气液旋流分离中两相流动模型的理论研究

气、液旋流分离过程是气、液两相的三维强旋流运动,以漂移流动模型和颗粒轨迹方程为基础。采用欧拉-拉格朗目方法建立一种新的气液两相流动机理模型,该模型可以用来直接计算气液旋流分离器内部流场中连续相、分散相（液滴）的速度分布情况,通过计算能够预测旋流器内部浓度分布情况,并通过对影响气液分率效率的主要原因一出口气体中的液滴夹带情况进行分析计算,预测旋流器的分离性能。     

液-液旋流分离器分离特性数值模拟

液-液旋流分离器内部流场复杂,现有实验条件难以得到较为清晰的流场分布和液-液两相分离过程,用马丁·休教授发明的F型液-液旋流分离器为研究模型,以取油水作为分离介质,采用计算流体动力学技术对液-液旋流分离器进行数值模拟分析.结果表明:液-液旋流分离器内部流场分布特征明显,并在圆柱段、大锥段、小锥段存在不同程度的循环流;其各截面切向速度和轴向速度分布规律与理论分析相一致,切向速度分布中在圆柱段、大锥段和小锥段上端组合涡特征明显,圆柱段和大锥段的轴向速度呈现双W形式;采用分散相模型追踪油滴运动轨迹,证明油水分离的关键在于油滴是否能够在分离区域进入内旋流.     

段塞流从单管流入并联分离器的分流实验研究

为了研究油气集输系统中并联分离器出现的气液偏流现象,自主设计并搭建了气液两相流分流实验系统。该实验系统中采用数据采集系统对流量、压力、压降、液位、持液率等多种实验参数进行记录。设计了两种结构的气液分流管路,并在两种管路结构（水平管⁃T型管⁃水平管结构与水平管⁃T型管⁃立管⁃水平管结构）下进行了段塞流分流实验,分别研究了对称管路条件与非对称管路条件下的气液分流特性。实验结果表明,两种管路结构下,当管路条件对称时,在实验流速范围内,段塞流的气液两相等流量分配到两台并联分离器内;对于实验中的两种管路结构,分离器气相出口管路条件的不对称会引起气、液两相的偏流,且液相的偏流程度均小于气相。基于压降计算建立了非对称条件下气液两相流的分流模型,对气液流速对分流特性的影响进行了简单解释。     

斜板式气液重力分离技术研究

在简要叙述斜板式气液分离器斜板分离室内液滴分离原理基础上,以常规卧式气液分离器设计准则为基础,通过对实际情况的分析与简化导出气液两相分离的数学模型及斜板气液分离器结构设计计算公式.并对常规卧式分离器和斜板式气液分离器分别进行结构尺寸设计与分离效率的对比计算,得出斜板式气液分离器具有实际应用推广价值.     

某组合分离器内部流动的数值计算

结合某石油化工系统中新型组合分离器的优化设计,针对其分离元件的最优组合工况,基于CFD方法,对分离器内部的气、液两相流动进行了数值计算,分析了分离器内部气液分离的过程和分离效率,并与试验结果进行对比,表明该新型组合式分离器分离效率较高（〉99．7％）,设计比较合理,能有效脱除天然气中的液相成分。     

液液旋流油水分离器的神经网络模型

采用人工神经网络方法,建立了液液旋流油水分离器的ＢＰ网络模型,该模型能根据物性参数比较准确地预测旋流油水分离器的结构参数和操作参数。     

新型卧式气液分离器内流场数值模拟

为防止风冷热泵冷热水机组中制冷剂液体进入压缩机后造成的"湿压缩"现象,本文建立了气液分离器模拟模型,采用数值模拟方法,分析了分离室内流场变化规律、内部构件对分离性能的影响,从而得到分离器的最佳结构尺寸.结果表明,气液分离器仅靠自身重力而没有任何内部构件时分离时间较长,分离效果较差;在分离室内增加整流板后能够有效的抑制漩涡和返混的产生,基本消除了逆流现象;在分离室入口增加了导流板后,流体速度明显减小,气液分离效率显著提升,导流效果明显.上述研究成果为提高风冷热泵冷热水机组的运行稳定性和延长压缩机的使用寿命提供了重要依据.     

