轴流导叶式旋流分离器研究进展

旋流分离器主要是充分利用相关的分离理论，在此基础上设计出来的一种分离器，其在石油、煤炭工业中得到了非常广泛的应用。旋流分离器相关理论以及实验研究在上世纪60年代就已经开始，多相流体在进入旋流分离器之后，由于密度和质量上存在差异，它们实际受到的离心力作用也存在一定的差异，一些密度比较小的流体实际受到的离心力相对较小，因此会大量聚集在分离器的轴心位置，而一些密度比较大的流体实际受到的离心力作用较大，会逐渐在分离机的内壁上进行运移，但在此基础上就能够实现混合介质的有效分离。

1 轴流导叶式旋流分离器结构设计

在针对Thew型液-液水力旋流器的入口形式进行一系列改进之后，并在其中加入导向叶片就形成了轴流导叶式旋流分离器，在整个轴流导叶式旋流分离器中入口、导向叶片、溢流管、筒体结构等几个组成部分都在一定程度上能够对油分离器实际的分离性能造成一定的影响[1]。

1.1 筒体结构

轴流导叶式旋流分离器通常情况下具有三锥形、双锥形以及柱型等三种筒体结构。在针对三种筒体结构进行数值模拟后可以发现，在保持工况相同的条件下，锥形结构能够使分离器内部产生的湍流运动进一步减弱，这样就能够有效避免分离器在运动过程中造成油滴遭到剪切破碎。而在针对轴流式气液旋流分离器管柱式筒体结构以及管锥是筒体结构进行对比分析的过程中发现，在保证流速相同的情况下，管柱式旋流分离器实际产生的压力损失要远远超过管锥式；但是在流速较高的工况下，管柱式旋流分离器实际的分离效果要比管锥式旋流分离器高很多；但是在流速相对比较低的情况下，管锥式旋流分离器实际的分离效果要比管柱式旋流分离器高。

1.2 导向叶片

在轴流导叶式旋流分离器中导向叶片的主要作用是造旋，而且其实际造旋能力与分离器内部流场的分布情况以及流场实际的强弱程度存在紧密的联系，对整个分离器实际分离效果起到了决定性的作用。目前在轴流导叶式旋流分离器设计制造过程中应用最广泛的导向叶片主要有螺旋叶片、直板叶片、弧形叶片等3种。在20世纪90年代，目前在进行井下油气分离的过程中运用了一种螺旋片导流式气液旋流分离器，那分离器主要是通过折转分离、撞击分离等几种方式来实现油气分离。随后人们在针对螺旋导流式分离器进行改进的过程中，通过对其螺旋片的个数以及实际逻辑对压力损失产生的影响进行分析后，进一步修正的达西公式，在此基础上，使得螺旋片导流式分离器验证计算的准确性以及可行性进一步提升。

1.3 溢流管结构

溢流管主要的作用是在其周围形成短路流，这样进入旋流分离器内部的颗粒就会在短路流的作用下从溢流管中溢出，如此就会导致轴流导叶式旋流分离器实际分离效果下降。针对这种情况，深入研究溢流管结构对于有效提升旋流分离器分离性能具有非常重要的现实意义。人们在针对溢流管结构对压降影响进行分析的过程中发现，溢流管与分离器内壁之间的间隙会对压将产生巨大的影响。随后，针对不稳定运行工况，设计出了一种伞状开孔排气管结构，使得其应用范围更加广。而喇叭口结构排气管能够实现对溢流管短路流的有效控制，也能够有效降低溢流管的压降，如此就能有效提升旋流分离器的分离效果。

2 数值模拟研究

目前对流体运动规律最先进的计算方式是计算流体力学理论，其主要采取的是数值计算方法，通过对流体运动控制方程组的精确求解，就能够准确的判断出流血的运动规律。旋流分离器具有非常复杂的内部全流程，如果使用实验方法进行研究不仅会导致整个研究周期延长，而且实际的研究成本也比较高，在整个实验研究过程中也不能有效排除其他因素的影响，因此，针对旋流分离器内部流场以及压力场进行研究的过程中数值模拟就成为了一种非常重要的方法。

它针对多项流进行分析的时候主要的分析方法有欧拉-拉格朗日法以及欧拉-欧拉法两种。在针对轴流式旋流分离器内部流场运动情况进行研究的时候通常情况下都会采取拉格朗日法-离散相模型以及欧拉法-雷诺应力团流模型等两种多相流模型。如果实际研究的多相流体其实际体积分数不超过10%则可以采取拉格朗日法-离散相模型来进行研究，在整个研究过程中将此项多相流体的次相作为离散相，这样就能够针对分离器内部颗粒的实际运动轨迹进行有效模拟。通过模拟可以发现，在旋流分离器内部油滴主要的运动轨迹有以下3种情况：一是在短路流的作用下，油滴直接通过溢流管排出；二是在进入锥段后，在内旋流的作用下随着流体进入溢流管，最终排除；三是油滴受到离心力作用的影响，进入到外旋流中，最后从旋流分离器的底部出口溢出[2]。

3 实验研究

虽然在针对轴流式旋流分离器进行研究的过程中数值模拟法是主要的分析手段，但是通过数值模拟法分析出来的结果与旋流分离器内部流体真实运动情况存在一定差异，因此还必须要通过相关的实验数据来进行验证。由此可见，针对轴流式旋流分离器进行研究的过程中必须要建立在实验研究的基础上。

在实际中对轴流导叶式旋流分离器内部高速流程进行研究的过程中，多数情况下都会应用多普勒激光测速仪。人们在利用多普勒测速仪针对都是气液旋流分离器内部气相时均流场进行研究的过程中发现，旋流分离器内部气相速度场主要是有内侧准强制涡以及外侧自由涡共同组成，而气相的照相速度主要是由上行流以及下行流工作，而两者之间的接触面为零轴方向的包络面上，靠近轴心位置会产生最大的轴向速度。

4 结语

（1）要不断加强轴流导叶式旋流分离器相关理论的研究，其中必须要针对旋流分离器内部旋流实际的流动机理、颗粒碰撞以及扩散机理进行深入研究，它能够为后续开展的数值模拟研究以及实验研究提供科学的理论依据。

（2）目前，在针对轴流导叶式旋流分离器内部流程进行研究的过程中，多数情况下都会应用数值模拟方法，但是由于多相流体本身具有非常复杂的物性，而且其内部颗粒的分布情况也非常复杂，利用数值模拟方法获取的结果通常情况下都会以实际情况产生一定偏差，因此针对轴流导叶式旋流分离器进行数值模拟研究的过程中，必须要同时开展实验研究，在此基础上建立起的数学模型才能够将旋流分离器内部流场具体情况进行真实反映。要充分利用多孔探针以及激光多普勒仪等多种方法不断强化轴流导叶式旋流分离器内部颗粒运动轨迹以及内部流场具体细节的研究，并将旋流分离器溢流管内部产生的短路流以及内外旋流等不同复杂的流体运动情况作为研究重点，并采用有效的处理手段，这样才能够进一步提升流体运动状态分析的准确性。