基于CFD叶片式水力旋流器结构参数优选

代佳鑫 王妍玮 高娜

摘要：在特定的油水性质下，水力旋流器分离效率的影响因素有操作参数和结构参数。操作参数的优化可以达到高分离效率，但受结构限制，故结构改进对油水分离效率具有一定空间。本文采用 CFD 软件对叶片式旋流器结构进行优化设计，模拟得到在该结构条件下最佳的旋流腔长度、锥角度、溢流口伸入长度、溢流口直径。

关键词：CFD;水力旋流器;模拟;结构参数

1.前言

目前我国陆上油田普遍采用注水开发，大油田基本已进入高含水期，后期处理成本不断提高，而石油石化工业含油废水是一种典型的有机废水对环境危害严重，故其处理效果直接影响环境。水力旋流器是一种新型的油水分离装置，无化学反应、无运动部件、结构紧凑。越来越多的学者开始研究旋流器，其中叶片式旋流器是一种新型的离心分离装置，分离器结构，介质从左侧方向轴向入口进入，途经导流叶片产生高速旋转流，介质在腔内高速旋转，重质相聚集在内壁由底流口排出，轻质相聚集在轴心处由溢流口排出，可实现不互溶多相介质的分离处理。本文通过CFD数值模拟，对叶片式水力旋流器进行优化结构参数。

2.模型分析及结果分析

模拟初始模型结构尺寸：稳流段长度50mm，旋流器入口直径为50mm，导流段长度100mm，锥段半锥角为θ=3°，旋流段长度50mm，尾管段长度20mm，溢流管直径10mm，尾管段直径20mm，溢流段长度为20mm。导流叶片高度h=100mm，叶片数量n=4，准线包角φ=90°，外准线半径为25mm，叶片的内准线半为5mm，直线段包角α=30°。

根据对初始模型的模拟分析，其分析结果如下，因为液-液水力旋流器是利用不互溶介质间的密度差而进行离心分离，离心力与速度的二次方成正比，不考虑剪切应力的条件下在一定范围内速度越大越利于油水的分离。可以看出速度呈对称分布，说明流场稳定，呈对称分布的轴向速度，溢流出口中心处速度达到最大值;径向速度分布呈现对称性;切向速度分布呈对称性，在溢流管处，切向速度从轴线位置开始逐渐增大到最大值然后降低。

混合相通过轴向入口进入旋流器内部后，经过导流叶片的造旋作用，油滴受离心作用向流场中心处聚集，从而由底部溢流口排出;溢流口压力降呈现对称分布的趋势，两边低中间最高。但是整体看，针对初始模型的模拟分析，初始模型对油水混合相有一定的分离效果，为提高分离效果，对其具体的结构参数进行模拟以确定最佳的结构参数，从而提高该结构类型的分离效率。

3.结构参数对分离性能的影响

3.1旋流腔长度的影响

旋流腔长度lx即导流叶片结束处到锥段开始之间的部分，为分析旋流腔长度对分离效率的影响，对旋流腔长度进行了模拟，改变旋流腔长度数据为20、50、100和150、200、单位mm进行模拟。

前两组旋流腔长度数据并没有明显的区别，随着旋流腔长度的增加轴向截面最高油相体积分数逐渐降低，说明加大旋流腔的长度不利于分离。

随着旋流腔长度的增大，溢流口处油相体积分数先增加后减小，并在旋流腔长度50mm时溢流口处油相体积分数达到最高，随着旋流腔长度的增大，溢流口压力降逐渐减小，水力旋流器内部形成由准自由涡和准强制涡构成的组合涡结构，实现旋流分离，压力损耗是必须的，即水力旋流器是利用压力的消耗来获得分离所需能量。但这容易产生一个理解上的误区，认为水力旋流器的压力降越大，分离效果越好。而事实上，水力旋流器消耗的全部压力降并非都是必要损失。从分离效率角度看，因为各尺寸旋流器压力降相差不大，当不考虑压力降的影响时，由溢流口油相体积分数分布曲线可以看出，当旋流腔长度为50mm时，其溢流口液相体积分数最高，综合考虑溢流口油相体积分数分布曲线情况，取旋流腔长度为50mm为最佳的旋流腔长度。

