【正文】 對(duì)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(gè)最優(yōu)流量，它的粒子分離效率在一個(gè)廣泛的顆粒尺寸范圍達(dá)到它的更大值。最后，在預(yù)測(cè)分離效率的情況下，伴隨著大的計(jì)算成本，關(guān)于LES模型的事實(shí)是其并不特別優(yōu)于RSM模型 ，所以，使用RSM模型來(lái)研究分離過(guò)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(cè)的流速剖面精度比RSM模型好，這些區(qū)域在分離過(guò)程可能不太有效。這種方法是最常用的評(píng)估水力旋流器的效率的辦法，本文中用它來(lái)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較粒度分級(jí)。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(gè)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(cè)都不盡人意。圖8顯示三個(gè)模型的預(yù)測(cè)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(cuò)的選擇），這用于非常流行的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)特性預(yù)測(cè)。這些研究中大多數(shù)都只針對(duì)模擬水力旋流器中的水流，極少有人嘗試過(guò)預(yù)測(cè)分散相在分離器中的體積分?jǐn)?shù)分布。Kelsall[2]報(bào)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(cè)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?？偨Y(jié)全文，主要有以下內(nèi)容:理論分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器分離機(jī)理；分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運(yùn)動(dòng)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(duì)動(dòng)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?yàn)榇颂幨鞘辙D(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(gè)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(jì)及這些影響，可對(duì)當(dāng)量動(dòng)載荷乘上一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而定的載荷系，故實(shí)際計(jì)算時(shí)，軸承的當(dāng)量動(dòng)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(duì)3號(hào)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(jì)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(jì)，因此選用深溝球軸承。 鍵的選擇及鍵連接強(qiáng)度校核平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，對(duì)于采用常見(jiàn)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(zhǎng)度質(zhì)量，kg/m。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)傳動(dòng)比i=1，因此帶輪包角=180176。 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算 一級(jí)傳動(dòng)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算（1）確定計(jì)算功率計(jì)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(jì)算功率，kW；——工作情況系數(shù)，；——所需傳遞的額定功率，kW。其中，對(duì)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(lái)增加了液流的動(dòng)能，也就相當(dāng)于，在旋流器已經(jīng)工作的時(shí)候，傳遞給單旋體的能量主要用于液流動(dòng)能的增加。圖36 不同溢流嘴位置對(duì)分離效率的影響 收油錐的設(shè)計(jì)動(dòng)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(wú)收油錐兩種。排油口與排水口橫截面面積關(guān)系的設(shè)計(jì)對(duì)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(jì) 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(jì)辦法[18,19]。表34 旋轉(zhuǎn)柵長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響柵片長(zhǎng)度/mm分離效率%柵片長(zhǎng)度/mm分離效率%100959085 溢流嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)選 溢流嘴內(nèi)表面設(shè)計(jì)首先建立收油結(jié)構(gòu)的直圓管模型，該結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)單，其入口在流體力學(xué)中稱為Borda孔。 旋轉(zhuǎn)柵葉片長(zhǎng)度確定旋轉(zhuǎn)柵的作用在于造旋，即使直線流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的液體。三葉片旋轉(zhuǎn)柵，見(jiàn)圖31，流量Q，液體流過(guò)旋轉(zhuǎn)柵的時(shí)間t，過(guò)流面積A。若旋轉(zhuǎn)柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)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(shí)，液滴的存留時(shí)間由L確定。轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度增加，混合液在轉(zhuǎn)筒內(nèi)存留的時(shí)間增加，使油滴有充分的分離時(shí)間，分離效果較好；但若轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，則導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大，振動(dòng)加強(qiáng)，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(jì)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(shí)，液滴剪切乳化程度增加，使分離效率下降；高流量時(shí)，液體在旋流腔速度加快，停留時(shí)間變短，不利于分離，而使分離效率下降。對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的水力旋流器，其處理量是有限的，過(guò)高的處理量將會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓力損失，同時(shí)也使液體進(jìn)入旋流器的速度過(guò)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(shí)，分離效率逐漸升高。當(dāng)軸向速度較小時(shí)有可能出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[14]。其原因一方面在于動(dòng)態(tài)水力旋流器具有較強(qiáng)的離心力場(chǎng)。圖24 靜態(tài)水力旋流器與動(dòng)態(tài)水力旋流器切向速度場(chǎng)的比較通過(guò)激光流速計(jì)的測(cè)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(chǎng)來(lái)看?？烧J(rèn)為油水在該裝置內(nèi)的軸向流動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的偏心力，并引起激烈的振動(dòng)，將嚴(yán)重影響油滴向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移，使油核發(fā)生較大的變形，甚至無(wú)法產(chǎn)生油核。1入液腔,2機(jī)械密封組件,3軸承,4傳動(dòng)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(jī)圖21 水力旋流器結(jié)構(gòu)示意圖圖22 水力旋流器實(shí)物照片從動(dòng)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(zhǎng)長(zhǎng)的尾管。