前置式超声速旋流分离器设计与凝结特性分析

针对天然气在长距离管道输送过程中,所含水蒸汽杂质会凝结成液态水的问题,通过运用动力学原理与液滴成核生长理论,开发设计了一种全新的前置式超声速旋流脱水装置。利用CFD中的用户自定义接口建立了含湿天然气的凝结流动模型,数值分析了装置内部的马赫数、过冷度、液滴成核率、液滴半径和湿度等关键凝结参数的变化规律。结果表明:所建立的三维含湿天然气的凝结流动模型可以真实描述超声速旋流分离器中的流动变化规律,为以后装置的工业应用和下一步提高分离效率提供了理论参考。     

油水旋流分离器内部流场的CFD模拟

采用计算流体力学数值模拟方法研究油水旋流分离器的内部流场,模拟出分离器内轴向速度变化规律,得到钻井液气液旋流器内部流场的特征。分析油水旋流分离器内部油相体积浓度分布,得到了油水旋流分离器内部流场的分布规律和油水两相流的分离特性,为油水旋流分离器的工艺设计提供了参考依据。     

锥芯式超音速旋流分离器流动及分离特性研究

通过数值模拟和实验测试的方法,对锥芯式超音速旋流分离器内流体在小压力比情况下的流动特性和分离性能进行研究。模拟结果表明:在一定压力比条件下,随着面积比的增大,喷管渐扩段中气动激波强度越强并越靠近喉部;当压力比在1.25~1.75范围内,面积比为1.06时,喷管渐扩段不存在气动激波,相应的分离性能最高。实验结果也表明:当面积比为1.06、压力比为1.75时,分离效率达到40.82%。数值计算结果与实验结果相吻合。     

旋流分离器流场模拟研究方法优化选择

对旋流分离器流场计算流体力学研究中的湍流模型、网格划分方案、控制方程离散格式及计算步骤等内容的选择进行了分析. 通过与流场测量数据进行对比,指出雷诺应力模型比RNG k-e模型更能表征分离器切向速度场的组合涡特征;非结构六面体网格划分方案的预测结果更精确;二阶迎风格式的模拟精度并不一定比QUICK格式的模拟精度差,在分离器结构设计及网格划分较复杂的情况下,推荐使用二阶迎风格式;在PISO算法的非稳态计算条件下,收敛残差量级可达10-6以上. 优选的流场模拟研究方法可用于分离器流场分析及指导分离器工程设计.     

轴流式气液旋流分离器内气相流场的数值研究

应用RSM湍流模型对内径100mm的轴流导叶式气液旋流分离器内气相流场进行了数值研究,计算得到的气流时均速度分布和压力分布与实验测量结果基本吻合。根据分离器内气相流动分布的特点可知:(1)气流旋转强度与导向叶片出口角有关,出口角越大,切向速度越小;(2)排气管下口区域存在明显的短路流分布,容易卷吸夹带液滴进入排气管逃出,造成分离效率下降;(3)排气口和排液口附近的区域气流湍流脉动强度高,容易造成液滴破碎,直径减小,从而影响分离效率。以上研究结果为轴流导叶式气液旋流分离器的结构优化,进一步提高分离性能奠定了基础。     

油-水动态旋流分离器流场模拟与能耗分析

拟采用Fluent数值模拟的方法研究油-水动态旋流分离器流场特性与能耗的关系,通过研究得到了旋流器内湍流场特性的分布规律以及旋流器运行过程中能耗产生部位和原因。计算结果表明,在旋转栅翅片和导流锥后方区域雷诺数、湍流强度和湍动能都出现极值点,油-水动态旋流分离器运行过程中的能量耗损也主要集中在旋转栅翅片和导流锥后方区域。     

并联旋风分离器的旋流稳定性分析

分别选用2台和4台直径300 mm的相同PV型旋风分离器作为分离元件,共用进气管、集气室和排尘室,以中心对称方式组成两种并联分离器,并通过数值模拟比较单分离器与两种并联方案中各分离元件气相流动的特点. 气体介质为常温常压空气,入口气速15~30 m/s. 结果表明,2台或4台并联时各分离元件流量偏差分别不超过0.35%和0.28%,压降最大偏差为0.79%和0.43%,流量分配均匀,灰斗内窜流返混不明显,且4台并联时效果更好. 4台并联时分离元件排尘段的稳定性指数比2台并联或单分离器降低过半,旋流稳定性显著增强. 对称排列的分离元件在公共灰斗中会形成具有自稳定性的对称涡系,对分离元件内旋进涡核的摆动有约束作用,旋流稳定性增强.     

气液分离器的结构设计与流场分析

设计了一种新结构气液旋流分离装置,并介绍了该装置的结构特点、尺寸参数和工作原理。基于计算流体动力学软件Fluent,采用雷诺应力模型,模拟仿真了新型气液旋流分离器的内部流场分布。同时分析了不同分流比变化对分离器内气相浓度分布、压力和速度的影响规律。气-液分离器分离效率达到80%,说明新型气-液旋流分离器的除气处理效果优越。     

含油污水旋流分离器性能研究

对油水分离用水力旋流分离器的分离性能和压力降进行了实验研究,分别考察了进料流量,进料含油量,油滴聚结器对分离效率的影响.同时,考察了进料流量,溢流比,溢流管直径对旋流分离器的压力降的影响.     

