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井下微型气液旋流分离器优化设计与性能分析

化工学报 2023年第8期74卷 3394-3406页

作者：邢雷苗春雨蒋明虎赵立新李新亚东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 大庆油田博士后科研工作站黑龙江大庆163318 黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室黑龙江大庆163318

针对采油井筒内产出液含气对油田同井注采开发模式的不利影响,基于旋流分离原理提出一种井下微型气液旋流分离器结构。借助Plackett-Burman设计、最陡爬坡设计与响应曲面设计结合计算流体动力学方法,对井下微型气液旋流分离器结构参数... 详细信息

针对采油井筒内产出液含气对油田同井注采开发模式的不利影响,基于旋流分离原理提出一种井下微型气液旋流分离器结构。借助Plackett-Burman设计、最陡爬坡设计与响应曲面设计结合计算流体动力学方法,对井下微型气液旋流分离器结构参数进行显著分析及优化设计,构建了显著性结构参数与分离效率间的二次多项式数学关系。系统分析了入口进液量、分流比及气相体积分数对气液分离性能的影响规律。构建室内微型气液旋流分离性能测试系统,对数值模拟结果的准确性及优化结果的高效性进行了验证性试验。试验结果表明优化后的微型气液旋流分离器结构可使液相效率由优化前的84.10%提高到87.22%。获得了微型气液旋流分离器最佳溢流分流比为6%,最佳入口流量为13.77 L/h,最适用的气相体积分数为5.5%,最佳工况下气液平均分离效率为99.66%。为了指导分离器在不同含气量条件下的最佳运行参数调控,构建了气相体积分数及溢流分流比与分离效率间的数学关系模型,获得了不同气相体积分数条件下的最佳分流比。

关键词：计算流体力学气液两相流数值模拟气液分离旋流分离器结构优化分离效率

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硅氧烷油气旋流分离器流场特性及性能优化

化工设备与管道 2022年第4期59卷 64-69页

作者：李洪涛张彦辉宋庆松纪运广马辉河北科技大学机械工程学院河北石家庄050018 河北爱节能源科技有限公司河北石家庄050000

为提高油气旋流分离器对硅氧烷油滴的回收效率及减少能量损失问题,通过CFD数值模拟和响应曲面法研究了排气管直径、排气管深度和入口速度对分离效率和压力损失的影响,结果表明:入口速度和排气管直径对分离效率和压降影响较大,且入口速... 详细信息

为提高油气旋流分离器对硅氧烷油滴的回收效率及减少能量损失问题,通过CFD数值模拟和响应曲面法研究了排气管直径、排气管深度和入口速度对分离效率和压力损失的影响,结果表明:入口速度和排气管直径对分离效率和压降影响较大,且入口速度和排气管直径的交互作用比较明显,当压力越大时,硅氧烷油滴的分离效率不一定越高,入口速度越大,旋流场内油滴的破碎现象越显著,部分粒径较小的油滴会随内旋流进入排气管而逃逸,导致分离效率降低。当入口油滴粒径在0.5~10μm范围内变化时,优化后的分离效率提高了2.32%,压降降低了0.293 kPa。研究结果可为油气旋流分离器的实际应用提供参考。

关键词：旋流分离器硅氧烷油滴数值模拟相应曲面破碎

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旋流分离器内三维两相流场的实验研究

北京理工大学学报 2004年第9期24卷 833-836页

作者：彭炯李广贺王宏黄俊张旭清华大学环境科学与工程系北京100084

为了研究内置格栅旋流分离器的分离机理,采用粒子动态分析仪测定了旋流分离器内部的三维两相流场.实验表明,主体流动为三维螺旋的向下运动,中央存在一个和底流口贯通的螺旋形空气柱;固体颗粒浓度在格栅内壁附近出现的最大值在格栅内部,... 详细信息

为了研究内置格栅旋流分离器的分离机理,采用粒子动态分析仪测定了旋流分离器内部的三维两相流场.实验表明,主体流动为三维螺旋的向下运动,中央存在一个和底流口贯通的螺旋形空气柱;固体颗粒浓度在格栅内壁附近出现的最大值在格栅内部,随着格栅半径的减小,固体颗粒的浓度减小,在靠近空气柱附近出现最小值;底流中固体颗粒的粒径明显大于进水和出水中固体颗粒粒径.

