鉆井液離心機轉鼓內流場的數值分析

    徐　倩1　孟繁如2　劉洪斌1　張明洪1

          (1·西南石油大學機電工程學院　2·中國石油大慶石化公司)

    摘要：目前,對離心機內流場的計算一般都是從離心機流場的穩態方程出發,著重關注流場在穩定狀態下的流動狀況,情況復雜時,直接通過穩態方程求解不能準確反映離心機內流場的流動狀況。嘗試運用Fluent軟件對鉆井液離心機轉鼓內部流場進行模擬分析計算,應用RNGκ-ε模型預測離心機的流場,建立了離心機流道的湍流模型和多相流模型。離心機內流場的分析主要包括速度場、壓力場、各相體積分數分布及流道內處理液的軌跡,模擬分析結果與實際情況相符。所得結果將有助于離心機的流場研究。

    關鍵詞：離心機　固控系統　離心機內流場　數值分析

    0　引　言

    鉆井液中固相的含量及顆粒大小對鉆井液的性能有很大的影響。通常在鉆井過程中通過固控設備來控制鉆井液中固相的含量,即固相控制。現代鉆機的成套固相控制設備一般由鉆井液振動篩、除氣器、除砂器和離心機等組成,用于逐級清除不同粒度的固相顆粒[1]。其中,鉆井液離心機是固控設備中結構最復雜、井隊最難掌握的設備。

    目前,國產鉆井液離心機都屬于臥式螺旋卸料沉降離心機,其轉鼓內部流場理論主要有:活塞式流動狀態、層流流動狀態、表面層流動狀態和流線流動狀態[2]。然而,這些理論都未能真實反映離心機轉鼓內的流場狀態。已有文獻關于離心機內流場的計算一般都是從離心機流場的穩態方程出發,著重關注流場在穩定狀態下的流動狀況。情況復雜時,直接通過穩態方程求解不能準確反映離心機內流場的流動狀況[3]。筆者將嘗試運用Fluent軟件對鉆井液離心機轉鼓內部流場進行分析計算。

    1　離心力場中鉆井液流動速度分析[4]

    1·1　基于Σ理論的鉆井液流速

    按照Σ理論,鉆井液流動時沿軸線方向的速度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———溢流斷面的內徑, m;

    r———卸料螺旋在溢流斷面的半徑, m;

    Δω———鉆井液離心機轉鼓和卸料螺旋的轉速差, s-1;

    vpz———卸料螺旋葉片運動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　紊流狀態下離心力場中鉆井液流動速度

    實際上,鉆井液在沿卸料螺旋的流動過程中,由于具有較大的流動速度,流體處在紊流狀態下流動。根據粘性流體力學理論,在紊流狀態下采用統計平均方法,用時均速度來代替流體在某點的流動速度。

    流體在沿槽流動時,該斷面上某處流體的流動速度v與平均速度具有以下關系：

    2　三維模型的建立

    2·1　湍流模型

    在所有的雙方程模型中,κ-ε雙方程模型的應用最為普遍。但是由于它采用了同向性湍流輸運的假設,故不適應具有非同向性湍流輸運的強旋流。在離心分離器內流場中,因切速度遠遠大于徑向和軸向分量,因而采用雷諾應力模型(RSM)、代數應力模型(ASM)或RNG模型來代替κ-ε模型。RNG模型對強旋流流場及高曲率流線的離心分離器有著很好的改進效果[5]。筆者應用RNGκ-ε模型預測離心機的流場。

    2·2　多相流模型

    離心機主要是分離在連續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。

    啟動混合模型求解,采用0·2或更小的滑流速度欠松弛因子開始計算。如果解顯示出好的收斂趨勢,可逐漸增加欠松弛因子。初始計算可以不求解題解分數和滑流速度方程,當計算收斂后,再求解這些方程。

    啟動歐拉模型求解,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計算。初始解可通過混合模型得到。在下面的計算中采用歐拉模型求解。

    2·3　計算前處理

    計算前處理主要包括臥式螺旋離心機三維流道模型的建立及網格劃分。采用Pro/E建模, Fluent的前處理器Gambit來實現網格的劃分。

    2·4　三維模型的建立

    以LW450-1000型離心機處理非加重鉆井液為例,對離心機內流場進行數值分析。離心機和鉆井液的參數如下:轉鼓半錐角α=8°;轉鼓的轉速n=1 600 r/min;轉鼓內半徑R1=225 mm;轉鼓內筒外半徑R2=152mm;柱筒段沉降區長度L1=582mm;螺距S=108 mm;螺旋升角β=7·59°;處理量為0~60 m3/h;水基非加重鉆井液固相密度ρ2=2 030 kg/m3,液相密度ρ1=1 000 kg/m3;粘度0·021 7 Pa·s;固相顆粒平均直徑2 mm;懸浮液體積分數10%。

