【正文】 出，因此分離效率得到提高[3]。圖210 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速與分離效率關(guān)系曲線 處理量處理量即單位時(shí)間內(nèi)通過水力旋流器的液體量的大小，即入口流量，通常用Q，表示，國際單位m3/h，表示每小時(shí)或每天的流量（m3）。（4）維護(hù)性能靜態(tài)水力旋流器沒有運(yùn)動(dòng)部件，基本不需要維護(hù)工作；動(dòng)態(tài)水力旋流器設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、維護(hù)工作量大，存在有動(dòng)平衡和動(dòng)密封問題，在底流出口附近易產(chǎn)生固體顆粒的聚積而形成污垢。另外，由于外殼旋轉(zhuǎn)，沿動(dòng)態(tài)水力旋流器軸線方向上，器壁附近液體的切向速度不會(huì)逐漸遞減，從而內(nèi)部任意半徑處的切向速度均不會(huì)受軸向位置的影響．即從入口到出口處切向速度不變．兩相介質(zhì)的分離區(qū)域加長，因而分離效率更高[14]。這樣油和水在旋流體內(nèi)發(fā)生分離，同時(shí)在軸向力的作用下，油核沿軸心向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)溢流口排出設(shè)備外，分離后的水從旋流體的底流口排出。旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)有利十形成穩(wěn)定的油核，便使它從排油口排出。（3）對動(dòng)態(tài)水力旋流器的旋轉(zhuǎn)柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最佳的柵片數(shù)和柵片長度，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵的中心孔內(nèi)徑以及分流面。從1980年起由BHRA （British Hydromechanics Research Association）英國流體力學(xué)研究會(huì)發(fā)起的旋流分離器國際學(xué)術(shù)研討會(huì)已經(jīng)開始定期召開。（2）在中轉(zhuǎn)站采用預(yù)分離水力旋流器解決中轉(zhuǎn)站就地放水與回?fù)接盟葐栴}。因此，動(dòng)態(tài)旋流分離設(shè)備的工作適應(yīng)性很強(qiáng)，如果變速機(jī)構(gòu)允許，甚至可以實(shí)現(xiàn)一物多用即一臺(tái)設(shè)備既可用于污水旋流除油，也可用于原油的旋流脫水凈化[1]。動(dòng)態(tài)水力旋流器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋流筒作高速旋轉(zhuǎn)，介質(zhì)進(jìn)入旋流筒后，在粘性剪切作用下產(chǎn)生高速旋流，控制旋流筒的轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)筒內(nèi)離心力場的強(qiáng)度，滿足不同的分離質(zhì)量要求。簡化了工藝，節(jié)約了占地面積，降低了設(shè)備投資成本。20世紀(jì)80年代后，在全球范圍內(nèi)形成了一個(gè)相當(dāng)大規(guī)模的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，各國都有相當(dāng)數(shù)量的研究人員致力于旋流分離技術(shù)的研究。（2）對動(dòng)態(tài)水力旋流器的轉(zhuǎn)筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取轉(zhuǎn)筒長度和內(nèi)徑，得到最佳長徑比。因此，轉(zhuǎn)筒運(yùn)行是否平穩(wěn)極大地影響動(dòng)態(tài)水力旋流器的分離性能[7]。圖23 水力旋流器工作原理圖從宏觀上來，油水混合液由動(dòng)態(tài)水力旋流器的入液口進(jìn)入，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)柵，液體由直線形運(yùn)動(dòng)變成在旋流體內(nèi)邊旋轉(zhuǎn)邊沿軸心向下的運(yùn)動(dòng)。即渦流場的強(qiáng)度更強(qiáng)；強(qiáng)制渦區(qū)域加大；邊界切向速度不為零。以減少富油相的再處理量：靜態(tài)水力旋流器的分流比一般在5％以下，與動(dòng)態(tài)水力旋流器比較，需要處理的富油相量更多。高轉(zhuǎn)速還會(huì)使裝置使用壽命及運(yùn)行可靠性受到限制，增加運(yùn)行成本[3]。就本試驗(yàn)而言，目的是使溢流含水越少越好，因此在保證底流含油量盡可能少的前提下，分流比越小越好。表32給出了轉(zhuǎn)筒長徑比對分離效率影響的部分?jǐn)?shù)據(jù)。表33 旋轉(zhuǎn)柵葉片數(shù)對分離效率的影響旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%旋轉(zhuǎn)柵片數(shù)分離效率%2345因此，選擇旋轉(zhuǎn)柵的葉片數(shù)3片，如圖31所示。在轉(zhuǎn)筒長度為2m，柵片數(shù)目為3的條件下，取柵片長度分別為100mm、95mm、90mm、85mm的旋轉(zhuǎn)柵，通過數(shù)值模擬進(jìn)行分離效率對比研究，結(jié)果表明：當(dāng)葉片長度為95mm時(shí)，分離效率最高，如表34所示[17]。 圖33 溢流嘴外廓結(jié)構(gòu)圖34 溢流嘴實(shí)物圖利用流體動(dòng)力學(xué)知識，也可算出液流離開外錐面后形成的曲線方程。溢流嘴直徑為10mm時(shí)，情況與之相同；因此，溢流嘴的位置應(yīng)在收油端轉(zhuǎn)筒連接端面為基準(zhǔn)的0mm處[16]。