旋转叶轮式动态水力旋流器的性能研究

论文摘要

油田采出液含有大量的细砂严重的影响了集输系统,目前除砂使用的设备多为沉降槽,离心机和旋流器。但各自的不足也在使用过程中暴露出来,因此开发一种更为适合的分离设备是十分必要的。本文自行设计了三种结构的旋转叶轮式动态水力旋流器以及旋转叶轮式动态水力旋流器性能的测试系统,对实验样机进行了系统的实验测试和理论分析。实验中,测试并分析了电机转速、分流比和进口流量等参数对三种实验样机压力损失和分离效率的影响。结果表明,电机转速越高,离心强度越大,分离效果越好,但同时溢流压降也在增加;加大分流比也可以有效的提高分离效率,并且对设备压降的影响较小;进口流量的增加,对分离效率的影响较小,但会引起溢流和底流压降的增加。运用正交实验的方法得出了对于影响分离效率和压力损失各因素的主次关系,影响分离效率各因素主次关系是:电机转速,分流比,进口流量;影响压力损失各因素主次关系是:电机转速,进口流量利分流比。旋转叶轮式动态水力旋流器与普通旋流器相比具有,分离效率高,压力损失小,不受流量变化的影响等特点。本文通过对三种实验样机实验结果的对比得出,直筒直板型动态水力旋流器的分离效率最高,其次是直筒涡轮型动态水力旋流器、锥筒直板型动态水力旋流器。对于实验样机压力损失情况对比得出,锥筒直板型动态水力旋流器的压力损失最小,其次为直筒涡轮型动态水力旋流器,直筒直板型动态水力旋流器。本文对三种实验样机模型进行简化,建立了稳态流动的N-S方程和连续方程,得出了三利实验样机内部流场的基本信息。模拟结果表明,实验样机内部具有较高的切向速度可达14～15m/s,产生的离心强度约为普通旋流器的5～10倍。通过实验数据与模拟结果的对比证明所建立的数学模型比较准确,能够正确的反映流场信息。在对三种实验样机性能综合分析的基础上,利用所建立的数学模型,对旋转叶轮式动态水力旋流器提出了进一步的改进方案。本文对旋转叶轮式动态水力旋流器溢流产生压降的机理进行了分析,得出旋转叶轮式动态水力旋流器内部准强制涡的存在是产生溢流压降的主要原因,并可以通过增大溢流管直径或加入阻涡器来削弱或破坏准强制涡,从而减小溢流压降。本文所研究的旋转叶轮式动态水力旋流器具有离心强度大,分离效果好,压力损失小,不易堵塞,适于工业放大等优点,在过程工业中有较好的应用前景和商业价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 固液分离方法
• 1.2 水力旋流器简介
• 1.2.1 水力旋流器的结构及工作原理
• 1.2.2 水力旋流器的特点
• 1.3 离心机
• 1.3.1 螺旋卸料沉降离心机
• 1.3.2 碟式分离机
• 1.3.3 管式分离机
• 1.4 分离机械的工艺参数
• 1.4.1 生产能力
• 1.4.2 分离指标
• 1.4.3 压力损失
• 1.5 本课题的研究意义
• 1.5.1 本课题的研究目的
• 1.5.2 本课题的研究内容
• 2 旋转叶轮式动态水力旋流器的结构特点
• 2.1 选型思想
• 2.2 旋转叶轮式动态水力旋流器的局部结构
• 2.2.1 旋流发生部件
• 2.2.2 静态旋流部件
• 2.2.3 进料口结构
• 2.2.4 溢流管结构
• 2.2.5 集砂腔结构
• 2.2.6 密封结构
• 2.3 旋转叶轮式动态水力旋流器的结构匹配
• 2.4 本章小结
• 3 实验测试系统的设计和建设
• 3.1 实验测试系统
• 3.1.1 料液供给单元
• 3.1.2 测量系统单元
• 3.1.3 实验样机单元
• 3.2 实验流程
• 3.2.1 主要设备及仪器
• 3.2.2 实验准备及规划
• 3.2.3 实验步骤及公式
• 3.3 本章小结
• 4 旋转叶轮式动态水力旋流器的性能实验
• 4.1 压力性能实验
• 4.1.1 电机转速对压降的影响
• 4.1.2 分流比对压降的影响
• 4.1.3 流量对压降的影响
• 4.1.4 影响压降诸因素的主次关系
• 4.2 分离性能实验
• 4.2.1 物性参数对分离性能的影响
• 4.2.2 电机转速对分离效率的影响
• 4.2.3 分流比对分离效率的影响
• 4.2.4 进口流量对分离效率的影响
• 4.2.5 影响分离效率诸因素的主次关系
• 4.2.6 分级效率及分级精度
• 4.3 本章小结
• 5 旋转叶轮式动态水力旋流器的数值模拟
• 5.1 数学模型的选择及数值解法
• 5.1.1 基本方程
• 5.1.2 湍流数值模型
• 5.1.3 可动区域模型
• 5.1.4 流场数值解法
• 5.1.5 离散格式
• 5.2 模型建立及网格划分
• 5.3 边界条件的确定
• 5.4 模拟结果分析
• 5.4.1 各截面的切向和轴向速度
• 5.4.2 实验样机的压力分布
• 5.4.3 实验结果和模拟结果的比较
• 5.5 两相流场的数值模拟
• 5.5.1 固体颗粒离散相模型（DPM）
• 5.5.2 离散相计算条件
• 5.5.3 离散相计算结果
• 5.6 本章小结
• 6 旋转叶轮式动态水力旋流器的改进方案
• 6.1 优化数值实验
• 6.1.1 溢流管直径对压降的影响
• 6.1.2 阻涡器对压降的影响
• 6.1.3 溢流进口形式对压降的影响
• 6.1.4 数值计算与实验结果对比
• 6.2 计算结果分析
• 6.2.1 压力损失机理分析
• 6.2.2 降低压力损失的措施
• 6.2.3 推荐结构
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 旋转叶轮式动态水力旋流器实验数据
• 附录 B 主要符号说明
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