罗小明， 王佩弦， 陈建磊， 何利民

(1.中国石油大学 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580； 2.中国石化 石油工程设计有限公司， 山东 东营 257026)

排气管内置深度对气-液旋流分离器流动特性的影响

罗小明1， 王佩弦1， 陈建磊2， 何利民1

(1.中国石油大学 储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580； 2.中国石化 石油工程设计有限公司， 山东 东营 257026)

排气管在具有二级旋流分离机制的分离器中至关重要。模拟分析了排气管内置深度对气-液旋流分离器流动不稳定性、旋流场、短路流以及径向流量分布的影响。研究表明，增加排气管内置深度可更好地引导旋流，提高流场稳定性；随内置深度增加，分离空间准自由涡出现衰减，准强制涡强度增大，下行与上行轴向速度均减小，在排气管中形成一定强度的旋流，有助于实现二级分离功能；同时，分离器环形空间预分离能力增强，短路流量增加，单位长度零轴速包络面上的径向流量增加，排气管的二级分离功能有助于削弱短路流带来的负面影响。

旋流分离器；排气管；二级分离；数值模拟；流场分析

旋流分离器以其紧凑、高效、适应性强等优点，在石油化工行业的气-液、气-固分离等领域广泛应用。排气管是旋流分离器的一个重要构件，其结构和尺寸直接影响旋流强度、旋流稳定性以及能耗。宋健斐等[1]指出减小排气管直径有利于提高旋流强度和稳定性。杨建国等[2]对排气管的流场进行测试，指出排气管内气流旋转强度高，并存在“滞流”、“倒流”及逆压梯度等不利于分离的流态。金有海等[3]指出减小排气管直径可以抑制短路流，增大整个分离空间的切向速度，有利于分离。同时，排气管的内置深度也影响分离器的流场及分离特性[4-6]，压降会随内置深度的增加而增大，进入排气管中的短路流量亦会随之改变。上述单级旋流分离机制，使得排气管仅作为分离相流出通道，其结构受到了较大约束。

随着油气工业的发展，研制面向复杂、多变环境，具有更强适应性、高效性、稳定性的分离技术势在必行。金有海等[3]指出在流量增大的情况下，部分小液滴被内旋气流带进排气管，并在排气管内高速旋流再次碰撞、聚并形成液膜[7]，因此可以充分利用排气管的旋转能量进行气-液的二次分离。国外已有此类试验样机的研究[8]，樊大风等[9]、孙兰义等[10-11]研究了类似的利用排气管进行二次旋流分离的新型分离结构，通过在排气管上开孔或环缝，并将排气管中二次分离得到的液体导入分离器底部的储液室。二级分离结构的出现使得对排气管结构与内置深度的研究给予了更大想象空间，并可对排气管结构优化评价标准赋予全新定义，有助于加深对二级分离机制的认识。

笔者采用CFD方法，研究了排气管内置深度对旋流分离器内流动不稳定性、旋流场、短路流以及径向流量分布的影响规律，这对指导设计拥有二级分离机制的旋流分离器具有重要意义。

1 几何和数学模型

1.1 几何模型

图1为矩形直切入口柱状旋流分离器的结构尺寸图。笔者以此结构尺寸为基准，开展不同排气管内置深度对旋流分离器流动特性的影响研究。坐标原点位于分离器顶盖面的中轴线上，向上为正，分离器分区域进行结构化六面体网格离散。

1.2 数值模型与边界条件

应用雷诺应力模型(RSM)模拟分离器中的非稳态不可压缩流动[12]，对流项离散格式采用二阶迎风格式，压力插补格式采用PRESTO格式，压力-速度耦合算法采用对瞬态问题有明显优势的PISO算法[13]。

模拟介质为空气，密度1.22 kg/m3，黏度1.7894×10-5Pa·s，入口边界设为速度入口边界，vin=15 m/s，并给出入口边界的湍动能与耗散率[14]。出口边界按照湍流流动充分发展处理，壁面采用无滑移边界，近壁处用标准壁面函数来计算。

图1 矩形直切入口柱状旋流分离器结构尺寸图Fig.1 Sketch and structure size of the cylindrical cyclone separatora—Rectangular entrance width; b—Rectangular entrance high;D—Cylinder diameter; De—Exhaust pipe diameter;H—Cylinder length; S—Exhaust pipe insertion depth

