基于熵产理论的水力旋流器优化

发布时间：2017-06-03 04:17

  本文关键词：基于熵产理论的水力旋流器优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水力旋流器由于具有结构简单、操作方便、无转动部件等优点广泛用于石油石化企业。目前对水力旋流器的研究主要集中在尺寸因素和非尺寸因素对水力旋流器的分离效率和能耗的影响分析上,对能耗主要用压力降来评价,而对其能耗的分布情况及组成研究很少。熵产分析法可以通过计算熵产的值,得到不可逆现象产生能量损失的分布情况。在此基础上,通过改变操作参数或设计参数,将熵产最小化,从而实现减小不可逆损失或优化不可逆损失分布的目的。利用计算流体力学数值模拟软件Fluent,采用Mixture多相流模型和RSM模型数值模拟并研究了国内外被广泛研究的Martin-Thew双锥型水力旋流器内部的流场、分离效率及熵产等。通过数值模拟得到了旋流器轴截面的压力、密度云图及圆柱段、大锥段和小锥段和尾管不同横截面过轴心线上的三向速度分布图,模拟结果与实验得出的结果吻合较好,表明数值模拟的方法可行,结果真实可靠。在此基础上,进一步数值模拟得到了水力旋流器的单位体积的熵产率分布云图,分析了熵产的分布规律及熵产其中分布的主要区域。模拟结果表明熵产主要集中在溢流口以及大小锥段过渡段。为了研究水力旋流器的圆柱段长度、大锥段长度及小锥段长度对水力旋流器的分离效率和熵产的影响,分别模拟了10%,15%和20%三种含油浓度下的5个圆柱段长度、10个大锥段长度、10个小锥段长度以及10%含油浓度下5个溢流口直径共计80组模型的水力旋流器的熵产和分离效率,研究了不同的水力旋流器的尺寸对分离效率和熵产的影响规律。模拟结果表明,圆柱段长度对熵产及分离效率的影响都不大;大小锥段长度对揣流熵产、黏性熵产及总熵产的影响规律相同,且随着大小锥段长度的增加,旋流器额各种熵产先减小后增加;溢流口直径小于5mm时,熵产及分离效率随溢流口直径的增大变化不大,溢流口直径大于5mm时,分离效率和总熵产均有明显的下降;增加含油分率,分离效率减小,熵产的变化规律不明显。以保证水力旋流器分离效率并尽可能减小熵产,针对数值模拟过程中发现的熵产较大的区域进行改进和优化,确定了水力旋流器的优化方案并进行了数值模拟,模拟结果表明优化后的模型的各种熵产均较原模型的各对应熵产均有减少,其中总熵产减小了48.91%,分离效率几乎不变化。在优化模型的基础上,再次针对熵产较大的区域进行了原因分析并进行了改进和优化,对优化后的模型的进行数值模拟分析表明,较原模型,总熵产减小了57.35%,并维持了较高的分离效率,优化效果明显。上述研究结果将为旋流器的优化设计及后期进一步研究提供参考,具有重要意义。
【关键词】：水力旋流器 熵产 流场 数值模拟 优化
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE967
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究的背景及目的意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 水力旋流器流场分析国内外研究现状11-13
• 1.2.2 熵产分析方法国内外研究现状13-14
• 1.3 课题的主要研究内容14-16
• 第二章 水力旋流器的基本原理16-31
• 2.1 水力旋流器的基本知识16-17
• 2.1.1 水力旋流器的结构16
• 2.1.2 液-液水力旋流器的工作原理16-17
• 2.2 水力旋流器的特性参数17-19
• 2.2.1 处理量17
• 2.2.2 分离效率17-18
• 2.2.3 分流比18
• 2.2.4 压力降18-19
• 2.3 水力旋流器动力学分析19-27
• 2.3.1 水力旋流器中旋转运动特性分析19-21
• 2.3.2 油滴受力分析21-23
• 2.3.3 水力旋流器的流场特性分析23-27
• 2.4 水力旋流器内流体流动基本控制方程27-29
• 2.4.1 连续性方程27-28
• 2.4.2 N-S方程28-29
• 2.5 熵产分析法29-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 水力旋流器的数值模拟31-46
• 3.1 模拟软件简介31
• 3.2 几何模型的尺寸和建模31-33
• 3.2.1 几何模型的尺寸的确定31-32
• 3.2.2 建模32-33
• 3.3 计算区域离散33-37
• 3.3.1 网格生成33-34
• 3.3.2 检查网格质量34-37
• 3.4 多相流模型确定37
• 3.5 湍流模型确定37-39
• 3.6 参数设置和边界条件的确定39-40
• 3.6.1 流体参数设置39-40
• 3.6.2 边界条件40
• 3.7 FLUENT求解器离散格式设置40-43
• 3.7.1 压力速度耦合算法确定41
• 3.7.2 梯度插值41-42
• 3.7.3 压力插值42
• 3.7.4 动量插值42-43
• 3.8 近壁面处理43-44
• 3.9 网格无关性检验44-45
• 3.10 本章小结45-46
• 第四章 数值模拟结果分析及熵产分析46-57
• 4.1 数值模拟结果分析46-53
• 4.1.1 压力分布46
• 4.1.2 密度分布46-49
• 4.1.3 速度分布49-53
• 4.2 熵产分析53-55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 尺寸对水力旋流器熵产的影响57-65
• 5.1 圆柱段长度对水力旋流器熵产及分离效率的影响57-59
• 5.1.1 圆柱段长度对熵产的影响58
• 5.1.2 圆柱段长度对分离效率的影响58-59
• 5.2 大锥段尺寸对水力旋流器熵产的影响59-60
• 5.2.1 大锥段尺寸对熵产的影响59-60
• 5.2.2 大锥段尺寸对分离效率的影响60
• 5.3 小锥段尺寸对水力旋流器熵产的影响60-62
• 5.3.1 小锥段尺寸对熵产的影响61-62
• 5.3.2 小锥段尺寸对分离效率的影响62
• 5.4 溢流口直径对水力旋流器熵产的影响62-63
• 5.4.1 溢流口直径对熵产的影响62-63
• 5.4.2 溢流口直径对分离效率的影响63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 水力旋流器的优化65-70
• 6.1 优化方案的确定65-66
• 6.2 优化结果66-67
• 6.3 对优化的改进67-68
• 6.4 本章小结68-70
• 第七章 结论70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文76

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本文编号：417265