【正文】 的重力。圖312 5臺(tái)單旋體轉(zhuǎn)筒所受帶的拉力示意圖圖313 3號(hào)單旋體轉(zhuǎn)筒受力圖顯而易見，右側(cè)軸承所受徑向力大于左側(cè)軸承，所受徑向力,有： （338）N 對(duì)于只承受純徑向載荷的軸承，可得當(dāng)量動(dòng)載荷P計(jì)算式[20]： （339）所以有，N。作為普通螺栓連接，螺栓還受到橫向載荷，由于預(yù)緊力作用，將在接合面間產(chǎn)生摩擦力來(lái)抵抗工作載荷。其中，危險(xiǎn)截面面積可從設(shè)計(jì)手冊(cè)中查表[22]直接得到，則MPa ，安全系數(shù)S查表取S=5，則有 （344）MPa 顯然，＜，說(shuō)明螺栓的抗拉強(qiáng)度安全。圖314 單彈簧式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖 部分結(jié)構(gòu)說(shuō)明對(duì)于本文設(shè)計(jì)的水力旋流器，要求轉(zhuǎn)筒有較好的同軸度要求，并且收油桿要保證在轉(zhuǎn)筒中心，所以本結(jié)構(gòu)要采用結(jié)構(gòu)來(lái)保證同軸度。對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的支架、固定筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到最佳的裝配精度。三種模式的湍流，RNG kε模型、雷諾應(yīng)力模型和用多相模型的流體模型體積（VOF）來(lái)比較模擬空氣中心的大渦模擬，以預(yù)測(cè)軸向和切向速度的分布。這個(gè)流行的原因在于設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)單，具有產(chǎn)量高、低維護(hù)和操作成本。圖1 傳統(tǒng)水力旋流器的原理圖第一個(gè)水力旋流器專利是Bretney[1]發(fā)表的。這歸功于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和對(duì)湍流的數(shù)值處理的更好了解。2 模型描述 描述及水力旋流器的幾何仿真Hsieh[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是驗(yàn)證速度分布、確認(rèn)和研究分離效果和研究主體尺寸的基礎(chǔ)情況。）下溢口直徑（mm）進(jìn)流比（kg/s）75752550252020實(shí)現(xiàn)旋流器中的粒子分離，采用離散相模型（DPM）技術(shù)。配水的研究表明，更高的網(wǎng)格密度會(huì)得到更好的預(yù)測(cè)。選擇這些位置給出概括性描述的預(yù)測(cè)。圖5 在60mm處截面預(yù)測(cè)切向速度剖面與實(shí)驗(yàn)值的比較圖6 在120mm處截面預(yù)測(cè)切向速度剖面與實(shí)驗(yàn)值的比較圖7 在175mm處截面預(yù)測(cè)切向速度剖面與實(shí)驗(yàn)值的比較圖8 預(yù)測(cè)空芯的形狀，a是在RNG kε湍流模型（a=），b是在RSM湍流模型（a=），c是在LES湍流模型（a=）LES計(jì)算追蹤的軸向和切向速度比其他兩個(gè)湍流模型更加接近（真實(shí)值）。由于出口接觸空氣，壓降就等于進(jìn)口壓力。由于進(jìn)給液中固體顆粒的體積百分比少于5%，固相、水相沒有必要?jiǎng)恿狂詈?。每一次運(yùn)轉(zhuǎn)被重復(fù)5次，提取平均值。LES和RSM模型的預(yù)測(cè)尺寸分級(jí)的對(duì)比表明兩種方法預(yù)測(cè)尺寸分級(jí)幾乎相同。所以，來(lái)自連續(xù)和離散相模擬的分離效率的結(jié)果表明沒有提高精度。因此，不能將出現(xiàn)粒子分離。數(shù)值模擬驗(yàn)證了以前的部分。這是由于下溢噴嘴在高進(jìn)口流量下抖動(dòng)。假如忽視渦流在顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的直接影響并用隨機(jī)模型替換，LES模型的基本優(yōu)勢(shì)就會(huì)被忽略了。這是由于RNGkε模型沒有考慮空芯。因此，我們認(rèn)為1500個(gè)粒子的數(shù)目等于網(wǎng)格數(shù)。這些數(shù)據(jù)隨后被用于產(chǎn)生旋流器分配曲線。表2顯示了實(shí)驗(yàn)的壓降值與三個(gè)模型預(yù)測(cè)數(shù)值的比較。在以上討論基礎(chǔ)上，RNGkε模型分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不相吻合。在實(shí)驗(yàn)[14]中，測(cè)量了在不同的位置的速度分布圖。因此，在目前的研究中，使用上述方法執(zhí)行粒子跟蹤。簡(jiǎn)單的算法用于耦合的連續(xù)性和動(dòng)量方程。根據(jù)仿真，對(duì)溢底直徑和錐角對(duì)分離性能和壓降的影響進(jìn)行了研究。在一個(gè)廣泛的設(shè)計(jì)和操作條件下，CFD提供了一種速度剖面預(yù)測(cè)。此外，模型試驗(yàn)會(huì)消耗太多的時(shí)間，需要很大代價(jià)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，不同大小和長(zhǎng)度的旋流器中旋流場(chǎng)不同，并有不同的處理量。在此謹(jǐn)向他表示深深的敬意，并對(duì)他為學(xué)生所付出的大量心血表示衷心地感謝。