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旋转涡轮分离器的结构改进与试验研究

作　者: 刘超
导　师: 何利民
学　校: 中国石油大学
专　业: 供热供燃气通风及空调工程
关键词: 旋转涡轮分离器分离表面气体叶片试验数值模拟
分类号: TQ051.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,不断发展的海上油气工业要求气液分离器不断向紧凑、高效、经济的方向发展。旋转涡轮分离器是一种基于能量回收涡轮技术的紧凑型离心式分离器。它能在完成高效气液分离的同时回收压能,输出轴功,符合分离器发展趋势和节能的要求,发展前景广阔。旋转涡轮分离器主要包括两相喷嘴、分离表面和残余动能回收装置等几部分。之前课题组已经对两相喷嘴进行了详尽的研究并制作了分离器样机,本论文在本课题组前期研究的基础上对气液旋转涡轮分离器样机进行了结构模拟改进和试验研究。首先对分离器的重要组件分离锥体进行了模拟研究。采用Solidwors和Gambit软件建立了内部流场的几何模型并划分了网格。通过FLUENT软件,采用RNG k-ε湍流模型,研究得到了分离锥体内的流场情况,采用分散相模型(DPM)对气相流场中的液滴运动特性进行了模拟研究。得到了分离器的结构参数及工况变化对分离效率的影响规律。结果表明液滴粒径、进口流体速度等工况因素对分离效率的影响较大;分离表面的结构参数比如锥体角度等对分离效率的影响要与喷嘴入射位置及角度、装配距离等参数综合考虑。建造了旋转涡轮分离器样机的性能评价试验装置,对样机进行了试验研究。结果表明分离器样机可以在完成高效气液分离的同时输出轴功,分离效率在90%以上。通过试验研究得到了分离轮锥度、转速、进口工况等因素变化对分离器分离效率及轴功输出的影响规律。在此研究基础上,得出了样机的最佳运行工况范围。针对试验研究中发现的样机不足,我们对需要改进的结构——气体叶片,采用FLUENT软件采用标准k-ε湍流模型进行了模拟研究。通过研究得到了叶型、间距、流体入射角度、速度等因素对叶片性能的影响规律。结果表明,椭圆型叶片更适合作为气体叶片的叶型。结合样机的其他结构参数,优化出了最优叶片间距,设计出了气体叶栅。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-19
  1.1 研究的背景及意义  9-11
    1.1.1 研究背景  9-10
    1.1.2 课题的意义  10-11
  1.2 分离器的结构与基本原理  11-12
  1.3 国内外研究现状  12-17
    1.3.1 分离表面的研究现状  12-14
    1.3.2 试验研究现状  14-15
    1.3.3 气体叶片的研究现状  15-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第二章分离锥体的数值模拟  19-42
  2.1 模型建立  19-25
    2.1.1 几何模型与网格  19-20
    2.1.2 湍流模型选择  20-23
    2.1.3 两相模型的选择  23-25
  2.2 模型参数设置  25-28
    2.2.1 解算器格式选取  25
    2.2.2 流体介质及性质  25-26
    2.2.3 参考状态  26
    2.2.4 边界条件设置  26-28
  2.3 模拟结果分析  28-40
    2.3.1 参数介绍  28-29
    2.3.2 气相模拟结果分析  29-36
    2.3.3 两相模拟结果分析  36-40
  2.4 本章小结  40-42
第三章样机试验  42-58
  3.1 引言  42
  3.2 试验流程及主要设备  42-44
    3.2.1 试验流程  42-43
    3.2.2 试验的主要设备及测量仪器  43-44
  3.3 试验数据测量及处理方法  44-48
    3.3.1 参数测量  44-46
    3.3.2 数据记录方法  46-47
    3.3.3 数据处理方法  47-48
  3.4 主要操作过程  48
  3.5 试验结果分析  48-57
    3.5.1 气量一定载荷比对分离器性能的影响  48-52
    3.5.2 液量一定气体质量流量对分离器性能的影响  52-53
    3.5.3 进口压力一定载荷比对分离器性能的影响  53-55
    3.5.4 分离表面锥度对分离器性能的影响  55-56
    3.5.5 分离轮转速对分离器性能的影响  56-57
  3.6 本章小结  57-58
第四章气体叶片的数值模拟  58-71
  4.1 引言  58
  4.2 气体叶片的设计  58-59
  4.3 流场模型  59-61
    4.3.1 几何模型的建立  59-60
    4.3.2 湍流模型选择  60
    4.3.3 网格及边界条件  60-61
  4.4 数值模拟结果分析  61-69
    4.4.1 流场分析  61-62
    4.4.2 叶型选择  62-65
    4.4.3 进口总压对叶片效果的影响  65-67
    4.4.4 入射角度对叶片效果的影响  67-69
  4.5 气体叶轮的设计  69
  4.6 本章小结  69-71
第五章结论  71-73
  本文的主要结论  71
  对以后工作的展望  71-73
参考文献  73-76
致谢  76

旋转涡轮分离器的结构改进与试验研究

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