而在啟動(dòng)瞬間，滾動(dòng)軸承處的摩擦認(rèn)為不是滾動(dòng)摩擦，而要比滾動(dòng)摩擦大得多，可以認(rèn)為是滑動(dòng)摩擦，查表可得，~。代入式（323），有mm 考慮到帶輪的制造誤差、帶長誤差、帶的彈性以及因帶的松弛而產(chǎn)生的補(bǔ)充張緊的需要，常給出中心距的變動(dòng)范圍 （324）計(jì)算得：mm，mm。三級傳動(dòng)的最小初拉力：N （330）因此，選定二級傳動(dòng)帶的初拉力N，三級傳動(dòng)N。m N按式（333）~（339）求得的當(dāng)量動(dòng)載荷僅為一理論值。 密封件的選擇及材料本文設(shè)計(jì)的旋流器的密封主要包括兩種，一種是不同轉(zhuǎn)筒段或固定筒段的連接密封，另一種是軸承與液流的隔離密封。對5臺(tái)動(dòng)態(tài)水力旋流器單旋體的空間組合方式功率損耗進(jìn)行了分析計(jì)算，選用了最佳的空間布局，確實(shí)能達(dá)到提高功率傳遞效率的作用。一個(gè)典型的水力旋流器有一個(gè)圓柱部分，它是一個(gè)與一個(gè)圓錐形排出管相連的中央管。一個(gè)成功的模型，特別是基于計(jì)算流體力學(xué)，將是研究設(shè)計(jì)尺寸的一個(gè)有用的工具。該方法模擬在拉格朗日的參考系中的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。圖6和7是三種模型預(yù)測軸向和切向速度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。誤差百分比用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的百分比，表達(dá)是實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)之間的差別。圖10顯示了注入水流的粒子的數(shù)量怎樣改變粒子分離的曲線。例如，不是預(yù)期的微粒子，RSM模型的結(jié)果比LES更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。那些下面劃線的參數(shù)不同于Hsieh的水力旋流器尺寸。換句話說，預(yù)測尺寸分級誤差的實(shí)質(zhì)部分缺乏離散相模擬精度，這是因?yàn)楹雎粤肆Ｗ优c液流、粒子與粒子的相互作用以及湍流對粒子軌跡的影響。由離散協(xié)調(diào)，在進(jìn)口表面粒子的數(shù)目不會(huì)超過網(wǎng)格的數(shù)量很大。結(jié)論：LES在不同截面捕獲速度剖面比其他模型更精確。3 結(jié)果與討論 模型驗(yàn)證為了開始數(shù)值研究，使用模型驗(yàn)證已被發(fā)現(xiàn)是必要的。因此，一種三階線性準(zhǔn)確快速方案用于空間離散化。在過去的二十年，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）[10]的旋流器分離過程的數(shù)學(xué)建模取得了重大進(jìn)展。進(jìn)行模型驗(yàn)證，對影響進(jìn)口流速、顆粒大小和主體尺寸有關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究，如過大、過小的直徑和錐角。對動(dòng)態(tài)水力旋流器的旋轉(zhuǎn)柵進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在已知物性參數(shù)下選取最佳的柵片數(shù)為3，柵片長度為100mm，優(yōu)化旋轉(zhuǎn)柵的中心孔內(nèi)徑為75mm。查表??；取；從圖紙量取m；本文5臺(tái)所傳遞的扭矩T均為單臺(tái)旋轉(zhuǎn)所需功率的產(chǎn)生，即5臺(tái)所傳遞的扭矩T均相同，且由式（332），得N由作圖設(shè)計(jì)，量取近似值m，m，m，則：得：N，N。因此，通常只按工作面上的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算。則有： = 因此，選定一級傳動(dòng)帶的初拉力N。則帶速： （321）式中：n——帶輪轉(zhuǎn)速，r/s；將mm，n=1460r/min，帶入式（321），有m/s 圖39 普通V帶選型圖根據(jù)帶輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，帶速不宜過高或過低，一般應(yīng)使=5~25m/s，最高不超過30m/s[20]。假定，液流在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)柵時(shí)的初速度=0。大量試驗(yàn)得到兩者面積比值約為1/5~1/10。研究此問題時(shí)，應(yīng)考慮液流的分離現(xiàn)象。高速液流是導(dǎo)致乳化的因素之一，高速運(yùn)行時(shí)間越長，液流乳化越嚴(yán)重，因此需對柵片的直線長度進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)[17]。本文設(shè)計(jì)水力旋流器選用葉片式旋轉(zhuǎn)柵。因此，轉(zhuǎn)筒長度選取L=2m。圖211 入口流量與分離效率之間的關(guān)系曲線 分流比分流比F定義為溢流量（出油量）占（入口總流量）的百分比，即 （22）式中：——溢流量，；——處理量。 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。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。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的比較。保證旋轉(zhuǎn)柵加工精度，此時(shí)導(dǎo)流對中性增強(qiáng)、過流充分、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]。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。