【正文】 致破壞局部的流場(chǎng)穩(wěn)定。假如溢流嘴橫截面積為過(guò)流面積，那么嘴壁入口處的流速不可能無(wú)限大。柵片是后續(xù)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)產(chǎn)生和流場(chǎng)穩(wěn)定的實(shí)物載體，其直線長(zhǎng)度直接影響液體的驅(qū)旋時(shí)間，但并不是柵片越長(zhǎng)越好，柵片太長(zhǎng)，雖然驅(qū)旋作用加強(qiáng)，但其間液流速度提高。則計(jì)算式[16]為： （34）式中：L——葉片長(zhǎng)度，mm； d——中心軸直徑，mm；h——葉片厚度，mm。基于理論分析和試驗(yàn)研究，優(yōu)選出了葉片式和螺旋式兩種結(jié)構(gòu)形式。動(dòng)態(tài)水力旋流器的存留時(shí)間一般為3~8s[17]。利用數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明：當(dāng)轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度為2m時(shí)，分離效率最高，如表31所示。第3章 動(dòng)態(tài)水力旋流器主要構(gòu)件設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒參數(shù)化造型設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度L確定轉(zhuǎn)筒參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑以及長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)旋流器分離液的旋流強(qiáng)弱與其密切相關(guān)。另外，流量過(guò)大會(huì)破壞動(dòng)態(tài)水力旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，使分離效率下降[3]。處理量過(guò)低會(huì)使液流進(jìn)入水力旋流器的流速大幅度下降，不能形成強(qiáng)度足夠的渦流，對(duì)分離也是很不利的。這是因?yàn)樯邷囟仁乖囼?yàn)介質(zhì)的粘度下降，油水界面張力下降，介質(zhì)的流動(dòng)性加強(qiáng)，有利于分離[3]。 動(dòng)態(tài)水力旋流器的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)水力旋流器作為旋流分離技術(shù)的一個(gè)新的分支，具有靜態(tài)水力旋流器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。另一方面在于相對(duì)提高了液相在設(shè)備內(nèi)的有效停留時(shí)間。圖2圖26分別是靜態(tài)、動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度分布曲線。切向速度決定了處理液所受離心力的大小。動(dòng)態(tài)水力旋流器除了在旋流腔內(nèi)部的導(dǎo)流錐及轉(zhuǎn)筒周壁附近由于摩擦可能引起小小的紊流外，沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向上的切向速度與軸向速度基本恒定，流場(chǎng)穩(wěn)定性較好，可以認(rèn)為是沒(méi)有紊流的渦流場(chǎng)[13]。通過(guò)靜、動(dòng)平衡測(cè)試，保證轉(zhuǎn)筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所必需的回轉(zhuǎn)精度，減少設(shè)備自振。各支承座孔間的同軸度也會(huì)影響轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和密封結(jié)構(gòu)的密封性能。影響靜態(tài)水力旋流器分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有切向入口形式及個(gè)數(shù)、旋流腔主直徑及長(zhǎng)度、大小錐段結(jié)構(gòu)形式及尺寸等，其旋流腔主直徑主要決定處理量的大小，大錐段主要進(jìn)行旋流分離預(yù)加速，小錐段主要起分離作用，尾管主要是穩(wěn)定油核，幾乎沒(méi)有分離作用[5]；動(dòng)態(tài)水力旋流器沿轉(zhuǎn)筒長(zhǎng)度方向?yàn)橹饕蛛x區(qū)，影響其分離性能的主要結(jié)構(gòu)因素有旋轉(zhuǎn)柵、旋轉(zhuǎn)筒、溢流嘴等。（5）對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的收油錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳的收油錐錐角。目前，國(guó)內(nèi)在油田水處理方面仍普遍采用重力沉降設(shè)備，如游離水脫除器等，在實(shí)際應(yīng)用上具有處理效率低等問(wèn)題。