螺旋管内气液分离仿真分析

为提高原油分离程度、缩短分离时间,在对螺旋管气液分离原理与设计方法进行分析的基础上,建立了螺旋管模型。采用RNG k-ε湍流模型,通过FLUENT软件对螺旋管入口流速分别为1.65 m·s~(-1)和3.00 m·s~(-1)的流体分布状况进行了仿真分析,验证了螺旋管对气液分离的作用。结果表明:流速越大,分离程度越高,分离行程越短,为设计小型螺旋管分离器提供参考。     

旋流器用于含油污水的除油

对旋流法含油污水除油进行了研究,探讨多种结构参数（溢流口径、进料口径和尾管长度）、操作参数（分注比和入口注量）、物性参数（进料浓度）对液液分离性能的影响。结果表明,选择合适的结构参数和操作参数,旋流分离器的分离效率（即去油率）可达９９％以上,这为开发其在油水分离方面的应用提供了依据。     

冷却管内气液界面流动特性数值模拟研究

采用数值模拟的方法,并应用VOF多相流模型,对管内液膜的速度分布特性、管内动压力分布特性进行了分析,探讨了气液两相速度差与气液两相湍动能大小的关系及不同液膜入口厚度下的液膜流型。结果表明:液膜平均速度在轴向位置先增大,后趋于稳定;液体入口流量对液膜轴向速度分布影响显著;液膜沿管径方向速度梯度较大;管内动压力受液体入口速度的影响明显;气液两相速度差越大,湍动能越大;液膜入口厚度越厚,液膜越稳定。     

用应力模型计算旋风分离器的流场

采用一种适合于强度旋流的代数应力湍流模型对旋风分离器的流场进行了数值模拟，结果揭示了强旋流中湍流各向异性的特点，显示了强旋流所具有的涡结构及旋风分离器气动分离的机理。     

油水旋流分离器数值模拟优化研究

采用计算流体动力学（CFD）软件中的雷诺应力模型（RSM）对油水分离旋流器内部流场进行了数值模拟,研究发现采出液在进口处的相互流动干扰对油水分离效果有重要影响,据此提出了一种新型结构——带有空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋的油水旋流分离器。进一步的优化设计和性能试验表明：空间阿基米德螺旋线进口流道和导流螺旋实现了平滑过渡,从而得到较稳定的流场和较高的分离效率。     

移动式多级分离计量装置方案设计

针对油田传统的计量方式不能满足油田生产测试过程中各井的产量测试,特别是几乎不可能同步测试、记录功图测试阶段的产油气量,难以在较宽的计量范围内实现精确计量要求的现状,设计了移动式多级分离计量装置的方案.介绍了移动式多级分离计量装置的结构、原理、主要技术指标、系统的组成、技术关键和需要在设计中重点考虑的几个问题.着重阐述了设计过程中在以往的技术和经验的基础上开发和采用了高效气-液旋流分离技术、高效多级液-液旋流分离技术、破乳技术、多次沉降分离提高纯油计量精度技术、计量分离器的排液技术和最佳流量计的选择标准等几项关键技术,并对如何破除混合液中的乳化水以增强分离效果,以及在串联旋流器时应重点考虑以底流还是溢流为主的参数控制方式等问题做了研究.     

井下旋流工具结构参数优化

研究旋流工具参数的优化问题,应用UG三维建模软件和Fluent流体软件建立旋流工具、气液两相流和离散相模型.从出口面粒子直径和粒径分布的角度,分析了喉管长度、旋流筒扩散角、喷嘴直径等参数对雾化效果的影响.分析发现,平均粒径会随着喉管长度、旋流筒扩散角、喷嘴直径的增大而呈先减小后增大的变化趋势.最后,根据其变化趋势对旋流工具结构参数加以优化.     

高温高压气体-原油分子扩散系数研究

分子扩散在注气开发过程中有重要作用,是影响气-液混相效果的重要参数.目前通用的相态计算软件在计算过程中均假设油气一接触就立刻达到平衡,由于扩散影响,实际上这种现象是不存在的.采用定容扩散方法及相关模型研究了高浓度CO_2、CH_4、N_2体系与油田地面分离器原油之间的扩散现象,研究表明:气-油体系并不是一接触立刻达到平衡,与组分的扩散速度有关;扩散系数为一变化值,随着压力的降低,扩散系数逐渐增加,直至体系达到平衡;而且在实验过程中发现不同位置液相的性质不同.实验研究为相态研究开辟了一条新的道路,所取得的成果对优化注气方案有一定的参考价值.     

