基于CFD的油水分离水力旋流器非尺寸因素的影响研究

摘要

水力旋流器因其结构简单、操作方便、分离效率高和无转动部件等优点广泛用于石油企业。对部分结构参数、物性参数、操作参数等单因素对旋流器分离性能的影响研究目前较为成熟，且提出了一些理论与模型。但由于其内部流场复杂，目前仍有许多问题有待探究，对于诸多尺寸因素和非尺寸多因素协同作用时对分离性能的影响，没有见到相关报道。
　　应用计算流体力学方法，对尺寸因素和非尺寸因素等多因素协同作用对油水分离水力旋流器分离的影响进行了数值模拟。在详细分析了目前广泛使用的三种旋流器结构形式及用于油水分离特点的基础上，确定了此次数值模拟研究对象的结构形式。数值模拟时，由于旋流器内部是同时存在内外旋流的高速湍动状态，采用Reynolds切应力模型可以较好模拟液体在高速旋转状态下的流动，用Mixture模型以模拟油水两相流动，采用非定常算法以观察油相迁移过程，近壁面处采用非平衡壁面处理。
　　用数值模拟方法分析了三组模型A、B和C的入口流量和油滴平均粒径对水力旋流器分离效率的影响，结果表明:分离效率随着进口平均油滴粒径的增加而增加，平均油滴粒径过大，液滴容易破碎分离效率降低;分离效率随着入口流量的增加而缓慢增加，入口流量在3.96～5.04 m3/h范围内时，分离效率变化不大。在入口流量相同的情况下模型B的分离效率最高。
　　用数值模拟方法研究了模型B不同入口含油浓度下，分流比和分离效率的关系、压降比和分流比的关系、压降和分流比的关系。分流比和分离效率的关系研究结果表明:分离效率随着分流比的增加而升高，进入稳定状态后有减小的趋势。但是随着分流比的增大，从溢流口流出的水分量会增大，增加了后续油处理设备的负担。由此可知，旋流器存在一个合适的分流比。压降比和分流比的关系研究结果表明:油水分离水力旋流器的压降比均随分流比的增加而增加，两者为线性关系，且经过回归分析得到了两者之间的函数关系式。根据此结果，调节分流比的难题可以通过调节压降比而轻松地达到。压降和分流比的关系研究结果表明:油水分离水力旋流器的溢流压降随分流比的增加而增加，两者为线性关系，且经过回归分析得到了两者之间的函数关系式。而底流压降存在随分流比的增加而下降的微小趋势。当分流比改变时，底流轴向速度改变不大，所以底流压降基本不变。分流比对溢流压降影响较显著，而对底流压降影响不大。
　　用数值模拟方法研究了入口流量和溢流压降、底流压降的关系，结果表明:在不同的入口含油浓度下，入口流量与溢流压降和底流压降的关系均满足指数关系，且经过回归分析得到了两者之间的函数关系式，水力旋流器的溢流压降和底流压降随着入口流量的增加而增加。
　　影响水力旋流器分离性能的参数归纳起来有16个，应用因次分析法根据因次的一致性原则推导出了12个无因次准数关系式，变量的个数由16个减少至12个，从而可以大大减少模拟工作量。对这12个准数进行正交试验设计，规划出了影响水力旋流器性能的12个准数因素的32组水平组合模型。利用Fluent软件对这32个水平组合模型进行了数值模拟，用极差分析法找出了各准数因素最优的水平组合以及对分离效率的主次影响顺序。并对模拟结果进行了方差分析，结果表明对旋流器分离效率具有高度显著影响的因素有:溢流口直径与旋流器名义直径之比，圆柱段直径与旋流器名义直径之比，底流口的压力与入口压力之比，处理液含油浓度与处理液密度之比和雷诺准数。
　　为了便于应用，用回归分析方法建立了油水分离水力旋流器多因素影响的数学模型，并验证了模型的高精度。所得到的数学模型，对水力旋流器的应用、预测、检验、放大和优化设计有着巨大的指导作用，为后期进一步研究具有重要意义。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究进展

1．2．3 旋流器研究方法现状

1．3 影响油水分离水力旋流器分离性能因素研究

1．3．1 水力旋流器的结构研究进展

1．3．2 水力旋流器基本结构参数对分离性能的影响研究进展

1．3．3 水力旋流器物性参数对分离性能的影响研究进展

1．3．4 水力旋流器操作参数对分离性能的影响研究进展

1．4 本课题的主要研究内容

第二章 水力旋流器概述及其基本理论

2．1 水力旋流器的结构种类

2．2 水力旋流器的工作原理

2．3 油水分离水力旋流器特性参数

2．3．1 分离效率

2．3．2 分流比

2．3．3 压力降及压降比

2．4 油水分离水力旋流器内流体流动的基本方程

2．5 本章小结

第三章 油水分离水力旋流器的数值模拟

3．1 计算流体力学简介

3．2 油水分离水力旋流器几何建模

3．2．1 几何模型的尺寸确定

3．2．2 几何建模

3．3 几何模型网格划分

3．4 控制方程离散化

3．4．1 离散格式的确定

3．4．2 压力速度耦合算法选定

3．5 湍流模型选择

3．6 多相流模型选择

3．7 参数设置和边界条件确定

3．8 求解器选定

3．9 近壁面区域的处理

3．10 本章小结

第四章 非尺寸因素对油水分离水力旋流器影响的数值模拟

4．1 非尺寸因素对旋流器流场数值模拟及结果分析

4．1．1 压力场特性

4．1．2 密度分布与流体迹线

4．1．3 速度矢量图

4．2 不同结构参数下入口流量和油滴平均粒径对分离效率的影响

4．3 不同入口含油浓度下分流比和分离效率的关系

4．4 压降比和分流比的关系

4．4．1 入口含油浓度为5％时的压降比和分流比之间的关系

4．4．2 入口含油浓度为10％时的压降比和分流比之间的关系

4．5 压降和分流比的关系

4．5．1 入口含油浓度为5％时的溢流压降和分流比之间的关系

4．5．2 入口含油浓度为10％时的溢流压降和分流比之间的关系

4．6 入口流量和压力降的关系

4．6．1 入口流量与溢流压降的关系

4．6．2 入口流量与底流压降的关系

4．7 本章小结

第五章 油水分离水力旋流器准数方程的推导

5．1 相似理论及因次分析法

5．1．1 相似原理

5．1．2 因次分析方法简介

5．2 油水分离水力旋流器分离性能准数关系式的建立

5．2．1 影响油水分离水力旋流器分离性能的因素

5．2．2 准数关系式的建立

5．2．3 准数方程的建立

5．3 本章小结

第六章 油水分离水力旋流器数学模型的建立

6．1 正交试验设计

6．1．1 因素和水平确定

6．1．2 正交表的选择

6．2 正交试验数值模拟和结果分析

6．2．1 极差分析

6．2．2 方差分析

6．3 相似准数数学模型的建立和结果分析及验证

6．3．1 分离效率的回归方程建立

6．3．2 各参数对欧拉准数(Eu)的影响回归分析

6．4 由数学模型分析各因素的影响

6．5 油水分离水力旋流器数学模型的用途

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

致谢

参考文献

附录

附录一 数值模拟值和模型预测值数据对比分析表

附录二 实验数据的一元线性回归分析Matlab程序代码

附录三 正交试验设计数据分析的Matlab程序代码

附录四 实验数据的多元线性回归分析Matlab逐步回归程序代码

附录五 攻读硕士学位期间发表的论文