在現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)與模擬技術(shù)飛速發(fā)展的今天，人們對(duì)旋流分離的工作機(jī)理及過(guò)程行為有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，大大推動(dòng)了水力旋流器結(jié)構(gòu)模式的多樣化，使其在越來(lái)越多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了更大的作用。水力旋流器（如圖11）是旋轉(zhuǎn)流分離技術(shù)方面的代表性設(shè)備，是一種用途十分廣泛的通用分離分級(jí)設(shè)備。（3）在邊緣地區(qū)的小區(qū)塊上直接處理油井采出液，將預(yù)分離水力旋流器及污水處理水力旋流器用于就地處理與回注系統(tǒng)中，減少管網(wǎng)的鋪設(shè)，大大節(jié)約了投資，降低了開(kāi)采成本。根據(jù)不同需求，開(kāi)展水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、操作參數(shù)優(yōu)選與配套技術(shù)研究，使水力旋流器在更廣闊的領(lǐng)域內(nèi)大有可為。但至今尚未達(dá)到工業(yè)化推廣應(yīng)用階段，其主要原因是結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)還不夠合理，室內(nèi)試驗(yàn)工況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況差別較大。前者如水力旋流器（亦稱(chēng)旋流分離器），流體固定的機(jī)身內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)；后者如各種離心機(jī)，由于機(jī)身旋轉(zhuǎn)而帶動(dòng)內(nèi)部流體作回旋運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生離心力場(chǎng)。 本課題研究的意義及現(xiàn)狀 本文研究的意義原油是一粘稠狀的非牛頓流體，由于粘度大，一方面進(jìn)行原油的靜態(tài)旋流脫水需要建立更強(qiáng)的離心力場(chǎng)，另一方面也明顯增加了阻力損失。隨著研究的深入，水力旋流器由固液分離進(jìn)而擴(kuò)展到兩種不互溶液體介質(zhì)的液液分離以及氣液分離、氣固液三相分離等，成為一種多功能、多用途的高效分離裝置。（1）在聯(lián)合站應(yīng)用，可代替一級(jí)脫水與一級(jí)沉降。（5）將污水處理用水力旋流器制成移動(dòng)式或固定式油水分離設(shè)備，用于井下工具或其他工具的清洗等，減少油田廢水的排放，對(duì)節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)都具有積極的意義。圖11 水力旋流器使用實(shí)物圖水力旋流器的基本工作原理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的提出已經(jīng)有一百多年了，但是直到二戰(zhàn)以后才被有效的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。但是，可以看到對(duì)于水力旋流器的工藝研究和配套技術(shù)研究從事的并不多，僅僅從事了一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的探索。同時(shí)，這方面研究還很是不足，有待進(jìn)一步深入研究。第2章 動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離機(jī)理 動(dòng)態(tài)水力旋流器的主體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)水力旋流器由入液腔、旋轉(zhuǎn)筒、溢流腔、底流腔等組成。它的壓力損失非常小靜態(tài)水力旋流器內(nèi)液體的高速旋轉(zhuǎn)是靠液體自身的壓力提供的，即運(yùn)行；時(shí)必須有足夠的入口壓力保持來(lái)液高速旋轉(zhuǎn)，因此其分離效率的獲得是通過(guò)犧牲液體自身的壓力損失來(lái)完成的，其壓力損失相對(duì)比較大[6]。動(dòng)態(tài)水力旋流器屬十動(dòng)力設(shè)備，裝置自振以及與地基共振對(duì)分離效率的影響不可忽視。待分離的油水混合液由入液口進(jìn)入旋流器，液流流過(guò)旋轉(zhuǎn)柵流道和尾部導(dǎo)向錐，旋轉(zhuǎn)柵對(duì)來(lái)入液起導(dǎo)流及預(yù)旋轉(zhuǎn)加速作用。 動(dòng)態(tài)水力旋流器與靜態(tài)水力旋流器的比較分析 技術(shù)原理比較兩者都是利用水力旋流離心作用實(shí)現(xiàn)不同相之間的分離，但離心力場(chǎng)的建立方法有所不同：靜態(tài)水力旋流器是由壓能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能來(lái)形成離心力場(chǎng)，而動(dòng)態(tài)水力旋流器是外加電能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)筒所形成的。