結(jié)構(gòu)優(yōu)化了動(dòng)態(tài)水力旋流器的溢流嘴，選取最優(yōu)的有效直徑為10mm，并優(yōu)化溢流嘴的外輪廓，采用外橢錐體壁面。機(jī)械密封有多種結(jié)構(gòu)形式，本文采用單彈簧式機(jī)械密封，如圖314。m 其中，一臺(tái)單旋體所需要的功率，由前面公式計(jì)算知道kW,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速n=1460r/min，將其帶入（341）變形式，有N （342）取預(yù)緊力N。由式（342），計(jì)算可得h 按照每天工作24小時(shí)，每年300工作日，可得，年，完全能夠滿足使用。 （337）式中：——左側(cè)軸承水平方向所受的徑向載荷，N；——右側(cè)軸承水平方向所受的徑向載荷，N。帶的初拉力作用在各個(gè)轉(zhuǎn)筒的方向，如圖312所示，可以很明顯發(fā)現(xiàn)，3號(hào)單旋體的轉(zhuǎn)筒受帶的初拉力最大。假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，普通平鍵連接的強(qiáng)度條件[20]： （331）式中：T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，N/m； k——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=，此處h為鍵的高度，mm； l——鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=Lb；b為鍵的寬度，mm； d——軸的直徑，mm； ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的擠壓應(yīng)力，MPa；其中：對(duì)于轉(zhuǎn)矩計(jì)算有 （332）式中：P——傳遞的功率，kW；N——轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)速，r/min。對(duì)于，基準(zhǔn)直徑=200mm，小于300mm，配合轉(zhuǎn)筒的軸徑為140mm，顯然=200≤=350mm，因此，采用實(shí)心式，如圖311。 二級(jí)和三級(jí)傳動(dòng)V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)及計(jì)算為方便加工及良好互換性，二級(jí)和三級(jí)傳動(dòng)也采用B型V帶，傳動(dòng)比i=1，故而二級(jí)和三級(jí)帶輪的基準(zhǔn)直徑也均相同，mm；中心距也與一級(jí)傳動(dòng)相同，mm；帶長(zhǎng)mm。（5）確定帶的根數(shù) （325）式中：——包角修正系數(shù)； ——V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系數(shù)； ——單根普通V帶額定功率的增量，kW。顯然，以上選取符合設(shè)計(jì)要求。此時(shí)。則： （310）式中：Q—— 處理量，kg/s；D—— 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑，m；d—— 旋轉(zhuǎn)柵中心孔徑，m；r—— 選取質(zhì)點(diǎn)距中心的距離，m；—— 轉(zhuǎn)筒角速度，rad/s；—— 液流在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵時(shí)的初速度，m/s；其中，Q=12 =kg/s=（311） rad/s （312）將Q和等各個(gè)參數(shù)帶入式（110），則： == 84W 考慮到液流離開旋轉(zhuǎn)柵，在轉(zhuǎn)筒后段液流微觀分子間的相互作用，外在表現(xiàn)為內(nèi)部摩擦而會(huì)使切向速度有所減小，因此應(yīng)適當(dāng)放大旋轉(zhuǎn)柵的功率。為使旋流腔內(nèi)的流場(chǎng)不因此結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)放置收油錐，且收油錐角不宜太大。轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)1m，內(nèi)徑為95mm，分流比15％，~12mm時(shí)，有很好的分離效率，且效率穩(wěn)定性較好，直徑為6~10mm時(shí)分離效率更好?？梢?，溢流嘴設(shè)計(jì)成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面。基于該思想，優(yōu)選設(shè)計(jì)得到溢流嘴內(nèi)外表面結(jié)構(gòu)形式，見圖33和圖34。為了能夠獲得較好的預(yù)期分離效率，收油內(nèi)表面采用漏斗形錐面，獲得的速度平面為扇形區(qū)域，這可緩解入口收縮現(xiàn)象。若保證液體充分旋轉(zhuǎn)，則液滴在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)必須有足夠的存留時(shí)間，查閱材料[13]可知，液滴要得到充分旋轉(zhuǎn)，則液滴至少要在旋轉(zhuǎn)柵內(nèi)轉(zhuǎn)3周。為避免過(guò)大的入口速度波動(dòng)造成局部的阻力損失，一般要求旋轉(zhuǎn)柵中心孔面積應(yīng)稍大于旋轉(zhuǎn)柵各流道面積之和；若旋轉(zhuǎn)柵流道數(shù)越多，液流過(guò)流面積就會(huì)減小，也導(dǎo)致液體流動(dòng)平穩(wěn)性較差，壓力損失及液滴的剪切破碎程度也會(huì)增加，將不利于分離[16]。