新结构进行了模拟分析及结构优眩2 结构对比及工作原理2.1 结构 对 比图 1为常规液 -液分离水力旋流器结构示意，主要由4部分组成：圆柱段的旋流腔、锥角为O/的大锥段、锥角为0的小锥段和圆柱段的尾管。

而同向出流倒锥式旋流器则是在常规旋流器的基础上，将出油口与出水口放置在旋流器的同侧，同收稿 日期： 2012-05-25 修稿日期 ： 2012-12-07基金项目： 国家863计划课题(2012AA061303)；黑龙江省普通高等学校世纪优秀人才培养计划资助项目(1155-NCET-003)2013年第41卷第2期 流 体 机 械 21(3)固壁边界：壁面边界条件认为壁面不可渗漏，元滑移条件，并利用壁面函数方程来计算剪应力、近壁处的湍动能和湍流扩散率。

3.2 初始模型的模拟分析旋流器内部混合介质的流动可以流场直观地表现出来 ，通过 Fluent软件的模拟计算得到的流场如图5和 6所示，从图中可以看出，油水混合液在旋流器内的流动流动规律为：液体以-定速度进入旋流器后，在旋流腔和大椎段内部形成高速旋转的涡流，在小锥段和尾管段旋转加速度趋于缓和，旋流场稳定，由于该旋流器出水口与出油口位于同侧，液体从器壁向轴心形成的螺旋流线旋转方向相同，运动方向也相同，外部重相介质(水)边旋转边向下流向底流口，内部轻相介质(油)沿着顶针向下运移流向溢流口，从而实现油水的旋流分离，这-点和常规旋流器的规律不同；该旋流器内部的中心锥可以使油滴在中心锥的尖端的附近聚集，促使小液滴形成大液滴，有利于油水两相的分离，中心锥的存在也大大减少了旋流器内部的紊流，有利于流场的稳定，出油口与出水口位于旋流器的同侧，依止了常规旋流器由于溢流管位于旋流腔而引起的短路流，同时侧切向的出水口也加长了旋流器的有效分离长度，改变了传统的设计观念。

图5 内部液体流动的流线图6 横向截面速度矢量4 结构参数优化的模拟研究4.1 改变溢流管直径D溢流口直径是影响旋流器油水分离性能的重要结构尺寸，旋流分离中油相由溢流管排出，减小溢流口直径可以提高分离效率，但是溢流管直径过嗅导致油核不能顺畅排出，而溢流管直径过大会使主相水随着油相-起流出，所以溢流口直径选取不当会影响旋流器的分离性能 J。因此对旋流器的溢流管直径的大续行了模拟分析，溢流管直径 D 分别设定为6mm、8mm、10mm，其他参数不变。从图7、8中可以直观地看出当 D 6mm时截面 I(如图2，距溢流管顶端 20mm，下文均以该界面进行研究)处的油相体积分数最高，D 8ram次之，但是D 8mm时油相分布比较广泛，而且当溢流口直径 D 8mm时，压力降最低〖虑到压力降是能量损失的主要体现之-，因此将溢流管直径确定为 D 8mm。

氟黑言2×逝H量径向距离(mm)图7 油相分布曲线- 6 0 6径向距离(mm)图8 压力降分布曲线4.2 改变溢流管伸入长度Z常规旋流器溢流管的伸入长度对旋流器的分离性能有很大影响，伸入长度过短会导致部分液体没有经过分离直接流出溢流管，使分离效率降2013年第41卷第2期 流 体 机 械 23看出，随着角度的增大油相体积分数变化很小，压力降增大，根据计算结果得出分离效率先增大后减校当 12。时，油相体积分数值最高，综合考虑，将大椎段半锥角 。为 12。时较为合适。

求蛙靶要宝×世径向距离(mm)图 13 油相分布曲线径向距离(mm1图 14 压力降分布曲线4.5 出水 口尺寸从图15可以看出，溢流口处的油相体积分数都很高，而且变化幅度很小，从图l6可以看出，随着出水口截面积的增大，压力降减小，也就是说出水口截面积越大，溢流口处压力将越小，能量损失也就越校因此，综合分析将出水口截面尺寸定为20 X6。

想径向距离(ram1图l5 油相分布曲线言宝x世径向距离(ram1图16 压力降分布曲线5 优化结果及分析在人口流量 4m /h、人 口含油质量分数为2%、油滴的粒径为30 m和溢流分流比10%的条件下，本文将优化后的同向出流倒锥式旋流器与常规旋流器进行了模拟分析对比，计算结果如图17、18所示。

- 常规旋流器 新型旋流器图l7 常规与新型旋流器的油相分布云图籁蛙是径 向距离(ram)图l8 油相分布曲线对比0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ----------十 ～ ～～ 昙耋9 8 7 6 5 4 3 2 9 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.2，2013由图 17可见 ，随着油水混合液由入 口进入后，油沿着中心锥向下移动，在 中心锥尖端处有大量油滴聚集 ，在 中心锥下端形成的油相体积分数很高的油芯由溢流 口排出，器壁和底流口处的油相体积分数很小，接近于零，而常规旋流器的尾管流出的液体还有-部分油流出。

由图 18可以看 出，同向出流倒锥式旋流器溢流 口处的油相体积分数与常规水力旋流器相比有了明显改善，而在器壁处的油相体积分数基本接近于零。经过对模拟结果压力降的研究，同向出流倒锥式旋流器 比常规旋流器明显降低，分离效率达到了99.89%。

6 结论在操作参数为人口流量4m /h、人口含油质量分数为2%、油滴的粒径为301m和溢流分流比10%的条件下对同向出流倒锥式旋流器进行流场的数值模拟，得出以下结论：(1)溢流管直径 D 的选取应与混合液 的含油体积分数相对应，所以本文所研究的旋流器的溢流管直径 D 不宜选取过大 ，D 选取过大 ，部分水相会协 同油从溢流 口流出，导致分离效率下降，D 选取过嗅导致压力降增大，增加能量损耗；(2)溢流管伸人长度 f对旋流器的分离性能有很大影响，z增大，压力降也随之增大，油水分离效率先增高后降低；(3)随着小锥角的增加，油相体积分数基本呈增大趋势，但变化幅度较小；压力降随着小锥角增大呈现先减畜增大的变化规律；(4)大锥角的变化对旋流器内部液体的流速有较大的影响，角度增大会增大液体流速的变化幅度，导致流场不稳定，角度减小延长了液体的停留时间，增大了能耗；(5)出水口尺寸增大，溢流口处的压力降明显下降，降为2.85×10 Pa，而且分离效率也有所提高，最终达到了99.89%；(6)同向出流倒锥式旋流器的内部紊流少，流场稳定，分离效率高，旋流器的整体长度有所缩短，同向出流倒锥式旋流器的模拟研究对今后小型高效的油水旋流器的设计与发展具有-定的指导意义