鉆井液離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值分析

鉆井液離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值分析
　　
　　徐倩1孟繁如2劉洪斌1張明洪1
　　
　　(1·西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2·石油大慶石化公司)
　　
　　摘要：目前,對(duì)離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算一般都是從離心機(jī)流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)方程出發(fā),著重關(guān)注流場(chǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的流動(dòng)狀況,情況復(fù)雜時(shí),直接通過(guò)穩(wěn)態(tài)方程求解不能準(zhǔn)確反映離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)狀況。嘗試運(yùn)用Fluent軟件對(duì)鉆井液離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析計(jì)算,應(yīng)用RNGκ-ε模型預(yù)測(cè)離心機(jī)的流場(chǎng),建立了離心機(jī)流道的湍流模型和多相流模型。離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的分析主要包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、各相體積分?jǐn)?shù)分布及流道內(nèi)處理液的軌跡,模擬分析結(jié)果與實(shí)際情況相符。所得結(jié)果將有助于離心機(jī)的流場(chǎng)研究。
　　
　　關(guān)鍵詞：離心機(jī)固控系統(tǒng)離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值分析
　　
　　0引言
　　
　　鉆井液中固相的含量及顆粒大小對(duì)鉆井液的性能有很大的影響。通常在鉆井過(guò)程中通過(guò)固控設(shè)備來(lái)控制鉆井液中固相的含量,即固相控制。現(xiàn)代鉆機(jī)的成套固相控制設(shè)備一般由鉆井液振動(dòng)篩、除氣器、除砂器和離心機(jī)等組成,用于逐清除不同粒度的固相顆粒[1]。其中,鉆井液離心機(jī)是固控設(shè)備中結(jié)構(gòu)Z復(fù)雜、井隊(duì)Z難掌握的設(shè)備。
　　
　　目前,國(guó)產(chǎn)鉆井液離心機(jī)都屬于臥式螺旋卸料沉降離心機(jī),其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場(chǎng)理論主要有:活塞式流動(dòng)狀態(tài)、層流流動(dòng)狀態(tài)、表面層流動(dòng)狀態(tài)和流線流動(dòng)狀態(tài)[2]。然而,這些理論都未能真實(shí)反映離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)。已有文獻(xiàn)關(guān)于離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的計(jì)算一般都是從離心機(jī)流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)方程出發(fā),著重關(guān)注流場(chǎng)在穩(wěn)定狀態(tài)下的流動(dòng)狀況。情況復(fù)雜時(shí),直接通過(guò)穩(wěn)態(tài)方程求解不能準(zhǔn)確反映離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)狀況[3]。筆者將嘗試運(yùn)用Fluent軟件對(duì)鉆井液離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算。
　　
　　1離心力場(chǎng)中鉆井液流動(dòng)速度分析[4]
　　
　　1·1基于Σ理論的鉆井液流速
　　
　　按照Σ理論,鉆井液流動(dòng)時(shí)沿軸線方向的速度Vz*與該處液體斷面的面積成反比,即：
　　
　　R---溢流斷面的外徑,m;
　　
　　rO---溢流斷面的內(nèi)徑,m;
　　
　　r---卸料螺旋在溢流斷面的半徑,m;
　　
　　Δω---鉆井液離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓和卸料螺旋的轉(zhuǎn)速差,s-1;
　　
　　vpz---卸料螺旋葉片運(yùn)動(dòng)引起鉆井液在軸線方向的分速度,m/s;
　　
　　β---卸料螺旋升角,(°);
　　
　　S---螺距,m。
　　
　　1·2紊流狀態(tài)下離心力場(chǎng)中鉆井液流動(dòng)速度
　　
　　實(shí)際上,鉆井液在沿卸料螺旋的流動(dòng)過(guò)程中,由于具有較大的流動(dòng)速度,流體處在紊流狀態(tài)下流動(dòng)。根據(jù)粘性流體力學(xué)理論,在紊流狀態(tài)下采用統(tǒng)計(jì)平均方法,用時(shí)均速度來(lái)代替流體在某點(diǎn)的流動(dòng)速度。
　　
　　流體在沿槽流動(dòng)時(shí),該斷面上某處流體的流動(dòng)速度v與平均速度具有以下關(guān)系：
　　
　　2三維模型的建立
　　
　　2·1湍流模型
　　
　　在的雙方程模型中,κ-ε雙方程模型的應(yīng)用Z為普遍。但是由于它采用了同向性湍流輸運(yùn)的假設(shè),故不適應(yīng)具有非同向性湍流輸運(yùn)的強(qiáng)旋流。在離心分離器內(nèi)流場(chǎng)中,因切速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向和軸向分量,因而采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)、代數(shù)應(yīng)力模型(ASM)或RNG模型來(lái)代替κ-ε模型。RNG模型對(duì)強(qiáng)旋流流場(chǎng)及高曲率流線的離心分離器有著很好的改進(jìn)效果[5]。筆者應(yīng)用RNG
κ-ε模型預(yù)測(cè)離心機(jī)的流場(chǎng)。
　　
　　2·2多相流模型
　　
　　離心機(jī)主要是分離在連續(xù)液相中分散的固體顆粒,可選用混合模型或歐拉模型。以下為混合模型和歐拉模型的求解策略。
　　
　　啟動(dòng)混合模型求解,采用0·2或更小的滑流速度欠松弛因子開(kāi)始計(jì)算。如果解顯示出好的收斂趨勢(shì),可逐漸增加欠松弛因子。初始計(jì)算可以不求解題解分?jǐn)?shù)和滑流速度方程,當(dāng)計(jì)算收斂后,再求解這些方程。
　　
　　啟動(dòng)歐拉模型求解,為了提高收斂性,在求解多相流模型前可以先獲得初始解再繼續(xù)計(jì)算。初始解可通過(guò)混合模型得到。在下面的計(jì)算中采用歐拉模型求解。
　　
　　2·3計(jì)算前處理
　　
