超聲速旋流分離器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

超聲速旋流分離器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

超聲速旋流檢測器是一種用于天然氣脫水和重烴分離的新裝置。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烴凝結(jié)成液滴,形成霧狀流;同時旋轉(zhuǎn)氣體經(jīng)噴管后切向速度得到增加,使氣液混合物在強烈的旋流場作用下實現(xiàn)分離。Betting等介紹了超聲速分離器的工作原理并對未來應用情況進行了分析;蔣文明等對超聲速旋流分離器的脫水性能進行了現(xiàn)場試驗研究;Jassim等對超聲速噴管內(nèi)的單相氣流場進行了數(shù)值模擬,分析了真實氣體方程和噴管結(jié)構(gòu)對流體流動的影響。目前的研究多限于超聲速分離器內(nèi)部的單相流場,較少涉及氣液兩相流場。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)值計算中主要考慮包括氣相場和氣液間的相互干擾,即氣液兩相間的動量、能量、質(zhì)量的交換過程。離散相模型(discretephasemodel,DPM)屬于歐拉-拉格朗日算法,即對氣相流場采用歐拉觀點進行計算,對液滴運動采用拉格朗日觀點進行跟蹤計算。筆者采用考慮顆粒碰撞的歐拉-拉格朗日數(shù)值方法對超聲速旋流分離器內(nèi)部復雜的氣液兩相流場進行數(shù)值計算。1數(shù)學模型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為時間,s;ms為液滴蒸發(fā)進入氣相的質(zhì)量,kg。動量方程為??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為離散相粒子對氣流的作用力,N;ˉˉrrˉˉ為應力張量;μ為氣體動力黏度,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液滴的運動方程可表示為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;由于是湍流運動,布朗力也可以忽略。超聲速分離器內(nèi)流體做強旋流流動,旋轉(zhuǎn)的剪切作用非常強,由此可以產(chǎn)生較強的剪切升力,故在計算中主要考慮了Saffman力的影響。2數(shù)值方法2.1分離器的設計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、旋流分離段和擴壓器組成,在擴壓器入口裝有用于排液的集液槽。噴管設計為包含中心體的環(huán)形拉法爾噴管,收縮段采用雙三次曲線法設計。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67.3mm,擴張段長198.6mm;擴壓器長217.5mm;6個導向葉片軸向均勻布置,旋流角為47.6°。2.2超聲速自動壓縮網(wǎng)格網(wǎng)格特點超聲速旋流分離器內(nèi)是復雜的超聲速旋流場,雷諾數(shù)非常高,因此選用對強旋流流場有著很好的改進效果的RNGk-ε模型進行數(shù)值計算。為了適應超聲速旋流分離器結(jié)構(gòu)復雜的特點,數(shù)值計算的網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,同時借助FLUENT的自適應網(wǎng)格在計算初始流場的前提下自動加密導向葉片和噴管附近的網(wǎng)格,可提高網(wǎng)格對復雜旋流場的捕捉能力和計算精度。針對超聲速可壓縮氣體流動特征,設定進出口邊界為壓力邊界條件,數(shù)值計算中采用絕對壓力,入口和出口壓力分別為4和2.68MPa;固體壁面采用無滑移、無滲流、絕熱邊界。數(shù)值計算過程采用有限體積法和二階迎風格式對控制方程進行離散,用壁面函數(shù)法處理近壁面流動,速度場和壓力的耦合采用SIMPLE算法。2.3分散相的數(shù)值法2.3.1dpm模型的計算過程在DPM模型中,液滴的體積濃度必須小于10%,在這種條件下假設液滴在流場中是稀釋的,同時液滴的形狀被假定為球形。液滴在氣相場中飛行,其阻力來源于氣流,同時液滴也施加一個反作用力給氣流。這個反作用力出現(xiàn)在氣流流場的NS方程中,表征液滴對流場的反作用力。液滴的軌跡不僅受平均流場產(chǎn)生的阻力影響,還受到湍流脈動的影響。湍流流動是用湍流模型進行模擬的,只能在統(tǒng)計平均意義上表征湍流的宏觀特征,DPM模型根據(jù)計算出的大量顆粒軌跡可以在統(tǒng)計意義上反映顆粒在氣相流場中的運動規(guī)律。另外,湍流與顆粒之間的相互作用可以用隨機軌道模型進行計算,也可以用粒子云模型進行計算。本研究中流動為湍流并且希望考慮湍流對顆粒的影響,故采用隨機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超聲速分離器內(nèi)的氣液兩相流場有很大的影響,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。針對這一分布情況,采用Rosin-Rammler分布模型來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,每個尺寸組由一個平均粒徑來表示,液滴的軌道就依據(jù)此代表粒徑來計算。大于粒徑d的顆粒質(zhì)量分數(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邊界條件說明(1)噴管出口為液滴的入射面,假定液滴由這個面進入旋流分離段,計算中將這個面設置為逃逸邊界條件,即液滴如果因回流到達這個面,則認為液滴不再返回計算域。(2)超聲速旋流分離器的干氣出口設為逃逸邊界條件。(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),通過超聲速旋流分離器的試驗對數(shù)學模型進行驗證。試驗中,在超聲速分離器上布置了7個壓力測點,分別位于分離器入口、噴管收縮段、喉部、噴管出口、擴壓器入口、擴壓器中部和分離器出口,選用Rosemount3051型壓力變送器測量壓力,數(shù)值模擬和試驗結(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6.3%,但數(shù)值結(jié)果和試驗測量值總體上較為一致。該數(shù)值方法準確預測了分離器內(nèi)壓力場的變化規(guī)律,驗證了數(shù)值方法的準確性和可靠性。3.2dpm模型的建立數(shù)值計算中流體介質(zhì)采用中原白廟凝析氣田26井天然氣組分,并將C5+以上組分設為C5進行簡化計算,簡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,相應的噴管出口處氣體的密度為4.9kg/m3,水的密度為1074.4kg/m3,顆粒的體積分數(shù)遠小于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,氣體在擴壓器入口處產(chǎn)生激波,溫度陡然回升;經(jīng)擴壓器后有所恢復。天然氣進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;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液滴運動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。對液滴模型作如下基本假設:(1)液滴為球形顆粒,且不考慮液滴的蒸發(fā)過程;(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,液滴運動軌跡如圖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壓器出口流出。圖5為3種典型的單個液滴的運動軌跡,即(a)當液滴直徑大于1.2μm時,液相顆粒與旋流分離段壁面碰撞被吸附;(b)當液滴直徑位于0.4~1.2μm時,液相顆粒直接進入集液槽空間排出;(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入集液槽空間排出,達到氣液分離的目的。以上兩部分液滴的運動形式是超聲速旋流分離器內(nèi)液滴的主要運動形式。第三類液滴,從噴管出口處釋放后,進入旋流分離段后同樣也發(fā)生旋轉(zhuǎn),但此時慣性力起主導作用,故這部分液滴隨氣相從擴壓器出口流出,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)值方法可以準確預測分離器內(nèi)的壓