3天然气超音速分离器中漩涡发生器及喷管的数值模拟研究霖1额日其太1计维安2彬2程宋(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院2.中国石油西南油气田公司天然气研究院)摘要天然气超音速分离技术是近年来发展起来的新型天然气脱水技术。漩涡发生器及喷管是天然气超音速分离器的关键部件之一。通过对直叶片、折叶片和弯叶片三种不同叶片形式的漩涡发生器的流场进行了数值模拟研究,结果表明,弯叶片的漩涡发生器具有良好的性能。此外,对天然气超音速分离器的喷管流动进行了研究。结果证明,本文采用的漩涡发生器和喷管可以获得很低的温度和强大的离心力,可以使天然气中的水蒸气冷凝成小液滴并分离出来,从而达到天然气脱水的目的。关键词超音速分离器漩涡发生器数值模拟天然气脱水喷管DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2011.03.003在天然气的集输和处理过程中,天然气中的水蒸气容易凝结成液态水。天然气中水分的存在,对于含有H2S、CO2等酸性物质的天然气会形成腐蚀性液体,造成管道和设备的腐蚀。此外,在一定的压力和温度下,天然气中的某些组分与液态水还会形成天然气水合物,严重时这些水合物能堵塞井筒、管线、阀门和设备,从而影响天然气的开采、集输和加工。天然气脱水则是防止酸性物质和水合物形成的根本措施[1-4]。20世纪90年代末,国外成功开发了用于天然气脱水的超音速分离技术。与传统的低温分离工艺相比,天然气超音速分离技术是天然气处理工艺流程的一大革新,极大地简化了天然气脱水工艺流程。目前,超音速分离技术已经发展到第二代。其核心设备———超音速分离器的长度通常为2m左右,天然气处理量可以达到100×104m3/d。处理后的天然气水露点可以降低到-10℃以下,在很多地区可以满足天然气外输的要求。系统的压力损失为20%～30%。图1为天然气超音速分离器工作原理图。天然气超音速分离器主要由漩涡发生器、喷管、分离段、扩压器等部分组成。气流先通过漩涡发生器产生旋转,然后旋转的气流经过拉瓦尔喷管绝热膨胀至超音速,其温度和压力急剧降低,气流中的水蒸气凝结出来形成液滴,在旋流离心力的作用下,凝结出的水滴被甩到管子内壁上,再通过管道排出从而达到脱水的目的[5-6]。而分离后的干气体进入扩压器,气流速度降低,压力恢复到初始压力的70%～80%。本文利用数值模拟的方法,对天然气超音速分离器的关键部件———漩涡发生器及喷管进行了研究。研究了叶片形状对漩涡发生器性能的影响及旋转气流在拉瓦尔喷管中的流动特性。1数值模拟方法通过求解相应边界条件下的N-S方程,在三3中国石油2008年重点项目(编号:2008B-1304)。天然气超音速分离器中漩涡发生器及喷管的数值模拟研究第40卷第3期233维、有粘、定常分析的基础上,对漩涡发生器内部流场的流动特性作全面的分析。由于标准k-ε模型在强旋流或带有弯曲壁面的流动时会出现一定的失真,而RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动[7],所以本研究中采用RNGk-ε模型进行数值模拟研究。计算网格采用六面体网格,而流动方程、湍流模型中湍动能方程和湍动能耗散率方程均采用二阶迎风格式求解。针对可压缩流体的流动特征,采用压力进口和压力出口的边界条件,固体壁面采用无滑移、绝热、无渗流条件。由于模拟的漩涡发生器的流动具有周期性的特点,为了减少计算量,采用一个周期来进行研究。明显降低,这也说明产生了较大的流动损失。2漩涡发生器叶片的选择2.1漩涡发生器的几何模型漩涡发生器的基本设计思想是:有较大的流通能力,较小的几何尺寸,产生的旋流切向速度比较大,并易于加工制造[8]。本文所研究的漩涡发生器外圆直径D,内圆直径d,D/d=1.12。为了研究叶片形状对漩涡发生器性能的影响,设计了直叶片、折叶片和弯叶片三种不同形状的叶片。漩涡发生器叶片数目为8个。图2为3种不同形状叶片的漩涡发生器示意图,为了看清楚内部结构,剖开了部分外壳。2.3折叶片漩涡发生器数值模拟结果分析为了改善叶片周围的流动状况,在直叶片前段增加一直段,对入口的气流进行导引,其交接处采用圆滑的弧线过渡。图5和图6是径向R=0.52d处的速度和总压分布图。从图5和图6可以看到,在叶片背风面大分离区消失,但尾迹区仍然存在,随着尾迹向下游的扩展,尾迹的影响范围...