　　計(jì)算前處理主要包括臥式螺旋離心機(jī)三維流道模型的建立及網(wǎng)格劃分。采用Pro/E建模,Fluent的前處理器Gambit來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的劃分。
　　
　　2·4三維模型的建立
　　
　　以LW450-1000型離心機(jī)處理非加重鉆井液為例,對(duì)離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析。離心機(jī)和鉆井液的參數(shù)如下:轉(zhuǎn)鼓半錐角α=8°;轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速n=1600r/min;轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑R1=225mm;轉(zhuǎn)鼓內(nèi)筒外半徑R2=152mm;柱筒段沉降區(qū)長(zhǎng)度L1=582mm;螺距S=108mm;螺旋升角β=7·59°;處理量為0~60m3/h;水基非加重鉆井液固相密度ρ2=2030kg/m3,液相密度ρ1=1000kg/m3;粘度0·0217Pa·s;固相顆粒平均直徑2mm;懸浮液體積分?jǐn)?shù)10%。
　　
　　臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的處理液是在螺旋流道中流動(dòng)的,考慮到轉(zhuǎn)鼓與輸送器之間轉(zhuǎn)差很小,一般只有0·2%~3·0%,對(duì)流道中流體流動(dòng)影響甚小,可忽略不計(jì),并且筆者只分析離心機(jī)的流場(chǎng),所以只考慮離心機(jī)的沉降段。據(jù)此建立的離心機(jī)三維流道模型如圖2所示。
　　
　　2·5網(wǎng)格劃分
　　
　　采用C結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(混合網(wǎng)格),劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。
　　
　　2·6邊界條件
　　
　　進(jìn)口邊界取處理液的入口速度,取處理量為40m3/h,模型入口截面積為0·00654m2,故進(jìn)口速度為1·7m/s。同時(shí),確定第2相的體積分?jǐn)?shù)為10%。處理液出口設(shè)為壓力出口,表壓為0。流道的固體壁面定義為旋轉(zhuǎn)壁面,旋轉(zhuǎn)角速度為167·55rad/s。對(duì)于紊流需要說(shuō)明性質(zhì),假設(shè)流場(chǎng)為全湍流場(chǎng),速度入口的流動(dòng)充分發(fā)展,入口的湍流強(qiáng)度為5%,湍流粘性比為10%。當(dāng)殘差下降到10-5且進(jìn)、出口的流量誤差小于5%時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂。
　　
　　3·數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析
　　
　　筆者對(duì)離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的分析主要包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、各相體積分?jǐn)?shù)分布及流道內(nèi)處理液的軌跡。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4~圖9。
　　
　　由圖4可以看出,在離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓進(jìn)口壁面壓力Z大,約為6·2×105Pa,在出口壓力Z小,大約為3×104Pa,Z小的部位甚至為負(fù)壓。由圖5可以看出,鉆井液進(jìn)入離心機(jī)后,鉆井液的速度場(chǎng)在轉(zhuǎn)鼓壁面處速度Z大,其中液相Z大值約為13·3m/s,固相Z大速度約為13·0m/s,而在中心處速度大約為0·7m/s。由圖5還可以看出,鉆井液通過(guò)進(jìn)口管進(jìn)入離心機(jī)后產(chǎn)生了強(qiáng)烈的旋流,沿徑向速度矢量逐漸增大。
　　
　　鉆井液發(fā)生固液分離后,各相按一定的比例分布。液相的體積分?jǐn)?shù)如圖6a所示。
　　
　　由圖6a和圖7a可以看出,離心機(jī)從入口到出口處的液相體積分?jǐn)?shù)逐漸增大,到出口處液相體積分?jǐn)?shù)將近10
0%;由圖7b和圖9可以看出,固相顆粒體積分?jǐn)?shù)的分布剛好與液相相反。這說(shuō)明固相顆粒在這個(gè)過(guò)程中逐漸被脫除,有力地證明了鉆井液在離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行了較充分的固液分離。由圖7還可以看出,在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的截面內(nèi),液相含量隨著半徑的增大而減小,固相含量隨著半徑的增大而增大。這是因?yàn)殡x心力與半徑的平方成正比關(guān)系,在強(qiáng)旋流場(chǎng)中,高密度的固相沿徑向向外運(yùn)動(dòng)拋向壁面,實(shí)現(xiàn)與液相的分離。
　　
　　由圖8可以看出,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)鉆井液沿徑向的湍動(dòng)能逐漸增大,這是因?yàn)檠貜较蛩俣仍龃?撞擊加強(qiáng)。由圖9可以直觀地看到鉆井液從離心機(jī)入口到出口的運(yùn)動(dòng)軌跡。明顯反映出液流軌跡為螺旋線,并且不光滑,有時(shí)出現(xiàn)小漩渦。這是因?yàn)殂@井液在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在湍動(dòng)。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　(1)對(duì)鉆井液離心機(jī)內(nèi)離心力場(chǎng)中鉆井液流動(dòng)速度進(jìn)行了分析,并應(yīng)用Fluent軟件對(duì)鉆井液離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了分析,結(jié)果與實(shí)際情況相符。
　　
　　(2)用這種方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析能解決目前對(duì)鉆井液離心機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),主要考慮穩(wěn)定狀態(tài)下的流動(dòng)情況而不能反映復(fù)雜情況下真實(shí)流動(dòng)情況的問(wèn)題。如果再使之與相兼容的數(shù)據(jù)計(jì)算軟件相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)優(yōu)異分離效果顯示,將對(duì)臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的設(shè)計(jì)有較大幫助。
　　
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