MVR系统中管柱式气液旋流分离器性能研究

机械式蒸汽再压缩技术中,蒸发器产生的蒸汽进入压缩机前需要进行气液分离,考虑到结构紧凑性与分离稳定性,本文提出采用管柱式气液旋流分离器进行此操作,对其进行了结构参数设计和Fluent数值计算。经过研究：发现溢流管和底流管尺寸对分离器性能影响较大,改变二者数值大小,当溢流管直径为50mm、底流管直径为40mm时,溢流管和底流管的气、液相体积分数可分别达到1,且满足文献中对于出口流速的要求;证明了分离器流场内外旋流与内旋流的运动规律,两者旋向相同,运动方向相反;相比较单入口,采用双入口的管柱式气液旋流分离器,内部流场参数分布高度对称,分离过程更加稳定;适当增加旋流器直径,可降低流体通过压降,缩短纯液相区与纯气相区间过渡区域,改善分离器性能。     

导流锥式超声速旋流分离装置流动特性

采用二维轴对称模型,以理想空气为介质对超声速旋流分离装置内的流场特性进行了数值模拟。同时搭建实验平台,对小压比条件下影响流场特性和分离性能的结构和操作参数进行了研究。研究结果表明:进出口压比为1.4同时排液通道外壁张角小于12°时,超声速喷管扩张段内在面积比达1.27的情形下仍不存在气动激波,同时对扩张段内存在激波产生的情况进行分析,得出其原因为在排液口内产生反向压缩波,并向喷管上游移动。通过实验研究得出,压比为1.4,面积比为1.27时超声速旋流分离器分离效率最高,达到20.5%。     

Numerical investigation and improvement strategy of flow characteristics inside supersonic separator

In order to study the flow behavior and optimize separation performance, a three-dimensional numerical model of an improved supersonic separator was developed. The proposed model takes into account the compressible and strong swirling effect. Four widely-used turbulence models include Sparlart–Allmaras model, realizable k–ε model, shear-stress transport (SST) k–ω model, and Reynolds stress model (RSM) were validated and compared by the experimental date reported in the literature. The comparison results indicated that RSMs have great potential to predict the flow inside supersonic separator. Based on the established numerical model, the distribution of critical parameters such as temperature, pressure, and Mach number was obtained. The influence of the pressure loss ratio on the shockwave location occurred at the divergence section of the Laval nozzle was systematically studied. Analysis about the relationship between the pressure effect and shock wave location was carried out to explore the principal factors that limit the performance of the supersonic separator.     

旋转型分离器流场中粒子运动的数值解析

作为固液分离器的基础研究,应用龙格-库塔法对进入旋转态液体中的固体粒子由运动开始到被分离完成的全过程进行了数值计算。动力学模型中除考虑了重力、浮力、流体粘性力外,还考虑了假想质量力、Basst力、Sffm an扬力以及压力梯度力等多种力的作用。在实验装置中与数值计算参数相同的条件下进行了可视化实验研究。计算结果发现,在运动开始阶段,粒子的粒径越小,加速度越大,很快进入运动平衡状态,相反粒子粒径越大,加速度越小。运动的第2阶段,直径大的粒子仍在加速运动,因此不同直径的粒子运动之间存在一个运动加速度、速度及位移逆转现象。数值解析结果与可视化实验结果进行了比较,证明了数学模型与计算结果的正确性。     

新型旋风分级器流场特性及颗粒分级性能

针对传统旋风分级器分级效率较低的难题,本文设计了一种中部进风、顶部重力进料式新型旋风分级器,利用数值模拟和试验手段对其流场特征及分级性能进行了研究。模拟结果表明,新型旋风分级器内存在若干旋涡,主气流进入分级器后形成由上、下两个旋涡构成的主分级流场,上部旋涡均为上行气流,下部旋涡为切流返转形式;二次气流形成的细颗粒淘洗旋涡具有近壁面处高转速、中心区快速上升的特点,最大轴向速度达16.5m/s,可强化对边壁处浓集颗粒的剪切分散和淘洗作用,对主分级流场切向速度影响较小,但可使其轴向速度值最大增加100%,这将缩短细颗粒的停留时间;主分级流场与淘洗流场相互作用形成分区流动,具有较明显的动态边界,为粗、细颗粒的定向分离提供了力场基础。试验表明,二次气量占比约20%,主、二次气流气速分别为14m/s和20m/s时,牛顿分级效率可达88%,分级精度指数K值最小为1.84,此时新型旋风分级器具有较高的分级精度。     