    臥式螺旋卸料沉降離心機的處理液是在螺旋流道中流動的,考慮到轉鼓與輸送器之間轉差很小,一般只有0·2% ~3·0%,對流道中流體流動影響甚小,可忽略不計,并且筆者只分析離心機的流場,所以只考慮離心機的沉降段。據此建立的離心機三維流道模型如圖2所示。

    2·5　網格劃分

    采用C結構化網格(混合網格),劃分網格后的模型如圖3所示。

    2·6　邊界條件

    進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0·006 54m2,故進口速度為1·7m/s。同時,確定第2相的體積分數為10%。處理液出口設為壓力出口,表壓為0。流道的固體壁面定義為旋轉壁面,旋轉角速度為167·55 rad/s。對于紊流需要說明性質,假設流場為全湍流場,速度入口的流動充分發展,入口的湍流強度為5%,湍流粘性比為10%。當殘差下降到10-5且進、出口的流量誤差小于5%時,認為計算收斂。

    3·數值計算結果及分析

    筆者對離心機內流場的分析主要包括速度場、壓力場、各相體積分數分布及流道內處理液的軌跡。計算結果見圖4~圖9。

    由圖4可以看出,在離心機的轉鼓進口壁面壓力最大,約為6·2×105Pa,在出口壓力最小,大約為3×104Pa,最小的部位甚至為負壓。由圖5可以看出,鉆井液進入離心機后,鉆井液的速度場在轉鼓壁面處速度最大,其中液相最大值約為13·3 m/s,固相最大速度約為13·0 m/s,而在中心處速度大約為0·7 m/s。由圖5還可以看出,鉆井液通過進口管進入離心機后產生了強烈的旋流,沿徑向速度矢量逐漸增大。

    鉆井液發生固液分離后,各相按一定的比例分布。液相的體積分數如圖6a所示。

    由圖6a和圖7a可以看出,離心機從入口到出口處的液相體積分數逐漸增大,到出口處液相體積分數將近100%;由圖7b和圖9可以看出,固相顆粒體積分數的分布剛好與液相相反。這說明固相顆粒在這個過程中逐漸被脫除,有力地證明了鉆井液在離心機內進行了較充分的固液分離。由圖7還可以看出,在垂直于旋轉軸的截面內,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。這是因為離心力與半徑的平方成正比關系,在強旋流場中,高密度的固相沿徑向向外運動拋向壁面,實現與液相的分離。

    由圖8可以看出,轉鼓內鉆井液沿徑向的湍動能逐漸增大,這是因為沿徑向速度增大,撞擊加強。由圖9可以直觀地看到鉆井液從離心機入口到出口的運動軌跡。明顯反映出液流軌跡為螺旋線,并且不光滑,有時出現小漩渦。這是因為鉆井液在運動過程中存在湍動。

    4　結　論

    (1)對鉆井液離心機內離心力場中鉆井液流動速度進行了分析,并應用Fluent軟件對鉆井液離心機內流場進行了分析,結果與實際情況相符。

    (2)用這種方法對流場進行分析能解決目前對鉆井液離心機內流場進行分析時,主要考慮穩定狀態下的流動情況而不能反映復雜情況下真實流動情況的問題。如果再使之與相兼容的數據計算軟件相結合,實現最佳分離效果顯示,將對臥式螺旋卸料沉降離心機的設計有較大幫助。

    參　考　文　獻

    [1]　趙國珍,張明洪,李君裕·鉆井振動篩的工作原理與測試技術[M]·北京:石油工業出版社, 1996·

    [2]　孫啟才,金鼎五·離心機原理結構與設計計算[M]·北京:機械工業出版社, 1987: 44·

    [3]　魏春琳,曾　實·離心機流場非穩態過程的初步數值模擬[J]·同位素, 2006 (1): 7-11·

    [4]　劉洪斌·鉆井液離心機工作理論研究[D]·成都:西南石油大學, 2006: 48-51·

    [5]　王福軍·計算流體動力學分析———CFD軟件原理與應用[M]·北京:清華大學出版社, 2007: 116-124·

    第一作者簡介:徐　倩,女,講師,生于1974年,1997年畢業于西南石油學院機械系, 2002年獲該校碩士學位,主要從事振動與動態測試、無損檢測等方面的科研與教學工作。地址: (610500)四川省成都市。E-mai:l xx-qq0609@ 163·com。