Численное моделирование процесса дегазации газожидкостной смеси в гидроциклоне

Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика.


Выпуск:

2019. Том 5. №3

Название: 
Численное моделирование процесса дегазации газожидкостной смеси в гидроциклоне


Для цитирования: Варавва А. И. Численное моделирование процесса дегазации газожидкостной смеси в гидроциклоне / А. И. Варавва, В. Е. Вершинин, Д. В. Трапезников // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 3. С. 213-229. DOI: 10.21684/2411-7978-2019-5-3-213-229

Об авторах:

Варавва Артём Игоревич, главный специалист, Газпромнефть НТЦ (г. Тюмень); artevar@yandex.ru

Вершинин Владимир Евгеньевич, старший преподаватель кафедры моделирования физических процессов и систем, Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, Scopus AuthorID, v.e.vershinin@utmn.ru

Трапезников Дмитрий Владимирович, инженер по математическому моделированию отдела автоматизации и цифрового моделирования, Тюменский государственный университет; d.v.trapeznikov@utmn.ru

Аннотация:

Во многих областях народного хозяйства широко используются сепараторы центробежного типа — гидроциклоны, позволяющие разделять смеси веществ различной плотности. Гидроциклоны могут быть использованы для разделения фаз в установках измерения расхода нефти, воды и газа. Поток, поступающий из скважины, изначально представляет собой трехфазную смесь. Гидроциклон позволяет на входе в измерительную установку разделить газовую и жидкую фазы, которые далее поступают в отдельные узлы измерения газа и жидкости. Сохранение точности измерения расхода фаз при использовании гидроциклонов в измерительных установках требует высокого качества сепарации в широком диапазоне расходов и содержаний фаз. Одно из направлений прогнозирования характеристик процесса сепарации основывается на численном решении уравнений гидродинамики многофазных течений. Современные программные комплексы вычислительной гидродинамики позволяют решать задачи такого класса в трехмерной постановке и тем самым оценивать эффективность работы устройства и его метрологические характеристики. В работе исследуются процессы разделения газожидкостной смеси в гидроциклоне при различном объемном газосодержании и расходах фаз. Приводится математическая модель с указанием основных допущений. Формулируются граничные условия задачи. Расчеты проводились на открытой платформе OpenFOAM с использованием решателя interFoam. В результате численного моделирования определены основные структуры течений в гидроциклоне. Исследовано влияние начального газосодержания на эффективность сепарации при различных скоростях потока. Выявлены основные причины снижения эффективности сепарации при низких значениях газосодержания. Дополнительно рассмотрено влияние направляющих элементов на процесс сепарации.

Список литературы:

  1. Баранов Д. А. Расчет сепарационных процессов в гидроциклонах / Д. А. Баранов, А. М. Кутепов, М. Г. Лагуткин // ТОХТ. 1996. Том 30. № 2. C. 117-122. 
  2. Белов И. А. Моделирование турбулентных течений / И. А. Белов, С. А. Исаев. СПб.; Балт. гос. техн. ун-т, 2001. 108 с. 
  3. Иевлев В. М. Численное моделирование турбулентных течений / В. М. Иевлев. М.: Наука, 1990. 216 с. 
  4. Копысов С. П. Применение методов VOF и SPH для решения задач с развитой свободной поверхностью / С. П. Копысов, Л. Е. Тонков, А. А. Чернова // Изв. ИМИ УдГУ. 2015. № 2 (46). С. 76-84. 
  5. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. М.: Наука, 1978. 736 с.
  6. Матвиенко О. В. Численное исследование процесса дегазации в гидроциклонах / О. В. Матвиенко, М. В. Агафонцева // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2012. № 4 (20). С. 107-118. 
  7. Нигматулин Р. И. Динамика многофазных сред. Часть 1 / Р. И. Нигматулин. М.: Наука, 1987. 464 с. 
  8. Юн А. А. Теория и практика моделирования турбулентных течений / А. А. Юн. М.: URSS, 2009.
  9. Hirt C. W. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries / C. W. Hirt, B. D. Niсhols // Journal of Computational Physics. 1981. Vol. 39. № 1. Pp. 201-225. DOI: 10.1016/0021-9991(81)90145-5
  10. Issa R. I. Solution of the implicitly discretized fluid flow equations by operator-splitting / R. I. Issa // Journal of Computational Physics. 1986. Vol. 62. № 1. Pp. 40-65. DOI: 10.1016/0021-9991(86)90099-9