旋轉(zhuǎn)柵對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒內(nèi)的液體起導(dǎo)流和預(yù)加速作用。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。表31 轉(zhuǎn)簡(jiǎn)長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率%轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度/m分離效率% 轉(zhuǎn)筒內(nèi)徑D確定長(zhǎng)徑比K是指轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L與其主直徑D的比值。L影響輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心的運(yùn)移效果，L越大，混合介質(zhì)在腔內(nèi)存留時(shí)間越長(zhǎng)，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移越充分。分流比與分離效率之間的關(guān)系如圖212。實(shí)際應(yīng)用要求額定處理量區(qū)越大越好，以利于適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)工況的變化，具有更高的靈活性。一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速較高時(shí)效率也高，這是因?yàn)榱髁恳欢〞r(shí)液流加快，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速增高，油水介質(zhì)的徑向壓力差越大，分離也越好。動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)態(tài)水力旋流器的旋流腔借助外部動(dòng)力產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速比靜態(tài)水力旋流器高幾十倍，油滴在旋流腔內(nèi)授充分分離，極大地提高了旋流器的分離效率；（2）由于動(dòng)態(tài)水力旋流器不是靠液體自身的運(yùn)動(dòng)造旋的，故對(duì)來(lái)液壓力及流量的要求不嚴(yán)格，有利于現(xiàn)場(chǎng)操作；（3）旋流轉(zhuǎn)速的提高，加大了不同相質(zhì)的離心力差值，有利于密度差較小的兩種不互溶液體的分離。（3）分流比分流比定義為富油相出口流量與水力旋流器處理量之比。因此，動(dòng)態(tài)旋流器內(nèi)的力場(chǎng)分布更加合理．更利于分離過(guò)程的進(jìn)行[14]。動(dòng)態(tài)水力旋流器的最大切向速度Vmax在距軸心三分之一半徑處，以Vmax為界分為兩個(gè)渦流區(qū)，外部為自由渦，內(nèi)部為強(qiáng)制渦，是一種組合渦的結(jié)構(gòu)。因此，盡管動(dòng)態(tài)水力旋流器在結(jié)構(gòu)及操作運(yùn)行上要比靜態(tài)水力旋流器稍復(fù)雜，但它在分離效率及處理效果、處理量及壓力變化的適應(yīng)性，油田產(chǎn)出液的處理等方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，因此有必要加以深入開發(fā)研究。 動(dòng)態(tài)水力旋流器工作原理動(dòng)態(tài)水力旋流器是利用兩種不互溶液體介質(zhì)問的密度差進(jìn)行離心分離。密封結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)既可保證密封性能、降低功率消耗，又能提高設(shè)備使用周期。它在較低壓力下便可運(yùn)行，工作壓力較高時(shí)更能運(yùn)行。（7）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的功率損耗進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)5臺(tái)單旋體選用最佳的空間組合方式。通過(guò)幾年來(lái)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際的緊密結(jié)合，正逐步開展增壓方式研究、配套技術(shù)研究等，取得了一定的進(jìn)展。從1980年起，國(guó)際上相繼召開了6次水力旋流器的專題會(huì)議，對(duì)世界各地在旋流分離領(lǐng)域的最新研究成果進(jìn)行交流[2]。水力旋流器的應(yīng)用包括固液分離、液氣分離、固固分離、液液分離、液氣固三相同時(shí)分離以及其他應(yīng)用，可以用于液體澄清、料漿濃縮、固相顆粒洗滌、液相除氣與除砂、固相顆粒分級(jí)與增濃，以及兩種非互溶液體的分離等多種過(guò)程作業(yè)。隨著產(chǎn)出液含水率的不斷提高，此項(xiàng)應(yīng)用必將迅速得到推廣，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以水力旋流器為核心的旋流分離技術(shù)及其配套工藝技術(shù)研究的應(yīng)用前景將十分廣闊，對(duì)油田開發(fā)污水處理工藝體系的高效化與小型化都具有十分重要的意義。