1.3 模型验证

通过对Stairmand型旋风分离器流场进行模拟，并与文献[15]采用LDA测量的切向、轴向速度场进行比较，如图2所示。由图2可见，依据本文的数值模型与计算方法所得模拟数据与实测数据吻合良好，在模拟过程中也证实了该模型与算法具有较强的网格与几何结构适应性。

2 计算结果与分析

2.1 对旋流不稳定性的影响

矩形直切入口柱状旋流分离器，由于其几何结构的不对称以及固有存在的旋流不稳定性[1]，会使流场呈现非轴对称性。旋流不稳定性越强，流场非轴对称程度越大。图3为不同排气管内置深度(S)下，排气管入口以下每间隔100 mm，旋转中心偏心距沿轴向的分布规律。偏心距(e)定义为分离器横截面静压最低点与几何旋转中心之间的距离。由图3 可见，在S=210 mm时，旋转中心偏心距较大，平均偏心距在10 mm左右，当排气管内置深度达到一定值(S=600 mm)后，偏心距急剧减小，平均偏心距在2.7 mm以下，旋转流动趋向轴对称，并随排气管内置深度的增加变化不大。

图2 切向速度和轴向速度模拟值与试验数据对比Fig.2 Comparison of numerical and experimental data for the tangential velocity and axial velocity (a) Tangential velocity (vt); (b) Axial velocity (vz)

图3 不同排气管内置深度(S)下的旋转中心偏心距(e)分布Fig.3 Rotational center eccentricity (e) distributionunder different exhaust pipe insertion depth (S)

排气管在旋流分离器中充当“导流控制”的角色，当排气管内置深度小于分离器切向入口高度时，通过切向入口进入分离器的流体存在两个方向的扩散通道，一是向上的排气管出口，二是向下的分离空间。两个方向的流体扩散同时进行，无法形成有效的初始旋流，造成流场不稳定。随排气管内置深度增加，排气管逐步取得了对分离器内旋流的导引和控制，同时，排气管口在矩形入口以下，使得进入分离器的流体由双向扩散变为单向扩散。排气管与分离器内壁之间的约束，为旋流场的稳定创造了良好的初始条件。图4为不同排气管内置深度(S)下，分离器纵向截面静压与切向速度分布云图。静压与切向速度在轴心附近的扭曲程度随排气管内置深度的增加而减小，即旋流场的稳定性变得越来越好。

2.2 分离空间流场特性

图5为不同排气管内置深度(S)下，距离排气管入口L为200与400 mm截面所得切向速度分布。

图4 不同排气管内置深度(S)下的截面静压与切向速度分布Fig.4 Static pressure and tangential velocity distributions under different exhaust pipe insertion depths (S) (a) Static pressure; (b) Tangential velocity

随排气管内置深度增大，准自由涡区切向速度逐渐减小，准强制涡区切向速度逐渐增大，切向速度梯度逐渐增大。

通常，将排气管与分离器内壁之间的空间称为环形空间，将排气管入口以下的空间称为分离空间。由于排气管与分离器内壁的约束，旋转流动下行过程中会产生较大的壁面摩擦，排气管内置深度增大，流体与排气管外壁的接触面积增大，摩阻损失增大，造成准自由涡在壁面随排气管内置深度的增大而逐渐衰减。与此同时，随排气管内置深度增大，分离空间减小，由于入口流量不变并且排气管直径不变，为了保证排气管内置深度改变前后进入排气管的流量不变，势必要在缩短分离空间的情况下，增大流体的径向流量，即在分离空间单位长度零轴速包络面上具有较大的径向流量。旋流分离器的旋转能量是从轴向与径向两个方向进行传递的[16]，零轴速包络面单位长度径向流量随排气管内置深度的增大而增大，则准自由涡向准强制涡的转化程度加大，准强制涡强度变大。

图5 不同排气管内置深度(S)下不同位置横截面的切向速度分布Fig.5 Tangential velocity distributions under different exhaust pipe insertion depths (S)L/mm: (a) 200; (b) 400

