超聲速旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

超聲速旋流分離器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

超聲速旋流檢測(cè)器是一種用于天然氣脫水和重?zé)N分離的新裝置。在該超聲速旋流分離器中,天然氣經(jīng)旋流葉片產(chǎn)生旋流后進(jìn)入拉伐爾噴管絕熱膨脹至超聲速,形成低溫低壓,使天然氣中的水和重?zé)N凝結(jié)成液滴,形成霧狀流;同時(shí)旋轉(zhuǎn)氣體經(jīng)噴管后切向速度得到增加,使氣液混合物在強(qiáng)烈的旋流場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)分離。Betting等介紹了超聲速分離器的工作原理并對(duì)未來(lái)應(yīng)用情況進(jìn)行了分析;蔣文明等對(duì)超聲速旋流分離器的脫水性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究;Jassim等對(duì)超聲速噴管內(nèi)的單相氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了真實(shí)氣體方程和噴管結(jié)構(gòu)對(duì)流體流動(dòng)的影響。目前的研究多限于超聲速分離器內(nèi)部的單相流場(chǎng),較少涉及氣液兩相流場(chǎng)。氣液兩相流的數(shù)值算法可以分為歐拉-歐拉算法和歐拉-拉格朗日算法兩種類型。數(shù)值計(jì)算中主要考慮包括氣相場(chǎng)和氣液間的相互干擾,即氣液兩相間的動(dòng)量、能量、質(zhì)量的交換過(guò)程。離散相模型(discretephasemodel,DPM)屬于歐拉-拉格朗日算法,即對(duì)氣相流場(chǎng)采用歐拉觀點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日觀點(diǎn)進(jìn)行跟蹤計(jì)算。筆者采用考慮顆粒碰撞的歐拉-拉格朗日數(shù)值方法對(duì)超聲速旋流分離器內(nèi)部復(fù)雜的氣液兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。1數(shù)學(xué)模型1.1up及r連續(xù)方程為?ρ?t+??(ρu)=ms?ρ?t+??(ρu)=ms.(1)式中,ρ為氣相密度,kg/m3;u為氣相速度,m/s;t為時(shí)間,s;ms為液滴蒸發(fā)進(jìn)入氣相的質(zhì)量,kg。動(dòng)量方程為??t(ρu)+??(ρuu)=-?p+??(ˉˉr)+F??t(ρu)+??(ρuu)=??p+??(rˉˉ)+F,(2)其中ˉˉr=μ[(?u+?uΤ)-23??uΙ]rˉˉ=μ[(?u+?uT)?23??uI].(3)式中,p為靜壓,Pa;F為離散相粒子對(duì)氣流的作用力,N;ˉˉrrˉˉ為應(yīng)力張量;μ為氣體動(dòng)力黏度,Pa·s;I為單位張量。能量方程為??t(ρE)+??((ρE+p)u)=??(k?Τ+(ˉˉr?u))+Sh??t(ρE)+??((ρE+p)u)=??(k?T+(rˉˉ?u))+Sh.(4)式中,E為總能,J;T為靜溫,K;k為熱傳導(dǎo)系數(shù);Sh為液滴向氣流傳遞的熱量,J。1.2超聲速旋流分離器up液滴的運(yùn)動(dòng)方程可表示為dupdt=FD+FΟdupdt=FD+FO.(5)其中FD=18μρpd2pCDRe24(u-up).FΟ=FS=2Κ√uρdijρpdp(dlkdkl)0.25(u-up).Κ=2.594,dij=12(ui,j+uj,i).式中,up為顆粒速度,m/s;FD為顆粒的單位質(zhì)量曳力,N;FO為其他作用力,主要包括重力、熱泳力、布朗力和剪切升力(Saffman力)等;ρp、dp分別為顆粒密度和直徑;Re為相對(duì)雷諾數(shù);CD為曳力系數(shù);FS為Saffman力;dij為流體變形速率張量。在超聲速旋流分離器內(nèi)離心力的影響遠(yuǎn)大于重力,故忽略重力的影響;熱泳力主要由輻射產(chǎn)生,本文中不予考慮;由于是湍流運(yùn)動(dòng),布朗力也可以忽略。超聲速分離器內(nèi)流體做強(qiáng)旋流流動(dòng),旋轉(zhuǎn)的剪切作用非常強(qiáng),由此可以產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切升力,故在計(jì)算中主要考慮了Saffman力的影響。2數(shù)值方法2.1分離器的設(shè)計(jì)建立的超聲速旋流分離器的物理模型如圖1所示。主要由旋流裝置、噴管、旋流分離段和擴(kuò)壓器組成,在擴(kuò)壓器入口裝有用于排液的集液槽。噴管設(shè)計(jì)為包含中心體的環(huán)形拉法爾噴管,收縮段采用雙三次曲線法設(shè)計(jì)。