3.2半锥角的影响

半锥角不同，水力旋流器的结构则不同，而对于每一种水力旋流器都有一个最佳的处理量，在该流量下水力旋流器的分离效率达到最高。相反，分别改变锥段角度为2°、2.5°、3°、3.5°和4°进行模拟。

半锥角影响最佳范围处理量，改变半锥角进行模拟，确定在一定范围内的处理量条件下的最佳半锥角。随着锥段角度的增加，轴向截面最高油相体积分数变化很小。

随着锥段角度的增加，最大油相体积分数几乎保持不变;随着锥段角度的增加，溢流口压力降先增大后降低，在锥段角度为3°和3.5°时，压力降数值上相近，有小幅度的降低。θ=2.5°的径向压力降最大，小锥角θ=3°和θ=3.5°时，径向压力降相差不大，但都小于θ=1.5°时的径向压力降。随着小锥角θ的增加，径向压力降在轴心附近逐渐增大，在边壁附近逐渐降低。径向压力降的增加可以加大油滴的径向受力，这就增加了小粒径的油滴向内旋流区运移的几率，从而提高分离效率。

综合考虑几种情况的溢流口油相浓度分布和分离效率情况，取锥段角度为3°为最佳的锥段角度。

3.3溢流结构伸入长度的影响

对溢流结构伸入长度进行模拟分析，研究其对分离效果的影响，以确定较好的结构尺寸。分别改变溢流口伸入长度为0mm、20mm、40mm、60mm和80mm，其他参数不变，进行模拟。

随着溢流口伸入长度的增加，轴向截面最高油相体积分数变化不大。随着溢流口伸入长度的增加，最大油相体积分数几乎保持不变;随着溢流口伸入长度的增加，溢流口压力降逐渐增大。从分离效率角度看，器壁附近压力降低，轴心附近形成低压区，溢流口伸入长度为0mm时比其他伸入长度的径向压力梯度要大。径向压力作为旋流器的重要物理参数，在一定范围内，径向压力梯度越大越利于油水分离。当溢流口伸入长度为0mm时，其径向的压力梯度最大，最有利于油水，故选取最佳的溢流口伸入长度为0mm。

3.4溢流口直径的影响

溢流口结构形式是旋流分离器的重要部分，分离过程中循环流和短路流都与溢流口结构形式有很大关系，故分析溢流口的结构形式进行优选。分别改变溢流口直径为8mm、10mm、12mm和14mm、16mm，对溢流口直径进行模拟，研究其对分离性能的影响。随着溢流口直径的增加，轴向截面最高油相体积分数有小幅度的降低，说明增加了溢流口直径，不利于油核的形成，不利于油相体积分数的提高。

在一定范围内，随着溢流口直径的增加，轴向截面最高油相体积分数有小幅度的降低，说明加大了溢流口直径之后，不利于油核的形成，不利于油相体积分数的提高。从溢流口压力降曲线综合考虑分离性能，溢流口直径为10mm为较佳的溢流口直径。

4.结论

研究基于計算流体力学软件CFD模拟叶片式水力旋流器的结构，通过轴向进液，同向出流的单级旋流器结构研究，实现同井注采工艺。对旋流器的结构参数优选，确定旋流器旋流腔长度lx=50mm、半锥角θ=3°、溢流口直径dy=10mm、溢流段伸入长度ly=0mm、叶片包角φ=150°。在实践应用中可以利用已有的数据通过流体机械相似理论进行油田样机设计，为其提供理论数据支撑。

参考文献：

[1]赵立新，代佳鑫，等.叶片式水力旋流器操作参数优选[J].流体机械，2013，41（10）：7-9.

[2]代佳鑫.井下导流式旋流器研究[D].东北石油大学，2014.

项目基金：国家科技部创新方法专项子课题（名称：创新人才培养-黑龙江技术创新方法的推广与应用，编号：2017IM010500-1）;哈尔滨石油学院科学研究基金项目资助课题“基于计算流体力学的城镇污水处理研究”（HIPJJ201923）