关键词：旋流分离器暴雨径流富营养化粒子动态分析仪

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气液旋流分离器流场特性及分离性能研究

气液旋流分离器流场特性及分离性能研究

作者：张磊东北石油大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：气液两相流流场特性气泡聚并气泡破碎旋流分离器

井下旋流分离器分离性能影响因素分析及结构改进

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井下旋流分离器分离性能影响因素分析及结构改进

作者：聂琦长江大学

学位级别：硕士

随着双碳目标的日益临近,天然气水合物这种储量大、分布广泛、污染小、热值高的清洁能源逐渐得到重视。目前世界上有多种天然气水合物开采方法,在我国南海神狐海域泥质粉砂岩的地质环境中最适合的是固态流化法开采。在开采过程中存在出... 详细信息

随着双碳目标的日益临近,天然气水合物这种储量大、分布广泛、污染小、热值高的清洁能源逐渐得到重视。目前世界上有多种天然气水合物开采方法,在我国南海神狐海域泥质粉砂岩的地质环境中最适合的是固态流化法开采。在开采过程中存在出砂严重的问题。井下天然气水合物旋流分离器可有效解决这一问题。井下天然气水合物旋流分离器具有设计简单、无内部运动部件以及适合井底狭窄空间等特点,故障率低。其工作原理是通过螺旋叶片产生旋流,引导海水、天然气水合物和泥沙三者的混合物绕井下天然气水合物旋流分离器的中心柱进行旋转,利用液固、固固互不相溶的离心分离原理,在离心力的作用下将密度值较大的泥沙颗粒甩向井下天然气水合物旋流分离器内管的内壁面,从而使其顺着底部的泥沙出口排出,以达到将泥沙与天然气水合物分离并将泥沙原位回填的目的。传统的井下天然气水合物旋流分离器分离效率较低,因此“高效低阻”成为井下天然气水合物旋流分离器最重要的研究方向。本人针对井下天然气水合物旋流分离器螺旋叶片进行分析,通过单因素分析确定影响其分离效率和压力降的主要因素,并通过响应面优化设计的方法对变螺距螺旋叶片的不同螺距之间的结构尺寸进行优化,以提高井下天然气水合物旋流分离器对混合物中泥沙的分离效率,同时保证尽量降低其能量损失也就是压力降,本文的主要研究内容和得出结论如下:(1)基于海上钻井平台现场实际工况,建立井下天然气水合物旋流分离器的液固两相流的数值计算模型,通过网格无关性选取了合适数量的网格和网格结构,使用雷诺应力模型(RSM)和离散相模型(DPM)对其流场进行模拟计算,并结合实验结果对比,验证数值模拟的准确性。(2)对传统的定螺距井下旋流分离器进行数值模拟,对各个结构参数利用单因素法进行分析,结果发现螺旋叶片的个数和其螺距对井下旋流分离器分离效率和压力降影响较大,其他结构参数对分离效率和压力降影响较小。(3)对两段变螺距旋流分离器进行RSM-CCD实验设计,优化后的两段螺距分别为200mm、135mm,分离效率为80.15%,压降值为91.10KPa,相比于优化前的结构在降低压力降的同时提高了分离效率,相比于传统的定螺距井下旋流分离器在未大幅提高压降值的同时显著提高了分离效率。(4)对三段变螺距旋流分离器进行RSM-BBD实验设计,优化后的三段螺距分别为187.97mm、150mm、77.174mm,分离效率为85.55%,压降值为167.0KPa,相比于优化前的结构在保持压降值不变的情况下提高了分离效率,相比于两段变螺距旋流分离器虽然压降值有所升高但分离效率显著提升。

关键词：天然气水合物旋流分离器响应面优化螺旋叶片计算流体力学

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旋流分离器在乙二醇脱盐过程中的模拟研究

当代化工 2022年第3期51卷 651-654,756页

作者：张秀林中海石油(中国)有限公司海南分公司海南海口570125

应用计算流体力学(CFD)模拟研究了旋流分离器内液固(乙二醇-NaCl)两相分离过程。应用RSS雷诺应力湍流模型、DPM离散相颗粒模型,建立液固两相分离模型,研究了旋流器结构、固相颗粒粒径、操作条件对颗粒分离效率、压降的影响。结果表明:... 详细信息

