溢流增压动态水力旋流器数值和实验研究

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针对油田采出液含砂愈来愈严重以及低压下除砂难的问题,本文提出了一种低压下进料并且可提升溢流相出口压力的新型动态水力旋流器。该旋流器结合了静态水力旋流器和离心泵的优点,可使料液在较低的压力下进入动态水力旋流器内并完成相间的高效分离,同时能够对溢流相流体进行增压,为后续工艺操作节省了动力供给。本文采用数值计算和实验相结合的技术路线。利用Pro/E三维绘图软件建立了该动态水力旋流器的几何模型,并运用CFD数值仿真软件FLUENT,选用RNG κ-ε湍流模型对其内部的单相连续相流场进行了数值仿真计算,考察了转速和进口流量对速度场的影响以及增设溢流旋转叶轮和增大叶轮直径对溢流出口流体压力的影响。在连续相流场的基础上添加DPM拉格朗日随机轨道离散模型对液-固分离进行两相流的数值计算,以考察动态水力旋流器的分离性能。加工实验样机,并搭建了整套实验系统,分别进行了清水实验和水砂分离实验,着重考察了转速、进口流量、分流比对压力性能和分离性能的影响规律。通过CFD数值仿真计算和实验研究,结果表明:本文提出的动态水力旋流器几何结构合理,拆装方便,运行稳定,能够有效实现低压下的除砂;动态水力旋流器的静态旋流腔部分流场分布规律与静态水力旋流器极为相似,并且转速和进口流量的改变不会影响静态旋流腔内部流场的分布规律,只在数值大小上有所变化;溢流结构中的旋转叶轮可以实现对溢流出口流体的增压作用,减小了后续工艺流程单元操作的动力供给,并且可以通过增加叶轮外直径和提高转速获得更高的溢流相出口压力,而设备所消耗的功率却增加很少,最大不超过20%;分割粒径d50=18μm,分离极限d98=65μm,完全能够实现液-固两相之间的分离;插入的中心固棒使其内部的能量损失得到降低,流场得到稳定,利于分离效率的提高;并且此动态旋流器能够在较宽的进口流量波动和操作分流比范围内始终保持较高的修正分离效率,最高可达97.3%,而且通过提高其运行速度可以在达到更好分离效果的同时实现对溢流出口流体的进一步增压。
摘要第1-5页
Abstract第5-10页
1 绪论第10-32页
   ·旋流器的发展历史第11-14页
   ·旋流器结构和工作原理第14-17页
     ·基本结构第14页
     ·工作原理第14-15页
     ·基本概念第15-17页
   ·旋流器分离模型的发展第17-22页
     ·平衡轨道模型理论第18-19页
     ·时间停留模型理论第19页
     ·群集模型理论第19-20页
     ·湍流两相流模型理论第20页
     ·溢流分离模型第20-21页
     ·内旋流分离模型第21页
     ·锥段分离模型第21-22页
     ·分离过程随机模型第22页
   ·旋流器内流场的研究进展第22-24页
   ·旋流器结构的研究进展第24-26页
   ·评定旋流器性能的指标第26-30页
     ·生产能力第26-27页
     ·压力降第27-28页
     ·分离效率第28-30页
     ·分流比第30页
   ·本课题的研究目的及研究内容第30-32页
2 动态水力旋流器的结构特点第32-41页
   ·旋流发生部件第33-34页
   ·静态旋流腔结构第34-35页
   ·进料结构第35页
   ·溢流结构第35-37页
   ·底流结构第37页
   ·机械密封结构第37-40页
   ·本章小节第40-41页
3 动态水力旋流器内部流场的数值仿真计算第41-61页
   ·几何模型的建立与网格划分第41-44页
     ·几何模型的简化与假设第41-43页
     ·网格划分第43-44页
   ·数学模型的选择第44-46页
     ·湍流运动的基本方程第44-45页
     ·湍流模型的选择第45-46页
   ·可动区域模型(MRF)第46-47页
   ·流场边界条件的设置第47页
   ·数值计算结果分析第47-59页
     ·旋流发生叶轮的流场分析第48-49页
     ·静态旋流腔流场分析第49-54页
     ·不同操作参数对速度场分布的影响第54-57页
     ·溢流叶轮直径对出口压力的影响第57-59页
   ·两相流数值模拟第59-60页
   ·本章小节第60-61页
4 动态水力旋流器性能的实验研究第61-76页
   ·实验装置系统及流程第61-65页
   ·实验方案及步骤第65-67页
     ·实验方案第65页
     ·实验步骤第65-67页
   ·压力性能实验研究第67-70页
     ·有无中心固棒对压力性能的影响第67-68页
     ·运行转速对压力性能的影响第68-69页
     ·进口流量对压力性能的影响第69页
     ·分流比对压力性能的影响第69-70页
   ·分离性能实验研究第70-74页
     ·运行转速对修正分离效率的影响第71-72页
     ·进口流量对修正分离效率的影响第72-73页
     ·分流比对修正分离效率的影响第73-74页
   ·本章小节第74-76页
结论第76-77页
参考文献第77-82页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第82-83页
致谢第83-84页
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