【正文】 對于以上的討論，可以認(rèn)為優(yōu)化水力旋流器的性能， 可以找到一個最優(yōu)流量，它的粒子分離效率在一個廣泛的顆粒尺寸范圍達(dá)到它的更大值。最后，在預(yù)測分離效率的情況下，伴隨著大的計算成本，關(guān)于LES模型的事實是其并不特別優(yōu)于RSM模型 ，所以，使用RSM模型來研究分離過程的有效參數(shù)是明智的。第一，只有在錐體較低的小區(qū)域LES模型預(yù)測的流速剖面精度比RSM模型好，這些區(qū)域在分離過程可能不太有效。這種方法是最常用的評估水力旋流器的效率的辦法，本文中用它來與實驗數(shù)據(jù)比較粒度分級。由于粒子在進(jìn)口表面的不同位置，尺寸相同的粒子有不同的特征以及不同的輸出。記下出口液流中的每個粒子，旋流器的分離特性就決定了。在距離頂部175毫米的平面，LES和RSM模型的預(yù)測都不盡人意。圖8顯示三個模型的預(yù)測空心的形狀。在LES模型中，提供和RNG kε和RSM相同的網(wǎng)方案和操作條件。使用一種四階RungeKutta方案差分離散相配方得到微分方程組的數(shù)值解。方案采用的壓力插值很快（壓力交錯的選擇），這用于非常流行的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動特性預(yù)測。這些研究中大多數(shù)都只針對模擬水力旋流器中的水流，極少有人嘗試過預(yù)測分散相在分離器中的體積分?jǐn)?shù)分布。Kelsall[2]報道了水力旋流器內(nèi)的流態(tài)和流速剖面。水力旋流器中的旋流性能卻很復(fù)雜。結(jié)果顯示，與預(yù)測大小分類大致相似的雷諾應(yīng)力模型和萊斯響應(yīng)的方法。 Facilities,1993,5:8490.致謝本文是在導(dǎo)師楊建軍老師的精心指導(dǎo)下完成的。總結(jié)全文，主要有以下內(nèi)容:理論分析了動態(tài)水力旋流器分離機理；分析了動態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運動行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對動態(tài)水力旋流器分離性能影響很大。根據(jù)密封油介質(zhì)，此處O形密封圈材料選擇丁腈橡膠[22]。因為此處是收轉(zhuǎn)矩的螺栓組連接，根據(jù)作用在筒壁上的力矩平衡及連接條件[20]，應(yīng)有 （341）式中：——結(jié)合面的摩擦系數(shù)； ——第i個螺栓的軸線到螺栓組中心的距離，m； ——防滑系數(shù)，=~； T——轉(zhuǎn)矩，N為了計及這些影響，可對當(dāng)量動載荷乘上一個根據(jù)經(jīng)驗而定的載荷系，故實際計算時，軸承的當(dāng)量動載荷應(yīng)為：N （340）式中：——載荷系數(shù)。帶入式（333），有：kg 因此，總質(zhì)量kg，則軸承所受的總重力為：N （335）對3號單旋體受力如圖313所示，左右軸承豎直方向受力、有: （336）式中：、——分別為作用力之間的距離，m。 軸承的選擇及壽命校核本文設(shè)計的水力旋流器的轉(zhuǎn)筒做高速旋轉(zhuǎn)，故宜選擇球軸承，另外轉(zhuǎn)筒主要受軸向力，軸向力微乎其微，可以忽略不計，因此選用深溝球軸承。 鍵的選擇及鍵連接強度校核平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時，對于采用常見的材料組合和按標(biāo)準(zhǔn)選取尺寸的普通平鍵連接，其主要失效形式是工作面被壓潰。V帶輪的結(jié)構(gòu)形式與基準(zhǔn)直徑有關(guān)。（6）確定帶的初拉力 （326）式中：q——帶的單位長度質(zhì)量，kg/m。因為本文設(shè)計V帶傳動傳動比i=1，因此帶輪包角=180176。 V帶傳動設(shè)計及計算 一級傳動V帶傳動設(shè)計及計算（1）確定計算功率計算功率是根據(jù)傳遞的功率P和帶的工作條件而確定的[20] （320）式中：——計算功率，kW；——工作情況系數(shù)，；——所需傳遞的額定功率，kW。其中，對于單旋體部分轉(zhuǎn)筒的質(zhì)量，有 （315）式中：——鑄鐵的密度，取8000； V——轉(zhuǎn)筒體的體積，m3。旋轉(zhuǎn)柵做功來增加了液流的動能，也就相當(dāng)于，在旋流器已經(jīng)工作的時候，傳遞給單旋體的能量主要用于液流動能的增加。圖36 不同溢流嘴位置對分離效率的影響 收油錐的設(shè)計動態(tài)水力旋流器排水端收油套結(jié)構(gòu)形式為有收油錐和無收油錐兩種。排油口與排水口橫截面面積關(guān)系的設(shè)計對分離特性有很重要的影響。此曲線為外橢錐體壁面。圖32 溢流嘴內(nèi)表面形狀示意圖 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)設(shè)計 研究發(fā)現(xiàn)，其外表面同樣有收縮現(xiàn)象，下面介紹解決的設(shè)計辦法[18,19]。表34 旋轉(zhuǎn)柵長度對分離效率的影響柵片長度/mm分離效率%柵片長度/mm分離效率%100959085 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)選 溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計首先建立收油結(jié)構(gòu)的直圓管模型，該結(jié)構(gòu)模型簡單，其入口在流體力學(xué)中稱為Borda孔。 旋轉(zhuǎn)柵葉片長度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動的液體。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見圖31，流量Q，液體流過旋轉(zhuǎn)柵的時間t，過流面積A。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會造成油水混合液中油滴的嚴(yán)重乳化，進(jìn)而降低分離效率。