同時(shí)，水力旋流器新工藝及配套技術(shù)研究工作將使水力旋流器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中能揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮更好的應(yīng)用效果。設(shè)備緊湊、占地面積小和設(shè)備成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而受到了廣泛的關(guān)注和研究。由于前者沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。雖然水力旋流器的一些缺點(diǎn)使得其應(yīng)用受到一定的限制，但它具有許多其他分離設(shè)備所不具有的特點(diǎn)，以致使它成為許多領(lǐng)域較為理想的分離設(shè)備。近年來(lái)的油田生產(chǎn)實(shí)際表明，油田開發(fā)必須走“以經(jīng)濟(jì)效益為中心”的發(fā)展道路，這在一定意義上促使生產(chǎn)中相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)（如水處理技術(shù)等）要適應(yīng)需要，開發(fā)出成本低、效率高、使用壽命長(zhǎng)的新技術(shù)、新工藝及新產(chǎn)品。（4）在井下分離方面，采用預(yù)分離水力旋流器與雙流泵配合，直接在井下對(duì)產(chǎn)出液進(jìn)行處理，可使采出原油的含水率由90%以上降至50%，降低了原油開采成本，簡(jiǎn)化了地面水處理工藝及設(shè)備。首先在選礦和采礦工業(yè)中獲得應(yīng)用，迄今已經(jīng)在礦物加工、石油、化工、輕工、環(huán)保、食品、醫(yī)藥、紡織與染料、采礦、冶金、機(jī)械、建材及煤炭等眾多工業(yè)部門獲得了廣泛的應(yīng)用，而且由于水力旋流器結(jié)構(gòu)及型式的同趨多樣化，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)展，近年已被越來(lái)越多地應(yīng)用到生物工程的分離作業(yè)中，甚至還被應(yīng)用到電解過(guò)程中。（2）配套技術(shù)工藝研究現(xiàn)狀水力旋流分離技術(shù)正處在不斷發(fā)展和完善的進(jìn)程之中，其在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際中的應(yīng)用對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。為此，國(guó)內(nèi)許多生產(chǎn)單位和研究機(jī)構(gòu)近年都開始從事有關(guān)分離新技術(shù)的研究，如旋流分離、氣浮選、膜分離等。（6）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的支架、固定筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到最佳的裝配精度。由此可見動(dòng)態(tài)水力旋流器結(jié)構(gòu)雖然有些復(fù)雜，但其主要分離區(qū)域明顯增加，并目液體的高速旋轉(zhuǎn)是由外部動(dòng)力（電機(jī)）驅(qū)動(dòng)完成的，因此其分離效率的獲得是靠犧牲外部動(dòng)力損失（能量的轉(zhuǎn)化）實(shí)現(xiàn)的。因此轉(zhuǎn)筒需作靜、動(dòng)平衡測(cè)試，才能保證其運(yùn)轉(zhuǎn)較為平穩(wěn)。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時(shí)導(dǎo)流對(duì)中性增強(qiáng)、過(guò)流充分、流動(dòng)阻力降低，使預(yù)旋轉(zhuǎn)的旋流強(qiáng)度增加，提高了樣機(jī)的分離性能[10]。這比靜態(tài)水力旋流器在旋流腔及大錐段均有紊流影響要好得多。圖24是靜態(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。從對(duì)比分析來(lái)看：靜態(tài)水力旋流器的峰值出現(xiàn)在距軸心較近之處衰減非常迅速，其有效分離區(qū)較?。欢鴦?dòng)態(tài)旋流器則恰巧相反其有效分離區(qū)遠(yuǎn)大于靜態(tài)旋流器。在處理量加大時(shí)，兩者的分離效率都有所下降，靜態(tài)旋流器分離效率的下降更為明顯；在入口含油量上，動(dòng)態(tài)水力旋流器能適應(yīng)入口含油量變化較大的情況，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)入口含油從330mg/L上升到660mg/L時(shí)，水流的含油濃度為只從22mg/L上升到24mg/L；而靜態(tài)旋流器則要求入口含油≤2000mg/L。它一方面使旋流分離技術(shù)提高到一個(gè)新的水平，另一方面為旋流技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速不同處理量下的轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率之問的關(guān)系如圖210所示。因此，任何一臺(tái)水力旋流器都有一個(gè)合理的處理量范圍，即額定處理量區(qū)。圖211 入口流量與分離效率之間的關(guān)系曲