這一點(diǎn)與靜態(tài)旋流器相似。圖25 靜態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng) 圖26 動(dòng)態(tài)水力旋流器中的離心加速度場(chǎng) 分離性能比較英國(guó)南安普頓（Southampton）大學(xué)設(shè)計(jì)的F型靜態(tài)水力旋流器，其單管臨界分離粒徑為60m，雙管和三管串聯(lián)的臨界分離粒徑分別為40μm和30μm，液體停留時(shí)間為2s；而后，經(jīng)過(guò)科技人員的不斷開(kāi)發(fā)，靜態(tài)水力旋流器的單管I臨界分離粒徑可達(dá)30~20μm，當(dāng)處理含油污水時(shí)，對(duì)7μm油滴的分離效率為50％，液體停留時(shí)間小于2s：動(dòng)態(tài)水力旋流器的臨界分離粒徑可達(dá)15μm，當(dāng)處理含油污水時(shí),對(duì)7μm油滴的分離效率為80％（參見(jiàn)圖27），液體停留時(shí)間為3~10s，處理后的水中含油為8~25mg/L[14]。當(dāng)分流比變化時(shí)，動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離性能沒(méi)有太大的變化。當(dāng)然，動(dòng)態(tài)水力旋流器也存在以下缺點(diǎn)：（1）外殼轉(zhuǎn)動(dòng)，造成固體顆粒在邊壁的積聚，易產(chǎn)生污垢；（2）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外殼的轉(zhuǎn)動(dòng)必須依靠電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力源[15]。最高轉(zhuǎn)速時(shí)，分離能力可達(dá)到最大，理論上效率應(yīng)最高，但由于整個(gè)裝置的人口壓力及壓力降急劇增加，振動(dòng)加劇，因此此時(shí)效率達(dá)不到最高。實(shí)際運(yùn)行時(shí)來(lái)自入口的液體將由溢流管和底流管排出水力旋流器，因此，根據(jù)物料平衡原理，應(yīng)有下式成立?？梢钥闯觯至鞅葘?duì)分離效率影響不顯著，分流比在8~12%時(shí)，分離效率達(dá)84%以上。當(dāng)L長(zhǎng)度足夠時(shí)，能保證液流在腔內(nèi)的分離時(shí)間為3~5s左右。當(dāng)D確定時(shí)，隨L適當(dāng)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，分離效果也就愈好。將式（31）變形可得== （33）存留時(shí)間T=~8s內(nèi)，故設(shè)計(jì)合理。葉片式旋轉(zhuǎn)柵通過(guò)葉片對(duì)來(lái)液進(jìn)行預(yù)加速，葉片個(gè)數(shù)過(guò)少，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)筒內(nèi)流場(chǎng)分布不均；葉片個(gè)數(shù)過(guò)多，則使液流的過(guò)流面積減小，壓力損失增加及液滴的剪切破碎程度加劇，不利于分離效率的提高。前面已經(jīng)選取D=110mm，因而試選取d=75mm，h=12mm。則柵片長(zhǎng)度計(jì)算有 （36）式中：——液流的軸向速度，m/s； t ——液流分子在旋轉(zhuǎn)柵上的加速時(shí)間，s。根據(jù)分析，當(dāng)漏斗錐角為40176。此方案的外錐面設(shè)計(jì)在穩(wěn)定局部渦流方面較為理想。是為了減小液流分離時(shí)形成的入口對(duì)稱(chēng)收縮現(xiàn)象。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)同一溢流嘴也能有較好的分離效率；但轉(zhuǎn)速低于900r/min或超過(guò)2400r/min時(shí)，分離效率均有下降趨勢(shì)[16]。對(duì)小型動(dòng)態(tài)旋流器，建議可不用收油錐，因?yàn)橹蓖ㄊ浇Y(jié)構(gòu)可能更利于腔內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定[16]。此處取系數(shù)K=，則：W （313）值得注意的是，旋流器工作首先要使轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，然后才使混合液進(jìn)入旋流腔。而本文設(shè)計(jì)的五臺(tái)組合式動(dòng)態(tài)水力旋流器，為了達(dá)到最好的功率傳遞效率，其位置在空間布置如圖38。（3）確定中心距a，并選擇V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度要確定V帶長(zhǎng)度，首先要初選其長(zhǎng)度，在進(jìn)行精確確定。 ——單根B型V帶傳遞的額定功率，kW。只有二、三級(jí)傳遞帶的根數(shù)和最小初拉力與一級(jí)傳動(dòng)不同，根據(jù)式（325）和式（326）有：二級(jí)傳動(dòng)帶根數(shù)： （327）取1根。