Numerische Strömungssimulation und Optimierung eines drallbasierten Massenkraftabscheiders

Abstract

Bei der Ölförderung befinden sich Partikel aus Gesteinsschichten in dem Fördermedium. Diese Partikel können die verwendeten Tiefpumpen und deren Kolben sowie Ventile beschädigen. Daher sollte über einen längeren Zeitraum ein Konzept zur Partikelabscheidung in Form eines Zyklonabscheiders untersucht werden. Dazu wurde an der TU Wien eine analytische Auslegung von Rippl [25] durchgeführt. Dieses Konzept wurde an der Montanuniversität Leoben von Hartl [11] aufgegriffen und anhand von Laborversuchen weiter verbessert. Anhand der analytischen Auslegung und den praktischen Versuchen, konnten jedoch keine Aussagen über die Strömung getroffen werden. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine numerische Strömungssimulation des verbesserten Konzeptes aus den Laborversuchen durchgeführt. Dazu wurde die Geometrie diskretisiert und eine Netzunabhängigkeitsstudie durchgeführt. Durch die Simulation konnten Rückschlüsse auf die Wirkungsweisegezogen werden und in weiterer Folge wurden eine Ablösung an der Nabe undeine Schwingung einer Wirbelstruktur in dem Rohrgestänge festgestellt. Um die Berechnungen validieren zu können, wurde in Kooperation mit der Montanuniversität Leoben der Prüfstand leicht angepasst und im Betrieb Druckwerte an mehreren Stellen aufgenommen, welche mit den Simulationsergebnissen verglichen wurden. Die Validierung zeigte ein ausreichend genaues Modell, welches nun für eine Optimierung genutzt werden konnte. Für die Optimierung wurde die Nabedes Abscheiders auf eine zylindrische Form erweitert und eine strömungstechnisch ungünstige Rohrverbindung weiter vom Abscheider entfernt. Dadurch konnte das Strömungsbild an der Nabe verbessert werden und es wurde in der Simulation der optimierten Geometrie keine Ablösung festgestellt. Die Rohrverbindung resultierte vor der Optimierung in einer Schwingung der verdrallten Wirbelstruktur im Rohrgestänge, welche durch die Optimierung reduziert werden konnte.

During oil production, particles from rock layers are present in the pumped medium. These particles can damage the deep pumps used and their pistons and valves. Therefore, a concept for particle separation in the form of a cyclone separator was to be developed over a longer period of time. For this purpose, an analytical design was carried out by Rippl [25] at the TU Wien. This concept was taken up at the University of Leoben by Hartl [11] and further improved on the basis of laboratory tests. Based on the analytical design and the practical tests, however,no statements could be made about the flow. For this reason, a numerical flow simulation of the improved concept from the laboratory tests was carried out in this work. For this purpose, the geometry was discretized and a mesh independence study was performed. Through the simulation, conclusions could be drawn about the mode of action and subsequently a detachment at the hub and an oscillation of a vortex structure in the pipe linkage were detected. In order to validate the calculations, the test rig was slightly adapted in cooperation with the University of Leoben and pressure values were recorded at several points during operation, which were compared with the simulation results. The validation showed a sufficiently accurate model, which could now be used for optimization. For the optimization, the hub of the separator was expanded to a cylindrical shape and a pipe connection that was unfavorable in terms of flow was moved further away from the separator. This improved the flow pattern at the hub and no detachment was detected in the simulation of the optimized geometry. Before the optimization, the pipe connection resulted in a vibration of the twisted vortex structure in the pipe linkage, which could be reduced by the optimization.