气液旋流分离器流场特性及分离性能研究

作     者：张磊 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨蕊;郑国兴

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：气液两相流 流场特性 气泡聚并 气泡破碎 旋流分离器 

摘      要：气液旋流分离器因处理量大、无动力部件等特点广泛应用于化工、石油天然气、航空航天、环境保护、热力系统等领域中。分离效率是评价气液旋流分离器性能最重要的指标,因此探究气液两相流在旋流分离器内的流动特性及气核运移规律对于提高气液旋流分离器的分离效率,保证其高效性、可利用性和经济性,具有重要的意义。介绍了气液旋流分离器的基本结构和工作原理,基于流体动力学理论,运用计算流体动力学方法,探究了旋流分离器内部的流场特性,并分析了影响柱锥式气液旋流分离器分离性能的因素。采用欧拉多相流模型和雷诺应力模型,研究气液旋流分离器在不同入口速度和含气率对气相体积分数分布、压力场和速度场的影响规律。随着入口速度从5.7m/s-提高至7.7m/s,轴向位置上的压力梯度、外旋流场强度、溢流管及附近位置气相体积分数也随之提高;含气率从30%-60%升高的过程中,径向和轴向位置上的压力梯度减弱、气相在底流口的逃逸率增大。掌握入口速度及含气率对分离效率的影响,为柱锥式旋流分离器在不同工况下的应用提供一定理论指导。采用群体平衡模型对进入旋流器的气相按照粒径及含量进行划分,掌握了不同工况下气相在旋流场内的粒径分布的变化规律。随着入口速度的升高,提升了溢流管内部及附近位置的粒径尺寸;含气率的升高迫使气核主体的粒径大小降低,气核的聚集性变差,并显著增加了底锥附近的气泡粒径。流场中气泡的粒径分布为探究入口速度及含气率对分离效率的影响提供了一定的依据。运用高速摄像技术建立室内性能测试试验系统,对不同入口速度和含气率工况条件进行分离性能测试试验,研究发现气泡易受湍流场流场强度的影响,气泡聚并到达一定体型后,受剪切力破碎的影响程度减小,其主体形态不易改变。入口速度的升高使得气泡整体流型分布向溢流口方向发展,剪切力的增大导致气泡粒径在底锥附近减小;含气率的升高增大了气核的截面半径和整体的弯曲程度,改变了气核的相对位置。依据粒径及气液两相流流型对气液旋流分离器锥段进行划分,分析总结气核运移规律,建立气核位置与分离效率之间的判定模型,提供了一种不同工况下的情况下实时监测分离效率的方法。