浮油 - 3 相分层和自由表面流 CFX 模拟

撇油器设计挑战

设计撇油器面临多项挑战，包括适应不同的油粘度、不断变化的海况和环境条件。

撇油器必须有效地将油与水分离，而不会在波浪、水流或充满碎屑的环境中堵塞或失去效力。耐用性、易于部署和维护也至关重要，尤其是在紧急响应期间。确保高回收率和最小的mal water intake 同时保持成本效益增加了复杂性。此外，在设计过程中必须考虑与不同密闭系统的兼容性以及对环境法规的遵守。 
 

工程解决方案

撇油器设计的典型工程解决方案侧重于优化分离效率和耐用性。常见类型包括堰式、鼓式、盘式和带式收油机，每一种都针对特定的油类型和条件量身定制。选择耐腐蚀性和油粘附性的材料，例如吸引油但排斥水的亲油表面。设计通常包含可调节的进气水平和模块化组件，以便于部署和维护。工程师还可以集成泵和传感器，以实现自动运行和回收率监控。撇油器通常设计为具有浮力和稳定性，确保在波涛汹涌的水域中有效，同时最大限度地减少对环境的影响和水分收集。

ANSYS CFX 可用于通过仿真流体动力学和多相流行为来评估撇油器设计。工程师可以模拟各种条件下的油水分离，分析油如何与桶、堰或皮带等撇油器组件相互作用。CFX 能够详细可视化流型、湍流和速度场，帮助优化撇油器的几何形状和位置。它还允许在没有物理原型的情况下测试不同的油粘度、波浪作用和环境因素。通过仿真石油采收率和水夹带等性能指标，ANSYS CFX 有助于优化设计，在实际条件下实现最高效率、稳定性和有效性。CFX 仿真的第一步是正确预测油和水分层。

 

方法

在本讨论中，使用 Ansys CFX 设置浮油和撇油器仿真涉及几个步骤。这些步骤包括思维导图、产品图谱和 CFX 案例设置。

思维导图：生成建模特征的思维导图，以结构化的方式组织和表示想法、概念或信息。下面的思维导图显示了模拟研究的目标以及为实现目标而提出的问题。每个问题后面都有一个理论、行动和预测来解决每个问题。生成结果时，结果也会添加到每个分支的底部。

 

 

 

产品地图：生成浮油和堰式收油机的产品图，以列出和分类产品特征。产品图谱表示与思维导图中的理论/行动相对应的一些因素。

 

 

CFX 仿真网格：下图显示了模型的网格。上部显示整个域，下部显示油层的细节。油层上的单元数为 9，水平方向的网格大小产生的纵横比为 2。

 

 

 

CFX 模拟设置：CFX 模型的设置是为了解决思维导图和产品导图所解决的问题和几何结构。执行稳态计算。

材料：以下图像集显示了示例材料规格。密度和动态粘度是这些组件中的关键材料属性。

 

 

 

域 - 基本设置：以下图像集合显示了每个域的基本设置。每个域都使用相同的 Fluids;但是，每种流体都有不同的材质分配。每种流体都使用连续流体形态以及相同的参考压力 （1atm）、浮力模型和浮力模型规格。在这种情况下，参考密度使用最轻的流体，其参考压力位置位于空气域的中间。

 

 

域 - 流体模型：以下图像集显示了均匀多相模型的示例模型规范以及界面压缩级别选项。流体特定模型对所有三种流体使用密度差流体浮力模型。

 

 

域 - 流体对：下图显示了 流体对的示例表面张力系数。连续曲面模型 选项用于所有三对流体，并且选择密度较高的流体作为主流体。

 

 

域 - 初始化：以下图像集显示了不同域的示例初始化策略。静水压力的表达式用于水和油域。选择体积分数为 1 的 Automatic With Value （自动使用值），以将域与流体匹配。

 

 

水域 - 边界条件：以下图像集显示了水域边界条件设置。 在出水口处使用零相对压力和 100% 水的回流体积分数来产生流量。表达式形式的静水压力 用于水流入边界，其中只 允许水进入。 对称和壁边界条件在其他地方使用。表达式如下：密度水 * 9.81 [m s^-2] * （油深 - y） + 密度油 * 9.81 [m s^-2] * 油厚

 

 

空气域 - 边界条件：以下图像集显示了空气区域边界条件设置。在开口处使用零开启压力，仅允许空气流入。对称和壁边界条件在其他地方使用。

 

 

油域 - 边界条件：以下图像集合组显示了油区边界条件设置。油使用表达式形式的静水压力，并且只允许油进入。对称和壁边界条件在其他地方使用。表达式如下：
密度油 * 9.81 [m s^-2] * （0.0 [m] -y）

 

 

求解器控制：以下图像集显示了求解器控制设置。 使用高分辨率平流方案，并使用耦合体积分数多相高级选项。

 

CFX 求解器：所有运行均以双精度执行。

 

CFX 仿真结果

基线：

通过查看绝对压力对结果进行初步检查。静水压力应具有明显的垂直梯度，如下所示。

 

 

下图显示了 不使用流出边界时油的体积分数。油层被很好地限制在预期的油层中。该领域损失的石油可以忽略不计。

 

 

下图显示了流出的石油的体积分数。油层被很好地限制在预期的油层中。流出边界已经开始将石油向下拉入堰式收油器。油层在远离撇油器的地方变薄。

 

 

粗网孔： 下图显示了网格较粗的油的体积分数。即使出口设置为墙壁，油也会从域中消失。

 

 

表面张力： 下图显示了当表面张力被停用时对油的体积分数的负面影响。油从油域扩散到空气和水域中的程度更高。

 

 

参考密度和位置：如果将参考密度设置为最重的流体（水），并且参考位置移动到水域中，则解会发散。
 

界面压缩水平：下图显示了界面压缩对油层的影响。结果之间有细微的差异，最好是 1 级或 2 级。