摘要: 研究一种多管束管柱式气液旋流分离器的设计，并对性能进行研究 根据流体力学方法，采用雷诺应力输运模型( ) 和大涡仿真相结合的方式进行数值仿真，得到不同进口速度工况下分离效率的变化情况和湍流流动情况 结果显示: 流体总流量一定时，分离效率与各个管进口的流量分配有关，处理量与竖直管的数目有关 分离效率在仿真中给定的速度工况条件下可调范围在 ，证明三根管气液旋流分离器的处理能力是一根管的 倍，大大增强了分离效率
关键词: 旋流分离器; 湍流模型; 分离效率; 数值仿真
引言
气液分离器可安装在气体压缩机的出入口用于气液分离，分馏塔顶冷凝冷却器后气相除雾，各种气体水洗塔，吸收塔及解析塔的气相除雾等 传统气液分离器主要有容积式气液分离器单管管柱式气液旋流分离器［］容积式气液分离器占地面积大，成本高，分离效率低且分离效率不可调节，单管旋流分离器虽然分离效率较高但分离范围小分离效率不可调节［］气体含量较大的气液分离情况主要采用多管束管柱式气液旋流分离器，其特点是处理量大，相对单管分离器有较大的容积，分离效率可调节，不属于压力容器 如开采天然气中气液分离器将天然气中的液相分离出去以得到纯净的天然气 对多管旋流分离器的研究具有重要的意义
由于气液旋流分离器内部两相流动是复杂的三维强旋转湍流流动，液相运动非常复杂，随机性高，很难用解析的方法了解其内部的流动情况 因此，对旋流分离器的研究主要依靠 软件进行数值仿真 中国石油大学的吴小林［］采用数值仿真的方法对天然气化旋流分离器进行了系统的研究 布鲁塞尔大学博士后研究员凯里［］用数值仿真的方法对单管旋流分离器进行优化设计 国内外许多学者用数值仿真的方法对单管旋流分离器进行了研究［］，但因为多管旋流分离器结构复杂，难以测量 有关多管旋流分离器的研究非常少，对其内部流动压降等情况了解的比较有限
旋流分离器内部流体的流动情况是研究多管束气液旋流分离器的关键 因此，本文采用数值仿真的方法对多管束旋流分离器内部流体流动压降情况以及处理能力进行研究并用实验加以验证 为多管束管柱式旋流分离器内部流体流动情况的认识奠定基础，对于今后进一步的探索 改进工作具有重要的意义
模型的建立
物理模型图 图 分别是多管束管柱式旋流分离器的物理组成和结构图 图 中的物理模型由三根并联的竖直管管 管和 管 组 成，在竖直管的上下两端各有一根横向的单管( 管 管) 将三根并联竖直管串联起来 出口 出口 分别是气相和液相出口 进口 进口 进口 是三个可调节流体流速的入口，分别斜切在三根竖直管的中部 三根竖直管的直径是 ，两根竖直管之间的距离是 ，竖直管的长度是 上下两个横管的直径是 ，下面横管的长度是 通过阀门控制三个入口的流速以调节旋流分离器的分离范围 实验中，分别给定每个进口不同的速度分配工况得到不同的分离效率并和仿真结果进行比较，验证仿真方法是否可靠图 旋流分离器的物理组成图 旋流分离器的结构图
数学模型
在旋流分离器数值仿真中要用到连续性方程和雷诺恩维尔斯托克斯方程( ) :( ) ( )( )在方程( ) 中， 代表雷诺应力，表征湍流流动的起伏 和表示气体的速度和压力下标， ，和，表示笛卡尔坐标系下的一部分在旋流分离器中，气液两相具有很强的旋流流动性，雷诺应力模型( ) 摒弃了湍流各相同性的假设，适合用于计算旋流分离器中的回转流和旋流［］，雷诺应力输运方程为:( ) ( )( )方程( ) 中的 和 分别代表以下方程:［ ( ) ］ ( )［ ］ ( )( ) ( )( )选取气相为基本相，气相和液相的比例为: 由 于液相所占的比 例 较 小，可以忽略气相和液相之间的相互作用液相的运动轨迹用运动方程表示出来 这 里 仅 仅 考虑基本相之间 的 相 互 作 用在仿真中假设每个液滴都是球形的，液滴之间的相互作用忽略不计并且液滴不影响液体的流动［］( ) ( )上式中的 阻力系数通过以下方程计算:，( )，，( )［］采用 软件对三维模型不同进口速度条件下流体流动情况进行 数 值 仿 真 模型采用六面体网格，分 块 导 入 网格，优化网格质量，入口处用边界网格加以优化，以使计算结果尽可能不受网格质量的影响，离散方式为有限体积法，差分格式采用二阶迎风格式，采用 算法耦合动量方程和连续性方程，压力补差补格式采用［］边界条件: 速度入口的边界条件根据实验情况设置在入口 入口 入口 速度出口边界条件设置在出口 出口，均为自由出口 流体气相和液相的比例在入口处设定，并假定气相和液相的流速相同 在数值仿真中给定不同的入口速度条件，用以对比不同速度条件下旋流分离器内的压降流体流动的湍流相和分离效率的变化，且给定的速度条件和实验中的相同 液相进入管 认为液相被分离出来，并据式( ) 计算旋流分离器的分离效率分离效率出口 质量流量三个入口的质量流量( )结果和分析仿真方法的有效性验证首先采用上面的物理模型进行实验，参考旋流分离器中流体的流动情况和相关研究［ ］，入口速度分别设定为; 三个入口的速度相同( 实验条件下气相和液相近似相同) 出口 测得的流体的质量流量与三个进气口总气体的质量流量作比较得到分离器近似的分离效率 将实验得到的分离效率与 软件的数值仿真数据进行比较 图 和表 是实验条件和仿真条件下旋流分离器的分离 效 率，图中红色代表仿真条件的分离效率曲线，黑色代表实验条件下的分离效率曲线图 分离效率的对比表 试验和仿真条件下的分离效率速度( )实验条件下的分离效率( )仿真条件下的分离效率( )表 为试验数据与仿真数据的显著性分析 利用数理统计原理和 软件，选择配对样本 检验对实验和仿真条件下的分离效率进行数据分析 从表 可知，置信区间为， ，实验数据与仿真数据之间不存在显著性差异，因此该物理模型的数值仿真有效，在实验条件下可行表 对差分显著性分析( 差分的 置信区)名称 均值标准偏差标准误差下限 上限( 双侧)对 实验数据分离效率的研究从图 拟合曲线上可以看出速度在 时分离效率最低，和动压力的大小有关［］，即入口速度很小的情况下，动压力小，进入旋风分离器的切向速度就小，形成的旋流流动速度低，而旋流流动的速度直接影响到旋风分离器的分离性能 当入口速度为 时分离效率最高，说明此种旋风分离器的最佳分离效率在 附近 此后随着入口速度的增大，分离效率逐渐降低，总体趋势先增后降 速度为大于 时，分离效率逐渐降低 这主要和旋风分离器竖直管管径的大小有关，入口速度过大，流体在竖直管中的沉降时间短，来不及分离就分别进入上下两根横向管中 该旋风分离器的分离效率为 ，比单管旋风分离器的分离效率低 原因在于并联的每根竖直管的分离效率是不一样的，整个旋风分离器的分离效率是每个单管的分离效率的乘积多管束旋流分离器分离效率的可调节性给定旋风分离器六种不同的速度工况( 见表) 由于速度小于 或大于 分离效率过低，因此每个入口的速度范围控制在 内图拟合曲线所示，在这六种不同的工况下，旋风分离器在工况 时分离效率最低，为; 在工况 时最高，为 所以旋风分离器在总的进气量不变的情况下，给定不同的进口工况，分离效率可在范围内调节，以适应不同的需求图 六种速度工况下的分离效率表 六种速度工况速度分布( )管管管根据上述物理模型，将进口 和进口 的阀门关闭，调节进口 的速度得到单管分离器的分离效率情况气液旋流分离的调节表 为单管旋流分离器的流量分配情况根据表 的速度分配情况仿真单根管的的分离效率变化情况，如表 结果显示旋风分离器中一根管的速度大于时，分离效率过低 所以要保证分离效率，给 定 的 进口速度一般小于 竖直管是并联排列的，各个单管之间的工作情况基本没有相互影响表 单管束旋流分离器的速度分配速度分布( )管管管表 单管束旋流分离器的分离效率速度分布( )分离效率( )从上述可对比得出: 在保证分离效率的前提下，增加竖直管的数量可以增大旋风分离器的处理量，与单根管的情况比较，三根管的处理能力是单根管的近两倍湍流流动在多管旋流分离器的分配情况从图 可以看到湍流动能在旋风分离器竖直管中的分配情况 湍流流动主要由雷诺应力产生，最后分散在流体中成为流体内部的能量［］这个过程引起压降 局部湍流动能越大所引起的局部湍流压降越大 从图中可以看出，在所有的截面上，总有一个区域，湍流动能极高或极低 总体上看，湍流动能在竖直管中和在排气管中较大，主要由局部涡流引起 所以，在竖直管和在排气管中压降最大 进口速度在 时，管中湍流动能和进口速度成正比，小于大于 时和进口速度成反比 湍流动能在多管束管柱式旋风分离器各个并联管之间没有影响图 湍流动能的分配
结论
本文采用雷诺应力输运模型( ) 和拉格朗日方程仿真多管束管柱式气液旋流分离器在不同工况下的工作原理和分离器内部流体的流动情况分析和讨论旋风分离器的分离效率分离范围湍流动能结果证明雷诺应力输运模型能够仿真多管束管柱式旋流分离器的流动 此种方法适用于多管束管柱式旋流分离器的设计和研究 在总的进气量一定的情况下，不同的气量分配情况，得到不同的分离效率 通过调节开关阀门，在给定的入口工况条件下调节气量的分配可以使分离效率在 之间变化 竖直管数量的增加可以增大旋风分离器的处理能力，三根管和单根管的情况相比，处理量增大近两倍 在此种旋流分离器中，各个单管的湍流动能情况互不影响，湍流动能和速度的大小有关
参考文献:［］元爱红，郭军青管柱式旋流气液分离器的应用研究［］计量技术， ，( ) :［］曹学文，林宗虎 新型管柱式旋流分离器的设计与应用［］油气田地面工程， ，( ) :［］吴小林，熊至宜，姬忠礼天然气净化用多管旋风分离器的分离性能［］过程工程学报 ］王江云，毛羽，刘美丽，王娟用改进的 模型模拟旋风分离器内的强旋流动［］石油学报， ，( ) : 周 云 龙，等工 程 流 体 力 学［］北 京: 中国电力出版社， ］李成兵新型柱式气液旋流分离器数值计算［］石油矿场机械，
