一种直流式气液旋流分离器的仿真方法与流程
本发明涉及石油天然气技术领域，尤其涉及一种直流式气液旋流分离器的仿真方法。
背景技术：
我国深海天然气资源极为丰富，深海天然气开采对保障我国能源安全具有重要战略意义，但深海天然气开采难度极大，采收方案不仅异于陆上，与浅海也有很大差别。国际主流开采方法是采用水下多相生产系统，水下气液分离器是其关键设备，直流式气液旋流分离器具有压降较小、结构紧凑和易于并联等优点，因此在水下气液分离中有着广阔的应用前景。
影响旋流器分离性能的因素较多且各因素之间关系复杂，因此在旋流器的设计过程中很难对其性能进行准确预测，在现有的条件下，仅通过成本昂贵且耗时很长的试验研究对旋流器内的流动特性进行优化而获得较高的分离性能是不现实的。因此需要以相关的多相流理论为基础，建立合适的数学模型，通过数值模拟方法分析旋流器内部的复杂流动，更加经济地获得旋流器内部的气液两相流动特性并预测其分离性能。
直流式气液旋流分离器内部的流动包括液滴在壁面上的沉积(形成液膜)、液膜在壁面上的流动和液滴夹带等复杂流动与传质现象，因此旋流器内的气液分离过程为复杂的两相三场流动，其中两相是指气相和液相，三场是指气体、液滴以及液膜，同时三场间存在着复杂的传质过程，由于其分离过程的复杂性，现有技术中还未有对其成功进行计算流体力学建模的相关报道。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种直流式气液旋流分离器的仿真方法，该方法实现了直流式气液旋流分离器分离性能的数值预测，无需进行试验即可方便的得到直流式气液旋流分离器的分离性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种直流式气液旋流分离器的仿真方法，所述方法包括：
步骤1、首先根据流体力学理论，基于欧拉方法得到直流式气液旋流分离器内气相三维强旋湍流流动的气相控制方程；
步骤2、基于拉格朗日方法建立直流式气液旋流分离器内的液滴运动方程；
步骤3、基于薄膜假设获得能够描述直流式气液旋流分离器内液膜流动的壁面液膜模型方程；
步骤4、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1中得到的气相控制方程进行求解，得到气相的流场分布；
步骤5、对所述步骤2建立的液滴运动方程进行显式求解，得到液滴的运动轨迹；当液滴沉积到壁面时，沉积液滴的质量被收集并添加到步骤3所建立的壁面液膜模型方程的源项中；
步骤6、对所述壁面液膜模型方程进行离散求解，得到液膜的厚度和速度分布；当液滴发生夹带时，夹带液滴的质量被添加到步骤2所建立的液滴运动方程中；
步骤7、重复步骤4-6的操作，直到所述直流式气液旋流分离器内的流动达到稳定状态；
步骤8、再对上述求解获得的结果进行后处理，得到气液分离性能参数。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法实现了直流式气液旋流分离器分离性能的数值预测，无需进行试验即可方便的得到直流式气液旋流分离器的分离性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的直流式气液旋流分离器的仿真方法流程示意图；
图2为本发明实施例中仿真方法得到的切向速度与实验数据的比较示意图；
图3为本发明实施例中不同入口流量下仿真方法计算得到的压降与实验数据的比较示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的直流式气液旋流分离器的仿真方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、首先根据流体力学理论，基于欧拉方法得到直流式气液旋流分离器内气相三维强旋湍流流动的气相控制方程；
在该步骤中，获得气相控制方程的过程具体为：
建立连续性方程：
其中，ρ表示气体密度；u表示速度矢量；
以及动量方程：
其中，t表示时间；p表示气体压力；μ表示气体运动黏度；
所述动量方程中的雷诺应力张量r采用lrr雷诺应力模型进行求解，其输运方程表示为：
其中，
与涡黏模型不同，雷诺应力模型中湍流黏度是各向异性的，运动黏度和湍流运动黏度的张量形式可表示为：
μ＝μi(4)
p表示平均速度梯度引起的雷诺应力产生项，其表达式为：
φ表示压力应变项；压力应变项对不同雷诺应力之间的能量进行重新分布，是影响雷诺应力各向异性的重要因素。通常，为了对近壁区进行合理的预测，需要考虑壁面反射的影响。
在lrr雷诺应力模型中，压力应变项φ表示为：