圖310 孔板式V帶輪結(jié)構(gòu)示意圖圖311 實(shí)心式V帶輪結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于二級(jí)、三級(jí)V帶傳動(dòng)的主從動(dòng)輪與一級(jí)傳動(dòng)的從動(dòng)帶輪有相同基準(zhǔn)直徑和配合軸徑，因此有相同的結(jié)構(gòu)尺寸。前面已經(jīng)計(jì)算的到，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)傳動(dòng)傳遞功率分別為 =、=、=，r/min，由式（332）得NN。得：N（負(fù)號(hào)表示力的實(shí)際方向與圖示方向相反）,N。 螺栓的選擇及其校核本文設(shè)計(jì)中，螺栓用來(lái)連接不同轉(zhuǎn)筒段，傳遞轉(zhuǎn)筒扭矩T，本文采用6個(gè)M10的螺栓在截面圓周上均勻布置。則螺栓危險(xiǎn)截面的抗拉強(qiáng)度條件 （343）式中：——螺栓危險(xiǎn)截面計(jì)算拉應(yīng)力，MPa； ——螺栓許用拉應(yīng)力，MPa； ——危險(xiǎn)截面面積。按照介質(zhì)為原油，選擇其材料：靜止環(huán)為石墨，旋轉(zhuǎn)環(huán)為碳化鎢[22]。對(duì)動(dòng)態(tài)水力旋流器的收油錐進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇最佳的收油錐錐角為9176。最后對(duì)一直關(guān)心、幫助、支持和鼓勵(lì)我的所有同學(xué)和親人表示真誠(chéng)的謝意！附件1外文資料翻譯在水力旋流器中幾何參數(shù)對(duì)分離效率的影響摘要 這是一項(xiàng)旋流器中氣—液—固多相流動(dòng)的數(shù)值模擬研究。關(guān)鍵字 CFD建模 LES 多相模型 拉格朗日模型 尺寸分類(lèi) 水力旋流器尺寸符號(hào)表 ， ， 模型常數(shù) 升力系數(shù) 阻力系數(shù) 體積力 表面力 平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能G 重力k 湍流動(dòng)能 速度分量Vd 質(zhì)點(diǎn)速度P 壓力 速度波動(dòng)成分 尺寸成分希臘字母 密度 角速度 顆粒體積分?jǐn)?shù) 運(yùn)動(dòng)粘度， 分別對(duì)k和ε，的紊流普朗特?cái)?shù) 應(yīng)力張量 有效粘度 流體分子粘度 擾渦粘度 粘滯擴(kuò)散比 氣體體積分率1 介紹水力旋流器是借助由旋轉(zhuǎn)流動(dòng)產(chǎn)生的強(qiáng)大的離心力用于各行業(yè)中分離兩種不同密度的成分。針對(duì)這一缺點(diǎn)，流體力學(xué)基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型是非?？扇〉?。任何CFD技術(shù)的基礎(chǔ)上—數(shù)值處理的ns方程，在1980年代早期慢慢應(yīng)用于旋流器分析。研究結(jié)果表明，不同尺寸和長(zhǎng)度旋流器的流場(chǎng)是不同的，有不同的處理量。表1 75號(hào)水力旋流器的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)原型尺寸旋流器直徑（mm）圓筒長(zhǎng)度（mm）上溢口直徑（mm）錐管長(zhǎng)度（mm）進(jìn)給入口直徑（mm）錐角（176。網(wǎng)格獨(dú)立研究通過(guò)五種從750000到2000000范圍變化的不同網(wǎng)格密度與不同網(wǎng)格大小。使用分別距離頂部60、120和175毫米的三個(gè)位置。在旋流器頂部的更大區(qū)域，芯管分離渦管向上和向下的漩渦，有許多相互作用妨礙渦流，也就是說(shuō)，流場(chǎng)不復(fù)雜，因此，預(yù)測(cè)結(jié)果在這些區(qū)域與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合。壓降定義為進(jìn)、出口壓力差。這些計(jì)算是獨(dú)立于速度場(chǎng)的計(jì)算。采用隨機(jī)模型模擬湍流，消除了隨機(jī)狀況，得到完全收斂的結(jié)果。圖11曲線表明，LES和RSM計(jì)算能密切跟蹤尺寸分級(jí)曲線。事實(shí)上，利用LES模型，連續(xù)相預(yù)測(cè)精度提高，而離散相分析流程不變。因?yàn)樵诟哌M(jìn)口流量、旋轉(zhuǎn)速度會(huì)極大提高，低壓力的核心將發(fā)展并將會(huì)有一個(gè)大于或等于下溢出口表面的橫斷面，而且只有空氣回流會(huì)被從下旋流轉(zhuǎn)到旋流器而液體流將達(dá)到零值。結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10旋流器直徑（mm 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75圓柱長(zhǎng)度（mm） 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75上溢口直徑（mm）25 25 25 25 25 25 25 22 25 28圓錐段長(zhǎng)度（mm）50 50 50 5