（4）對(duì)動(dòng)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(duì)溢流嘴的外輪廓進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)部分單位的實(shí)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(guó)內(nèi)油田實(shí)際工況等缺點(diǎn)，因此，國(guó)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(guó)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(chǎng)結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬，旋轉(zhuǎn)流浮選分離與分級(jí)過(guò)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(guó)內(nèi)外研究概況旋轉(zhuǎn)流分離是離心力場(chǎng)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(shí)減少了運(yùn)行費(fèi)用。也可用于稀土元素和裂變物質(zhì)的分離等方面。盡管動(dòng)態(tài)水力旋流器在試驗(yàn)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(wú)旋轉(zhuǎn)部件可以分為旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備和機(jī)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(shí)現(xiàn)原油旋流脫水凈化較有可能的技術(shù)方案是采用動(dòng)態(tài)旋流分離技術(shù)。現(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(lái)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(diǎn)針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)動(dòng)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(kāi)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(shí)也吸引了越來(lái)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(guó)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(guó)。 本文研究的主要內(nèi)容（1）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離機(jī)理的理論分析；分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器的工作原理，分析了動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)液滴的受力及運(yùn)動(dòng)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(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器分離性能的影響。主要結(jié)構(gòu)有傳動(dòng)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(dòng)態(tài)水力旋流器轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)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(jì)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。混合液流在轉(zhuǎn)動(dòng)外殼的帶動(dòng)下，產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(gè)渦速度場(chǎng)分布，重質(zhì)水相受離心力作用運(yùn)移到邊壁處[23]，同時(shí)在軸向力的作用下由底流出口排出，油滴則向中心運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的油核，最終經(jīng)溢流嘴及收油桿組件排出，最終實(shí)現(xiàn)油水分離，如示意圖23[11]。動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部?jī)H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(dòng)態(tài)水力旋流器的最大切向速度峰值更高。圖27 靜、動(dòng)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(dòng)液流旋轉(zhuǎn)，建立所需要的離，心力場(chǎng)，其壓力損失相對(duì)較大，；~，其壓力損失相對(duì)較小。所以動(dòng)態(tài)水力旋流器對(duì)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(guò)高時(shí)，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)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(huì)影響動(dòng)態(tài)旋流器處理量[16]。若L過(guò)長(zhǎng)，則勢(shì)必導(dǎo)致動(dòng)力損耗加大、振動(dòng)加強(qiáng)，反而影響分離效果。表32 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)徑比對(duì)分離效率的影響名稱轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L（m）轉(zhuǎn)筒內(nèi)經(jīng)D（mm）長(zhǎng)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(jì) 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(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)生的旋流強(qiáng)度未必滿足分離的要求。在轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m的條件下，采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對(duì)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(shí)，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(shí)，收縮現(xiàn)象基本消除，流道暢通，有利于減小尺寸。實(shí)踐表明，其加工方便、經(jīng)濟(jì)合算，室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)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(huì)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(duì)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(shuō)明改變溢流嘴位置的布置對(duì)分離效率也有一定的影響。本文設(shè)計(jì)的旋流器油錐錐角選取9176。而在水力旋流器剛開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，需要很大的功率才能將其帶動(dòng)起來(lái)，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(dòng)軸承處的摩擦。則：kW （317）kW （318）kW （319）式中：——V帶傳動(dòng)效率，~，； ——第三、第二、第一級(jí)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(dòng)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(duì)應(yīng)的帶長(zhǎng)，mm； 1348mm 實(shí)際中心距a有： （323）根據(jù)計(jì)算帶長(zhǎng)，由[21]中普通V帶表，選擇V帶B型帶標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)長(zhǎng)度mm。由mm和n=1460r/min，通過(guò)查表可得，=。二級(jí)傳動(dòng)的最小初拉力：N （328）三級(jí)傳動(dòng)帶的根數(shù)： （329）取1根。V帶輪的輪槽與所選的V帶型號(hào)相對(duì)應(yīng)，查資料[20]見(jiàn)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