其中，φij,1是慢压力应变项；φij,2是快压力应变项；
步骤2、基于拉格朗日方法建立直流式气液旋流分离器内液滴的运动方程；
在该步骤中，建立液滴的运动方程的过程具体为：
首先根据牛顿第二定律，液滴的运动表达式为：
其中，md表示计算粒子的质量；ud表示计算粒子的速度；f表示外力之和；
由于作用在计算粒子上的力未知，该方程无法直接求解。完整的液滴运动方程通常称为bbo(basset-boussinesq-oseen)方程，包括虚拟质量力、压力梯度力、basset力、magnus力、saffman力和fax′en力的作用。由于气液相之间的密度差比较大，虚拟质量力、压力梯度力、basset力、saffman力和fax′en力通常可以忽略不计，起主要作用的力是曳力和重力。经过上述简化，将该表达式(8)简化为：
其中，fd表示曳力；fg表示重力；
进一步的，曳力的表达式为：
其中，cd表示曳力系数；d表示液滴直径；
曳力系数的表达式为：
重力的表达式为：
将曳力的表达式(10)和重力的表达式(12)代入式(9)，由此液滴的运动表达式进一步为：
为了进一步简化方程，引入动量松弛时间：
并将其代入上述表达式(13)中，得到：
对该表达式(15)进行时间积分，获得液滴的运动方程为：
步骤3、基于薄膜假设获得能够描述直流式气液旋流分离器内液膜流动的壁面液膜模型方程；
该步骤中，建立壁面液膜模型方程的过程具体为：
由于液膜非常薄，垂直于壁面方向的流动可以忽略不计，在输运模型中只需要描述壁面切向的液膜输运，从而极大地简化模型。在垂直壁面方向，质量和动量的扩散输运占主导，壁面切向方向的扩散非常小。换言之，液膜的输运处理为壁面切向方向，扩散过程可以处理为垂直壁面方向。基于上述薄膜假设获得液膜流动的质量和动量方程表示为：
质量守恒方程为：
其中，ρl为液膜密度；δ是液膜高度；
动量守恒方程为：
其中，
pl＝pσ+pδ+pg(19)
pδ＝-ρ(n·g)δ(20)
式中，
sρδu＝τg+τw+ρgtδ+τθ(22)
其中，τg和τw分别表示气体-液膜剪切力和壁面-液膜剪切力；τθ表示接触角力；τw的计算表达式为：
步骤4、采用三维非结构化网格有限容积法对所述步骤1中得到的气相控制方程进行求解，得到气相的流场分布；
在该步骤4中所采用的三维非结构化网格为六面体网格，以保证计算过程的收敛性和稳定性。
步骤5、对所述步骤2建立的液滴运动方程进行显式求解，得到液滴的运动轨迹；当液滴沉积到壁面时，沉积液滴的质量被收集并添加到步骤3所建立的壁面液膜模型方程的源项中；
步骤6、对所述壁面液膜模型方程进行离散求解，得到液膜的厚度和速度分布；当液滴发生夹带时，夹带液滴的质量被添加到步骤2所建立的液滴运动方程中；
步骤7、重复步骤4-6的操作，直到所述直流式气液旋流分离器内的流动达到稳定状态；
步骤8、再对上述求解获得的结果进行后处理，得到气液分离性能参数，包括分离效率和压降等。
具体实现中，上述气相流动采用欧拉方法在网格尺度上求解，液滴运动采用拉格朗日方法在颗粒尺度上求解，液膜流动采用壁面液膜模型进行求解，同时充分考虑液滴的沉积和夹带现象。
下面以具体的实例对上述仿真方法进行详细说明，本实例上述实施例所述8个步骤对直流式气液旋流分离器的气液两相分离过程进行模拟，物性参数和模拟条件如表1所示。
表1仿真所用物性参数和模拟条件
如图2所示为本发明实施例中仿真方法得到的切向速度与实验数据的比较示意图，图2比较了x＝0mm平面中z＝50mm水平线上气体切向速度的仿真结果和实验数据。如图2所示，计算得到的切向速度吻合的较好，验证了本发明所建立仿真方法的准确性。
如图3所示为本发明实施例中不同入口流量下仿真方法计算得到的压降与实验数据的比较示意图，图3对比了不同入口流量下仿真方法计算得到的压降与实验测量得到的压降数据。如图3所示，数值计算结果与实验数据的最大相对偏差为11.4％，平均相对偏差为7.3％，两者之间吻合较好，进一步验证了本发明所建立仿真方法的准确性。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述方法利用数值模拟对直流式气液旋流分离器内的气液两相分离过程进行仿真，可以方便的得到旋流器内部的流场分布规律并得到其分离性能，无需开展试验研究，可大大降低直流式气液旋流分离器的研发成本、缩短研发周期。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
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