額定處理量確定時，液滴的存留時間由L確定。轉(zhuǎn)筒長度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時間增加，使油滴有充分的分離時間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長度過長，則導(dǎo)致動力損耗加大，振動加強，反而影響分離效果[16]。圖212 分流比與分離效率關(guān)系曲線本文設(shè)計的水力旋流器的物性參數(shù)和操作參數(shù)：介質(zhì)溫度為50℃，處理量為12，分流比為10%，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速1460r/min。高轉(zhuǎn)速時，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時，液體在旋流腔速度加快，停留時間變短，不利于分離，而使分離效率下降。對于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過高的處理量將會產(chǎn)生過大的壓力損失，同時也使液體進(jìn)入旋流器的速度過高，有可能使液滴破碎，不利十分離。圖29 溫度與分離效率關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)溫度在20~70℃時，分離效率逐漸升高。當(dāng)軸向速度較小時有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[14]。其原因一方面在于動態(tài)水力旋流器具有較強的離心力場。圖24 靜態(tài)水力旋流器與動態(tài)水力旋流器切向速度場的比較通過激光流速計的測繪．還可得到兩種旋流器中離心加速度的分布情況。從內(nèi)部流場來看?？烧J(rèn)為油水在該裝置內(nèi)的軸向流動是近似平行[12]。單旋體高速度旋轉(zhuǎn)，其軸向尺寸較大，因此保證旋體各段內(nèi)、外旋轉(zhuǎn)表面的同軸度極為關(guān)鍵。若轉(zhuǎn)筒各段同軸度精度不高則高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動，將嚴(yán)重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無法產(chǎn)生油核。1入液腔,2機械密封組件,3軸承,4傳動輪,5旋轉(zhuǎn)柵,6轉(zhuǎn)筒,7溢流嘴,8溢流腔,9底流腔,10底座,11帶輪和V帶12支架,13電機圖21 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖圖22 水力旋流器實物照片從動態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)看，它不像靜態(tài)水力旋流器有較復(fù)雜的切向入口、圓柱段旋流腔、大小錐段及長長的尾管。（4）對動態(tài)水力旋流器的溢流嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最優(yōu)的有效直徑，并對溢流嘴的外輪廓進(jìn)行優(yōu)化。國內(nèi)部分單位的實際應(yīng)用表明，引進(jìn)的技術(shù)存在成本高而且不能很好適應(yīng)國內(nèi)油田實際工況等缺點，因此，國內(nèi)必須走借鑒、研發(fā)與應(yīng)用相結(jié)合的資助研究的道路。國內(nèi)四川大學(xué)的陳文梅、褚良銀等教授在旋流器的湍流流場結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬，旋轉(zhuǎn)流浮選分離與分級過程行為與特性等方面進(jìn)行了深入的研究。 課題研究現(xiàn)狀（1）旋流分離技術(shù)的國內(nèi)外研究概況旋轉(zhuǎn)流分離是離心力場在分離科技方面的重要應(yīng)用之一。減少外輸液量，節(jié)約水資源，同時減少了運行費用。也可用于稀土元素和裂變物質(zhì)的分離等方面。盡管動態(tài)水力旋流器在試驗研究階段已顯示出優(yōu)越的分離性能。離心分離設(shè)備按有無旋轉(zhuǎn)部件可以分為旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備和機身旋轉(zhuǎn)的離心分離設(shè)備。兩者綜合作用的結(jié)果極大地制約了靜態(tài)旋流分離技術(shù)在原油脫水凈化方面的應(yīng)用，故實現(xiàn)原油旋流脫水凈化較有可能的技術(shù)方案是采用動態(tài)旋流分離技術(shù)?，F(xiàn)在，水力旋流器在許多領(lǐng)域己成為重要的高效分離設(shè)備。中轉(zhuǎn)站來液經(jīng)水力旋流器預(yù)分離處理后，油直接送至電脫水器，水直接送至污水處理站。本文重點針對上述問題進(jìn)行研究，對動態(tài)水力旋流器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從20世紀(jì)50年代開始，旋流分離技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域以及規(guī)模均得到了迅速的發(fā)展，同時也吸引了越來越多的科學(xué)工作者致力于旋流分離技術(shù)的理論分析和應(yīng)用研究。在國內(nèi)，液液旋流分離技術(shù)在上世紀(jì)90年代初期才引入我國。 本文研究的主要內(nèi)容（1）對動態(tài)水力旋流器分離機理的理論分析；分析了動態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運動行為，以及操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和介質(zhì)物性參數(shù)等因素對動態(tài)水力旋流器分離性能的影響。主要結(jié)構(gòu)有傳動輪、轉(zhuǎn)筒、旋轉(zhuǎn)柵、收油桿、溢流嘴及其調(diào)節(jié)組件等構(gòu)成。