图6为不同排气管内置深度(S)下，距离排气管入口L为200与400 mm对应横截面的轴向速度分布。随排气管内置深度增加，分离空间参与流体径向流动的零轴速包络面长度变小，在流量保持不变的情况下，零轴速包络面单位长度上的径向流量变大。与之相应，在距离排气管入口等距离的横截面上，下行的轴向速度就会随排气管内置深度的增加而逐渐减小，上行轴向速度则由于该截面以上零轴速面已经分走了较大的径向流量，而使得从该截面以下零轴速面汇入的径向流量减小，进而上行轴向速度也逐渐减小。

2.3 排气管内流场特性

图7是不同排气管内置深度(S)下，选取截面z=-400 mm时，排气管内的切向、轴向速度变化情况。由图7可见，排气管中形成一定强度的旋流，甚至要大于同截面环形空间区域中的旋流强度，这为排气管中的气-液二次分离提供了可行性。排气管入口以上的环形空间，由于流体接触壁面面积增大，摩阻损失增大，切向速度不断减小；在排气管内部，排气管内置深度增大，流体从排气管入口到研究截面切向速度的衰减变大，切向速度值也不断减小。实际上，整个旋流分离器的分离功能实施，是在分离器筒体与排气管之间的环形空间、排气管下方的分离空间以及排气管内部空间3个功能区进行的，3个功能区的协同作用决定了最终的分离效率。并且，排气管长度的变化会直接影响3个功能区的大小及各自发挥效能的权重。排气管内置深度的增加，除了造成排气管内部旋转强度衰减之外，还造成了环形空间区域的增大、分离空间区域的缩小以及径向短路流量的增加(在下文进行分析)。因此，分析不同分离功能区对应不同粒径液滴的分离程度，并确定合理的排气管内置深度实现二次分离功能，是下一步关于二次旋流分离器设计研究的一个重要方面。

图6 不同排气管内置深度(S)下不同位置横截面的轴向速度分布Fig.6 Axial velocity distributions under different exhaust pipe insertion depths (S)L/mm: (a) 200; (b) 400

图7 不同排气管内置深度(S)下纵向坐标为-400 mm截面的切、轴向速度分布Fig.7 Tangential and axial velocity distributions under different exhaust pipe insertion depths (S)z=-400 mm(a) Tangential velocity; (b) Axial velocity

2.4 对短路流量及径向流量分析

由于旋流分离器径向速度值通常要比轴向与切向速度值小1～2个数量级，采用实验手段很难准确测量。同时，由于几何中心与旋转中心不重合，二者稍有偏移就会造成数值模拟结果的巨大误差。至今为止，还没有研究人员对旋流分离器径向速度分布给出一个权威结论。径向速度的分布影响了旋流场的流场结构、能量分布和分离性能，尤其在排气管入口附近，由径向速度产生的短路流，会严重影响分离器的分离性能。分离器每一断面处的下行流量可以通过下行流中的轴向速度对过流面积的积分求得[3]：

(1)

式中，Q为下行流量，m3/s；vz为轴向速度，m/s；r为径向距离，m；r1和r2为下行流区域的内、外半径，m。

在排气管入口下方L=100 mm处取一横截面，计算该截面的下行流量，入口流量减去该下行流量，用来表征分离器的短路流量。计算上述排气管内置深度分离器的短路流量，结果如表1所示。随排气管内置深度增大，短路流量越来越大。常规分离器排气管内置深度较短，入口流体未进行充分分离，就已经随短路流流出，短路流量增大，通常意义上是不利于分离的，但由于排气管长度的增加使得流体在进入短路流之前，在环形空间已经进行了比较充分的分离，进入短路流的流体是相对净化的气体，同时排气管的二次分离也会消除短路流的影响。

表1 不同排气管内置深度下的短路流量Table 1 Short-circuit flux under different exhaust pipe insertion depths

总的来讲，排气管内置深度的增加，一方面增大了环形空间，增强了气-液的预分离效果，另一方面短路流量的增加又会削弱分离性能，但排气管的二级分离则会弥补短路流增大的不足。因此，需要在试验过程中对排气管的内置深度进行优化。

图8是不同排气管内置深度(S)下，排气管入口以下每100 mm段计算得到的径向流量。由图8可见，在S=210 mm时，旋流场不稳定，轴向速度呈现明显的非轴对称性，反观其他内置深度时的径向流量分布，则呈现比较统一的规律性，径向流量沿轴向逐渐减小，在整个分离器零轴速包络面上并不呈常量分布。并且径向流量在排气管入口以及分离器底部较大，这就要求在二级旋流分离器设计过程中，不但要削弱改善短路流，而且要在分离器的底端进行止旋，将分离空间与储液空间进行有效阻隔，以防止已经分离的液相再次卷吸进入内旋流。