在分離器入口壓力4MPa、流量4000Nm3/h、溫度30℃的工況條件下,分離器全長(zhǎng)743.4mm,入口直徑80mm,出口直徑40mm;噴管喉部壁面和中心體直徑分別為17.48mm和12.00mm,收縮段長(zhǎng)67.3mm,擴(kuò)張段長(zhǎng)198.6mm;擴(kuò)壓器長(zhǎng)217.5mm;6個(gè)導(dǎo)向葉片軸向均勻布置,旋流角為47.6°。2.2超聲速自動(dòng)壓縮網(wǎng)格網(wǎng)格特點(diǎn)超聲速旋流分離器內(nèi)是復(fù)雜的超聲速旋流場(chǎng),雷諾數(shù)非常高,因此選用對(duì)強(qiáng)旋流流場(chǎng)有著很好的改進(jìn)效果的RNGk-ε模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。為了適應(yīng)超聲速旋流分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn),數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,同時(shí)借助FLUENT的自適應(yīng)網(wǎng)格在計(jì)算初始流場(chǎng)的前提下自動(dòng)加密導(dǎo)向葉片和噴管附近的網(wǎng)格,可提高網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜旋流場(chǎng)的捕捉能力和計(jì)算精度。針對(duì)超聲速可壓縮氣體流動(dòng)特征,設(shè)定進(jìn)出口邊界為壓力邊界條件,數(shù)值計(jì)算中采用絕對(duì)壓力,入口和出口壓力分別為4和2.68MPa;固體壁面采用無(wú)滑移、無(wú)滲流、絕熱邊界。數(shù)值計(jì)算過(guò)程采用有限體積法和二階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散,用壁面函數(shù)法處理近壁面流動(dòng),速度場(chǎng)和壓力的耦合采用SIMPLE算法。2.3分散相的數(shù)值法2.3.1dpm模型的計(jì)算過(guò)程在DPM模型中,液滴的體積濃度必須小于10%,在這種條件下假設(shè)液滴在流場(chǎng)中是稀釋的,同時(shí)液滴的形狀被假定為球形。液滴在氣相場(chǎng)中飛行,其阻力來(lái)源于氣流,同時(shí)液滴也施加一個(gè)反作用力給氣流。這個(gè)反作用力出現(xiàn)在氣流流場(chǎng)的NS方程中,表征液滴對(duì)流場(chǎng)的反作用力。液滴的軌跡不僅受平均流場(chǎng)產(chǎn)生的阻力影響,還受到湍流脈動(dòng)的影響。湍流流動(dòng)是用湍流模型進(jìn)行模擬的,只能在統(tǒng)計(jì)平均意義上表征湍流的宏觀特征,DPM模型根據(jù)計(jì)算出的大量顆粒軌跡可以在統(tǒng)計(jì)意義上反映顆粒在氣相流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。另外,湍流與顆粒之間的相互作用可以用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行計(jì)算,也可以用粒子云模型進(jìn)行計(jì)算。本研究中流動(dòng)為湍流并且希望考慮湍流對(duì)顆粒的影響,故采用隨機(jī)軌道模型模擬湍流與顆粒之間的相互作用。2.3.2rosin-rammor分布模型液滴的粒徑分布對(duì)超聲速分離器內(nèi)的氣液兩相流場(chǎng)有很大的影響,根據(jù)課題組的前期研究,在超聲速分離器的噴管出口處的液滴直徑基本分布在0.1~4μm。針對(duì)這一分布情況,采用Rosin-Rammler分布模型來(lái)描述液滴的粒徑分布。在該模型中,液滴的全部尺寸被分成足夠多的尺寸組,每個(gè)尺寸組由一個(gè)平均粒徑來(lái)表示,液滴的軌道就依據(jù)此代表粒徑來(lái)計(jì)算。大于粒徑d的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Yd=exp[-(d/ˉd)n].式中,ˉd為液滴平均直徑;n為分布指數(shù)?！取為2μm,n取為10。2.3.3邊界條件說(shuō)明(1)噴管出口為液滴的入射面,假定液滴由這個(gè)面進(jìn)入旋流分離段,計(jì)算中將這個(gè)面設(shè)置為逃逸邊界條件,即液滴如果因回流到達(dá)這個(gè)面,則認(rèn)為液滴不再返回計(jì)算域。(2)超聲速旋流分離器的干氣出口設(shè)為逃逸邊界條件。(3)在集液槽空間壁面和液體出口采用捕捉邊界條件,即液滴到達(dá)壁面和液體出口后將被捕捉。(4)旋流分離段壁面采用捕捉邊界條件,其他壁面選擇反射邊界條件。