应用计算流体力学(CFD)模拟研究了旋流分离器内液固(乙二醇-NaCl)两相分离过程。应用RSS雷诺应力湍流模型、DPM离散相颗粒模型,建立液固两相分离模型,研究了旋流器结构、固相颗粒粒径、操作条件对颗粒分离效率、压降的影响。结果表明:采用优化的旋流分离器,粒径大于35μm的NaCl颗粒分离效率可以达到99.6%以上。

关键词：旋流分离器计算流体力学乙二醇脱盐两相分离分离效率

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旋流分离器流场模拟研究方法优化选择

过程工程学报 2013年第5期13卷 721-727页

作者：陈建磊何利民罗小明魏彦海中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院山东青岛266580 中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司北京100085

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-ε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... 详细信息

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-ε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.

关键词：旋流分离器数值模拟湍流模型流场

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液压油箱用固液旋流分离器分离效率影响规律

机械工程学报 2021年第24期57卷 102-113页

作者：张晋尹文龙程昱杰杨起帆李莹祝毅燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室秦皇岛066004 先进制造成形技术及装备国家地方联合工程研究中心秦皇岛066004 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室杭州310027

颗粒物污染是影响移动装备液压元件及系统性能的主要原因之一,液压油箱考虑去除杂质功能会增加其设计容积,不利于液压系统轻量化设计。应用离心分离的原理,使不同密度的介质在高速旋转的流场中进行分级筛选,可快速去除液压油中大颗粒污... 详细信息

颗粒物污染是影响移动装备液压元件及系统性能的主要原因之一,液压油箱考虑去除杂质功能会增加其设计容积,不利于液压系统轻量化设计。应用离心分离的原理,使不同密度的介质在高速旋转的流场中进行分级筛选,可快速去除液压油中大颗粒污染物,提高液压系统可靠性,提升过滤器使用寿命。由于旋流分离器中流场的流动形式复杂,预测旋流分离器内部的流场特性、颗粒运动轨迹十分困难。因此,研究旋流分离器流场流动规律和污染物旋流分离机理,可以为液压系统污染物分离和去除提供理论基础。针对固液旋流分离器的流场分布规律和污染物分离效率的影响规律展开研究。根据旋流分离理论设计了固液旋流分离器结构,分析旋流分离器不同直径和长度下,固液旋流分离器轴向速度、切向速度的分布规律,通过粒子图像测速法对仿真结果进行试验验证,得到结构参数对分离效率的影响规律。结果表明,当中心的轴向速度为负值、壁面附近的轴向速度为正值时,切向速度越大,越有利于分离液压油中的颗粒。该研究结果可对液压油箱用固液旋流分离器的结构设计提供理论指导。

关键词：旋流分离器速度分布污染物颗粒有限元分析

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柱状旋流分离器零轴速面分布特性模拟分析

化工学报 2013年第9期64卷 3241-3249页

作者：陈建磊何利民罗小明王鑫王立满杨东海中国石油大学储运与建筑工程学院山东青岛266580

采用雷诺应力模型对柱状旋流分离器气相流场中的零轴速包络面分布进行了数值模拟分析,考察了旋流不稳定性、流速以及结构参数变化对其分布的影响。指出由于分离器旋转流动不稳定性的固有存在,零轴速边界在整个分离空间会呈非轴对称的扭... 详细信息

采用雷诺应力模型对柱状旋流分离器气相流场中的零轴速包络面分布进行了数值模拟分析,考察了旋流不稳定性、流速以及结构参数变化对其分布的影响。指出由于分离器旋转流动不稳定性的固有存在,零轴速边界在整个分离空间会呈非轴对称的扭曲状态;在研究速度范围内,流场处于自模化区,分离器运动相似,入口速度变化对零轴速边界的分布影响不大;升气管直径与入口面积对升气管入口区域的零轴速边界分布影响较大,随升气管直径的减小和入口面积的增大,零轴速边界逐渐收缩。远离升气管入口区域,升气管直径与入口面积的影响减弱,零轴速边界宽度逐渐增大,并趋于一致;使流场趋于稳定的升气管直径与入口面积,截面零轴速边界会保持较好的圆度。

关键词：旋流分离器轴向速度零轴速包络面数值模拟