图8 不同排气管内置深度(S)下的径向流量沿轴向分布Fig.8 Radial flux distribution along axial direction under different exhaust pipe insertion depths (S)

图9为不同排气管内置深度(S)下，排气管入口以下每隔100 mm计算得到的累积径向流量。随排气管内置深度增加，距离排气管入口同等距离区域的累积径向流量增大，在入口流量不变的条件下，区域累积径向流量越大，则下行轴向流量越小；同样，在入口流量不变的条件下，累积径向流量越大，从区域下方截面累积进入上行流的径向流量就越小，上行轴向速度也就越小，这与轴向速度大小的分析结论相一致。

图9 不同排气管内置深度(S)下的累积径向流量沿轴向分布Fig.9 Accumulated radial flux distribution along axial direction under different exhaust pipe insertion depths (S)

3 结 论

(1)排气管内置深度的研究对指导二级旋流分离器的设计十分必要。排气管内置深度的增加，会增强分离器对内旋流的导流与控制力，使旋转流动趋于稳定，可减小流场结构的非轴对称程度。

(2)随排气管内置深度的增加，分离空间切向速度的准自由涡出现衰减；下行和上行轴向速度都减小，准自由涡向准强制涡的转化程度加大，准强制涡强度增大；排气管中形成一定强度的旋流，有助于实现二级分离功能。

(3)随排气管内置深度的增加，环形空间预分离能力增强，短路流量增加，单位长度零轴速包络面上的径向流量增加，排气管的二级分离功能有助于削弱短路流带来的负面影响。

符号说明：

a——矩形入口宽，mm;

b——矩形入口高，mm;

D——分离筒体直径，mm;

De——排气管直径，mm;

e——旋转中心偏心距，mm；

H——分离器筒体长度，mm;

L——距离排气管入口以下的距离，mm;

Q——分离器下行流量，m3/s;

Qar——累积径向流量，m3/s;

Qr——径向流量，m3/s;

Qs c——短路流量，m3/s;

r——距离轴心的径向距离，m;

r1，r2——下行流区域的内、外半径，m;

S——排气管内置深度，mm;

vt——切向速度，m/s;

vz——轴向速度，m/s;

vin——入口速度，m/s;

z——轴向坐标，mm;

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Effect of Exhaust Pipe Insertion Depth on the Flow Behaviors ofGas-Liquid Cyclone Separators

LUO Xiaoming1， WANG Peixian1， CHEN Jianlei2， HE Limin1

(1.CollegeofPipeline&CivilEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.PetroleumEngineeringCorporation,SINOPEC,Dongying257026,China)

The exhaust pipe is essential to the study of the separator which has two-stage cyclone separation mechanism. The Reynolds Stress Model was used to simulate the effect of exhaust pipe insertion depth on rotational flow instability, swirling flow field, short-circuit flow and radial flow of the gas-liquid cyclone separator. The results show that the increase of exhaust pipe insertion depth helps to strengthen guidance and control for inner rotational flow, and can enhance rotational flow instability. With the increase of exhaust pipe insertion depth, quasi-free vortex in the separated space is damped, the intensity of quasi-forced vortex is enhanced, and both the downward and upward axial velocities are decreased. Certain intensive rotational flow still appears in the exhaust pipe, which helps to achieve two-stage separation mechanism. Meanwhile, the pre-separation capability of separator annular space improves, short-circuit flow aggravates, and rotational flux in per unit length of zero axial velocity surface increases. The two-stage separation mechanism of the exhaust pipe can help to weaken the negative effects caused by the short-circuit flow.

cyclone; exhaust pipe; two-stage separation; numerical simulation; flow field analysis

2016-08-08

国家科技重大专项子课题项目(2016ZX05028-004-003)、中央高校基本科研业务费专项资金(15CX05006A)资助

罗小明，男，副教授，博士，从事多相流与多相分离技术研究；Tel：0532-86981223-315；E-mail：lxm@upc.edu.cn

1001-8719(2017)04-0701-07

TQ051.8

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2017.04.014