纯化天然气水合物螺旋分离器流场与性能分析

基于海洋天然气水合物固态流化开采方法的井下原位除砂提纯回填工艺,本文结合试采所得水合物浆体特征,设计用于解决设备磨损、储层坍塌等问题的井下除砂螺旋分离器,利用CFD数值模拟方法研究了入口速度和水合物体饱和度对井下除砂螺旋分离器流场和性能的影响,得到了随着入口速度增加,流场中流体的速度急剧增大,特别是切向速度、分离效率增加。当分离效率为70%以上,分离器内压降急剧增大,表明分离器内部的能量损耗不断增加;随着入口水合物体积分数的增加,螺旋分离器内流场变化微小,水合物分离效率降低,砂分离效率增加;分离效率为80%以上,压降逐渐降低。说明该分离器的最佳操作区为入口速度范围为3～5m/s,水合物入口体积分数15%以下。研究结果表明：本螺旋分离器具有极佳的除砂效果;切向速度是决定分离器分离性能的关键速度,处理量的增大有利于水合物的提纯;海底水合物储层中水合物饱和度变化对螺旋分离器分离效率具有一定的影响,但螺旋分离器对其具有一定的适应能力;揭示了水合物井下螺旋分离器除砂的分离机理,为其设计提供了一定的依据,为海洋水合物储层开采防砂提了一种新的技术及装备。     

多进口旋流器流场特征及分离性能

为了改善单进口旋流器稳定性差、分级效率低等问题,本文提出了多进口旋流器结构。通过数值模拟方法,在恒定入料工况下,对比分析了单、二、三、四进口旋流器的流场特征和分离性能。研究结果表明：增加旋流器进口数量,会对旋流器流场和分离性能产生积极影响,有利于旋流流场径向压力的增大,且进口数量为偶数时,流场径向静压力增强效果更好;旋流器柱段区域流场切向速度增大,有利于强化旋流器分离能力。同时使用Mixture耦合RSM模型预测了离散相CaCO₃颗粒的分离效率,结果表明多进口旋流器可以在低速度入口条件下完成离散相的高精度分离。入料速度为3m/s的工况条件下,多进口旋流器分离50μm、57.5μm颗粒的底流分配率较单进口旋流器分别提升了10.60%、5.59%,对抑制旋流器溢流产品错配率和提高分级精度有积极的影响。因此,增加旋流器进口数量,可以有效提升旋流分级效率和分离精度。     

环流循环除尘系统分离柱内旋风流场的基本分析

环流循环除尘系统是旋风分离技术上的一个重要突破,它成功地解决了用旋风分离器高效捕集亚微米粉尘(≤2μ)的问题,同时还具有压降低、操作弹性大等优点。而分离柱作为环流循环除尘系统的主要组成部分,对分离效果起着重要的作用。因此,对分离柱内部流场进行系统的研究十分必要。文章从柱坐标下理想流体的N-S方程和连续性方程出发,对环流循环除尘系统分离柱内旋风流场进行了系统的理论分析,推导出分离柱内理想流体的径向速度、切向速度和轴向速度的基本表达式,并将计算值和试验值进行了比较。研究结果表明,所采用的数学模型和计算公式是可行的。     

旋风分离器分离性能的数值模拟与分析

以XLPB-5.0和XCX-5.0两种旋风分离器为原型,采用CFD软件对这两种旋风分离器进行了流场与分离效率的数值模拟,初步探讨了入口蜗壳形式与芯管结构对分离效率的影响。模拟结果显示:旋风分离器内流场呈各向异性分布特点,切向速度是影响分离效率的首要因素,径向速度的存在会造成"流场短路"现象,使轴向速度呈不对称分布,导致分离效率的降低。轴向速度与径向速度的共同作用促使颗粒在旋风分离器内做螺旋运动;XLPB-5.0和XCX-5.0的分离效率分别为92.55%和94.96%,与实验结果基本吻合,且不同芯管参数下XCX型的分离效率比XLPB型高;螺旋式入口蜗壳(XCX-5.0型)对旋风分离器上部流场的影响相比直流式入口蜗壳(XLPB-5.0型)复杂;对于两种旋风分离器,随着芯管直径的增大,分离效率逐渐变小;随着芯管深度的增大,分离效率先增大后减小。     

差异旋风分离器并联性能测量及流场分析

通过改变旋向和芯管直径,设计了3种差异旋风分离器,并按中心对称方式组成了3种并联方案：相同分离器、旋向差异分离器和芯管差异分离器并联。在冷态实验装置上,测量了单分离器和并联分离器的性能,并利用FLUENT软件分析了并联分离器的流场。结果表明,并联分离器的效率均高于单分离器,且效率-气速曲线未出现“驼峰”;与相同分离器并联相比,旋向交替变化时并联总压降较小,分离效率也更低,但各分离器流量分配均匀,未发现“窜流”现象;当芯管有差异时,并联总压降增大,各分离器进口流量分配不均匀,且进、出口流量平均相差6.0%,公共灰斗中存在“窜流”,旋流稳定性变差,效率降低。为了保证并联分离器的性能,应采用相同分离器对称并联的方式。