改进型旋风分离器的新应用

根据旋风分离器的工作原理及应用特点,分析了影响旋风分离器的因素及提出改进措施.在此基础上,结合气-液(雾沫、液滴)、液-液(油-水)两个非均相物系分离的特定场合,提出应用旋风分离器强化分离的方案.根据被分离物系的特性,给出了这两种改进型旋风分离器的设备设计参数.最后,将这两种改进型的旋风分离器成功地应用于特定的场合,较好地解决了原来两相分离不清及夹带现象.实践证明,对于密度差异较小的非均相物系的分离,只要认真分析物系特性及对旋风分离器作适当改进,仍能取得令人满意的效果,这大大拓宽了旋风分离器应用的领域.     

叶片倾斜角对油气混输泵性能的影响

以自主研发的YQH-100型三级轴流式油气混输泵为研究对象,基于Mixture模型的两相流理论,改变叶片倾斜角,在含气率(GVF)分别为0、10%、30%、50%和70%情况下,通过计算流体力学的分析方法对油气混输泵内部流动进行数值模拟,研究叶轮内部气相及压力分布情况,并对其外特性曲线进行分析。研究结果显示:在纯水工况下,叶片倾斜对扬程的影响较大,原模型M4的扬程较最差方案M1(叶片倾斜-10°)高8m;方案M3(叶片倾斜-4°)的扬程较原模型低1.4m,效率较原模型高0.14个百分点;在小流量工况下,原模型的效率较高;在不同含气率工况下,方案M3(叶片倾斜-4°)的增压比原模型低14kPa,效率较原模型高0.22个百分点;叶片适当倾斜一定的角度,可有效减小气团在叶片工作面轮毂侧的聚集面积,使混输泵内部气液两相均匀混合,提高混输泵效率;轴流式油气混输泵的最佳叶片倾斜角范围为-4°~0°。本研究可为油气混输泵的设计及水力优化提供参考依据。     

含叶栅和旋流器的组合分离器分离性能测试研究

利用相位多普勒粒子分析仪对包含叶栅分离元件和旋流器的新型组合分离器的分离性能进行测试研究,同时作为对比,在相同工况下对只含旋流器的分离器进行测试。结果表明,在各种工况下,现有只含旋流器的气液分离器的分离效率最高只有94．54％,而该新型组合气液分离器分离效率最高可达97．85％,该分离器分离性能达到设计要求。     

旋风分离器内颗粒轨迹的数值模拟

采用数值模拟的方法研究旋风分离器内的颗粒运动:对单相流场采用湍流各向异性的雷诺应力模型,对气、固两相流场采用相间耦合的随机轨道模型;通过描述颗粒的运动轨迹,揭示了颗粒在旋风分离器中运动的物理机制.结果表明:颗粒的运动轨迹比较复杂,且带有很大的随机性;尤其是小粒径颗粒,受气流湍动影响显著,即使是粒径、入射位置相同,其运动轨迹也各不相同,最终的位置也不同;小粒径颗粒更容易受二次涡流影响,从而降低分离器的效率;另外,还模拟出了上灰环、排气管短路流及排尘口返混等影响分离效率的几种现象,为进一步研究旋风分离器的分离机理理论及实验研究打下基础.     

江汉油区单井井口流量计的研制与应用

江汉采油厂针对单井流量计计量存在的低液、含气、易卡堵等技术难题,开展了油井井口计量装置的研制和现场试验。室内试验发现,喷嘴形状和液位是影响液、气分离效果的关键因素,采用矩形结构喷嘴,并让气、液旋流分离器的液面位于喷嘴下方的120mm处可得到较好的分离效果。研制的单井计量装置适用于低液≥4t、含气达到50油气比、含砂井的井口计量。现场11口井的应用表明,采用定制的防砂卡腰轮流量计进行计量,误差5%,满足了现场井况要求。