為此，國內(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。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)用到電解過程中。近年來的油田生產(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、使用壽命長的新技術(shù)、新工藝及新產(chǎn)品。由于前者沒有運(yùn)動(dòng)部件，具有簡單的結(jié)構(gòu)。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)場應(yīng)用中能揚(yáng)長避短，發(fā)揮更好的應(yīng)用效果。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。從1980年起，國際上相繼召開了6次水力旋流器的專題會(huì)議，對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]。（7）對動(dòng)態(tài)水力旋流器的功率損耗進(jìn)行分析計(jì)算，對5臺(tái)單旋體選用最佳的空間組合方式。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。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，因此有必要加以深入開發(fā)研究。因此，動(dòng)態(tài)旋流器內(nèi)的力場分布更加合理．更利于分離過程的進(jìn)行[14]。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，故對來液壓力及流量的要求不嚴(yán)格，有利于現(xiàn)場操作；（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。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)場工況的變化，具有更高的靈活性。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，輕相介質(zhì)向轉(zhuǎn)筒中心運(yùn)移越充分。= （32）K=~20最佳值區(qū)間。為避免過大的入口速度波動(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]。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。可見，溢流嘴設(shè)計(jì)成漏斗形內(nèi)錐面和外橢錐體外表面。為使旋流腔內(nèi)的流場不因此結(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。此時(shí)。（5）確定帶的根數(shù) （325）式中：——包角修正系數(shù)； ——V帶的基準(zhǔn)長度系數(shù)； ——單根普通V帶額定功率的增量，kW。對于，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。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號單旋體的轉(zhuǎn)筒受帶的初拉力最大。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。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。在此謹(jǐn)向他表示深深的敬意，并對他為學(xué)生所付出的大量心血表示衷心地感謝。此外，模型試驗(yàn)會(huì)消耗太多的時(shí)間，需要很大代價(jià)。根據(jù)仿真，對溢底直徑和錐角對分離性能和壓降的影響進(jìn)行了研究。因此，在目前的研究中，使用上述方法執(zhí)行粒子跟蹤。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。這些數(shù)據(jù)隨后被用于產(chǎn)生旋流器分配曲線。這是由于RNGkε模型沒有考慮空芯。這是由于下溢噴嘴在高進(jìn)口流量下抖動(dòng)。因此，不能將出現(xiàn)粒子分離。LES和RSM模型的預(yù)測尺寸分級的對比表明兩種方法預(yù)測尺寸分級幾乎相同。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?。圖5 在60mm處截面預(yù)測切向速度剖面與實(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)測切向速度剖面與實(shí)驗(yàn)值的比較圖8 預(yù)測空芯的形狀，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）。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。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。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。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）來比較模擬空氣中心的大渦模擬，以預(yù)測軸向和切向速度的分布。圖314 單彈簧式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖 部分結(jié)構(gòu)說明對于本文設(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)來保證同軸度。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)生摩擦力來抵抗工作載荷。而其所受負(fù)載的重力包括轉(zhuǎn)筒的自重和轉(zhuǎn)筒中液流的重力。V帶輪的輪槽與所