3計(jì)算與分析3.1超聲速分離器工作原理在分離器入口壓力為0.6MPa、流量為360Nm3/h、溫度為30℃的工況下,以濕空氣為介質(zhì),通過(guò)超聲速旋流分離器的試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)中,在超聲速分離器上布置了7個(gè)壓力測(cè)點(diǎn),分別位于分離器入口、噴管收縮段、喉部、噴管出口、擴(kuò)壓器入口、擴(kuò)壓器中部和分離器出口,選用Rosemount3051型壓力變送器測(cè)量壓力,數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,由于數(shù)值方法中沒(méi)有考慮液滴凝結(jié)的影響,使得噴管出口處的壓力值明顯大于數(shù)值模擬值,最大誤差達(dá)6.3%,但數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量值總體上較為一致。該數(shù)值方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了分離器內(nèi)壓力場(chǎng)的變化規(guī)律,驗(yàn)證了數(shù)值方法的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2dpm模型的建立數(shù)值計(jì)算中流體介質(zhì)采用中原白廟凝析氣田26井天然氣組分,并將C5+以上組分設(shè)為C5進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,簡(jiǎn)化后的天然氣摩爾組分為:2.04%N2,0.45%CO2,0.03%H2O,91.36%CH4,3.63%C2H6,1.44%C3H8,0.26%i-C4H10,0.46%n-C4H10,0.17%i-C5H12,0.16%n-C5H12。在超聲速旋流分離器的入口壓力為4MPa、溫度30℃時(shí),相應(yīng)的噴管出口處氣體的密度為4.9kg/m3,水的密度為1074.4kg/m3,顆粒的體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于1%,可以作為離散相處理,滿足DPM模型的使用條件。超聲速旋流分離器內(nèi)的氣相流場(chǎng)的靜溫和切向速度沿軸向變化規(guī)律如圖3所示。從圖3中可以看出:氣體進(jìn)入拉伐爾噴管后,在噴管的收縮段氣流被平穩(wěn)壓縮,溫度下降緩慢;到達(dá)喉部后加速膨脹至超聲速,溫度急劇下降為-70℃左右;經(jīng)旋流分離段靜溫緩慢升高,氣體在擴(kuò)壓器入口處產(chǎn)生激波,溫度陡然回升;經(jīng)擴(kuò)壓器后有所恢復(fù)。天然氣進(jìn)入噴管后在旋流葉片的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn),切向速度由于中心體的收縮而得到增強(qiáng);噴管出口處的切向速度約為110m/s,噴管出口處中心體的半徑為4.0mm,根據(jù)離心加速度的公式,此時(shí)天然氣受到的最大離心加速度約為300000g(g為重力加速度,m/s2);進(jìn)入旋流分離段后,邊界層與摩擦阻力的存在使切向速度略有減小,在擴(kuò)壓器內(nèi)由于受到激波影響而急速下降,逐漸減小。3.3液滴運(yùn)動(dòng)軌跡在超聲速旋流分離器中,由于液相的承載率很低,所以未考慮連續(xù)相與離散相間的耦合。液滴的速度采用噴管出口氣相的速度,且液滴為水相顆粒。對(duì)液滴模型作如下基本假設(shè):(1)液滴為球形顆粒,且不考慮液滴的蒸發(fā)過(guò)程;(2)入射顆粒的速度與氣相速度相等;(3)液相顆粒被壁面捕捉到即被除去。通過(guò)在超聲速旋流分離器的噴管出口處釋放液滴研究液滴的軌跡,液滴的直徑范圍為0.1~4μm,平均直徑為2μm,液滴運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。從圖4中可以看出,大部分液滴在巨大離心力的作用下從集液槽排出,僅有少部分液滴從擴(kuò)壓器出口流出。圖5為3種典型的單個(gè)液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡,即(a)當(dāng)液滴直徑大于1.2μm時(shí),液相顆粒與旋流分離段壁面碰撞被吸附;(b)當(dāng)液滴直徑位于0.4~1.2μm時(shí),液相顆粒直接進(jìn)入集液槽空間排出;(c)如果液滴直徑小于0.4μm,液相顆粒將隨氣相從擴(kuò)壓器流出。從圖5中可以看出:第一類液滴是在巨大離心力的作用下被甩至旋流分離段壁面形成液膜,然后在慣性力的作用下沿管壁進(jìn)入集液槽,最后被分離;第二類液滴在離心力和慣性力共同作用下直接進(jìn)入集液槽空間排出,達(dá)到氣液分離的目的。以上兩部分液滴的運(yùn)動(dòng)形式是超聲速旋流分離器內(nèi)液滴的主要運(yùn)動(dòng)形式。第三類液滴,從噴管出口處釋放后,進(jìn)入旋流分離段后同樣也發(fā)生旋轉(zhuǎn),但此時(shí)慣性力起主導(dǎo)作用,故這部分液滴隨氣相從擴(kuò)壓器出口流出,造成氣體含液,但這部分液滴是極少部分。4超聲速旋流分離器(1)數(shù)值方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分離器內(nèi)的壓