動態(tài)水力旋流器轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時在旋流腔內(nèi)形成使液體離心分離的渦流。這需要改善傳動結(jié)構(gòu)[8]，提高制造精度及改進(jìn)底座形式，合理選用材質(zhì)，盡量避免在有效分離的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生與地基共振的現(xiàn)象；需要調(diào)整部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，如溢流嘴的優(yōu)化設(shè)計及其位置的合理布置，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)等?；旌弦毫髟谵D(zhuǎn)動外殼的帶動下，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運動，邊壁的液流與轉(zhuǎn)筒殼體內(nèi)壁間的摩擦阻力作用產(chǎn)生一個渦速度場分布，重質(zhì)水相受離心力作用運移到邊壁處[23]，同時在軸向力的作用下由底流出口排出，油滴則向中心運動，形成一個相對穩(wěn)定的油核，最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出，最終實現(xiàn)油水分離，如示意圖23[11]。動態(tài)水力旋流器內(nèi)部僅在入口錐及筒壁附近由于摩擦可能引起些紊流外。其不同在于動態(tài)水力旋流器的最大切向速度峰值更高。圖27 靜、動態(tài)水力旋流器的水中除油性能比較 操作性能比較（1）入口壓力~，以便驅(qū)動液流旋轉(zhuǎn)，建立所需要的離，心力場，其壓力損失相對較大，；~，其壓力損失相對較小。所以動態(tài)水力旋流器對分流比不敏感，故可在較小的分流比下進(jìn)行操作。 主要物性參數(shù)和操作參數(shù) 原油含水率查閱資料得到的原油含水率與分離效率之間的關(guān)系如圖28。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，旋轉(zhuǎn)柵對分散相油滴乳化程度加大而難以分離，使分離效率下降。 （21）式中：——溢流出口流量（即溢流量）；——底流出口流量（即底流量）。分流比大小的確定與人口含油（含水）百分比有關(guān)。D和L均會影響動態(tài)旋流器處理量[16]。若L過長，則勢必導(dǎo)致動力損耗加大、振動加強，反而影響分離效果。表32 轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長徑比K平均分離效率G（%）H1H2H3H4H550909095140201317214 旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)設(shè)計 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)確定旋轉(zhuǎn)柵位于轉(zhuǎn)筒入口端，若單靠轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁與液流間的摩擦使液流作高速旋轉(zhuǎn)運動，則產(chǎn)生的旋流強度未必滿足分離的要求。在轉(zhuǎn)筒長度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對分離效率的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著葉片數(shù)的增加，分離效率先升高后降低；當(dāng)葉片數(shù)為3時，分離效率最高，如表33所示[17]。帶入式（34），得： =4452 而，旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積=== 4416 （35）式中：——旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積。其中：= （37）s （38） 將和t帶入式（36）中，可得mm 由此可得。時，收縮現(xiàn)象基本消除，流道暢通，有利于減小尺寸。實踐表明，其加工方便、經(jīng)濟(jì)合算，室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應(yīng)用效果很好[16]。排油口直徑大小不僅與入液含油濃度有關(guān)，而且會直接影響處理后油中含水或水中含油的分離指標(biāo)。圖35 不同溢流嘴直徑對分離效率的影響 溢流嘴位置圖36中溢流嘴直徑為6mm，其操作條件及參數(shù)同圖35，溢流嘴伸入到轉(zhuǎn)筒內(nèi)的位置選取收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)，獲得的分離效率關(guān)系為，這說明改變溢流嘴位置的布置對分離效率也有一定的影響。本文設(shè)計的旋流器油錐錐角選取9176。而在水力旋流器剛開始啟動的時候，需要很大的功率才能將其帶動起來，這部分主要靠帶輪傳遞的轉(zhuǎn)矩克服旋流體在摩擦副的摩擦阻力矩，主要是在滾動軸承處的摩擦。則：kW （317）kW （318）kW （319）式中：——V帶傳動效率，~，； ——第三、第二、第一級V帶需要傳遞的功率。根據(jù)水力旋流器整體結(jié)構(gòu)，以及V帶傳動的總體尺寸的限制條件，初選中心距mm；則有： （322）式中：——初選中心距所對應(yīng)的帶長，mm； 1348mm 實際中心距a有： （323）根據(jù)計算帶長，由[21]中普通V帶表，選擇V帶B型帶標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)長度mm。由mm和n=1460r/min，通過查表可得，=。二級傳動的最小初拉力：N （328）三級傳動帶的根數(shù)： （329）取1根。V帶輪的輪槽與所選的V帶型號相對應(yīng)，查資料[20]見輪槽截面尺寸。m N而其所受負(fù)載的重力包括轉(zhuǎn)筒的自重和轉(zhuǎn)筒中液流