1流  体  机  械2017 年第 45 卷第 5 期

                   收稿日期： 2016-08-18 修稿日期： 2016-09-30基金项目： 国家 863 计划课题（2012AA061303）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20132322110002）

文章编号：1005-0329（2017）05-0001-05

试验研究

基于正交的割缝式旋流器结构优选和试验研究

尚晓峰 1,3, 马文勇 1, 王志坚 1,2, 蒋明虎 3, 赵立新 3

（1. 沈阳航空航天大学，辽宁沈阳  110136；2. 中国科学院金属研究所，辽宁沈阳  110016；

3. 东北石油大学，黑龙江大庆  163318）

摘  要： 为改善螺旋叶片式旋流器分离含油污水的性能，在传统旋流器原型基础上，设计出一种新型割缝螺旋叶片式

旋流器。为探究割缝尺寸对分离效率的影响规律，通过正交试验法对割缝尺寸及结构进行优选。通过 FLUENT 流体软

件对优选结构的分离效率、压力场和油相分布进行数值模拟分析，发现正交试验法优选出的结构明显改善油核排出情

况，内部速度场具有较好的周向对称性，并且降低了底流口含油量，同时又提高了旋流器分离性能。最后通过试验验证，

得到分离效率最高可达 93.7％，符合正交试验法的指标估算和数值模拟结果，从而证明了对旋流器溢流管进行割缝设计

方案具有可行性。

关键字： 正交试验法；割缝式旋流器；数值模拟；分离效率；试验验证

中图分类号： TH138.8；TN249；TN241 文献标识码： A doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2017.05.001

Optimization and Experimental Study of Slotted Hydrocyclone Separator Based on the Orthogonal Method

SHANG Xiao-feng1,3,MA Wen-yong1，WANG Zhi-jian1,2，JIANG Ming-hu3，ZHAO Li-xin3

(1.Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2. Institute of Metal Research Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；3. Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China)

Abstract: In order to improve the separation performance of spiral vane hydrocyclone, in the traditional prototype based and design a new type slotted vane type hydrocyclone.In order to explore the dimensions of slotting the influence of the structure on the separation efficiency by orthogonal test slotting the size and structure of the preferred.Fluent fluid software was used to detect the separation efficiency, pressure and oil phase distribution numerical simulation analysis, by the results of analysis by orthogonal design a slotted screw vane cyclone significantly improved the oil discharge obviously ,the velocity field and has good circumferential symmetry, reducing the oil content of the underflow opening, while improving the separation performance of the separator.The experimental results show that the separation efficiency can reach up to 93.7%，basic indicators in line with estimates and numerical results of orthogonal test, which proved by cyclone overflow pipe slotted design feasible.Key words: orthogonal test method；slottedhydrocyclone；separation efficiency；numerical simulation；experimental verification

1 前言

我国大多数主力油田已经进入了石油开采的

中后期，采出原油的含水率高达 70%~80%。含油

污水是一种对环境和人体健康危害极大的废水，

所以含油污水处理技术已经成为迫在眉睫的难

题。分离器作为石油行业中不可或缺的重要设备

之一，在原油处理过程中正发挥着越来越重要的

作用。

最早的油水分离器是由 MT Thew 等在 20 世

2 FLUID MACHINERY Vol. 45，No.5，2017

纪 70 年代研究设计出来的［1］。近年来国内外已

对旋流器开展了许多研究工作［2~6］，但针对机构

设计与操作特征的具体研究还较少。蒋明虎在旋

流分离技术研究及应用中对旋流器做了总体的概

况［7］。赵立新等利用正交试验法对二次分离旋

流器的结构进行了优选［8］，此方法可为水力旋流

器的结构参数优选提供参考。

本文通过对 Vaughan N P 提出的传统的螺旋

叶片式旋流器剖面的油相体积分数分布图研究发

现，随着螺旋圈数的增加，溢流管底端外壁上，油

相在不断积聚且含油区域在不断增加，不利于油

相的顺利排出，还可能降低旋流器的分离效率［9］。

对此本文在以传统的螺旋叶片式旋流器为原型的

基础上对其溢流管尾部的油相大量积聚区域进行

割缝处理，通过 FLUENT 软件进行流体模拟计算，

分析影响分离效率的主要参数。以旋流器上端中

心溢流管直径大小、割缝长度、割缝宽度和割缝数

量为优化变量，分离效率、速度分布和油相分布为

优化目标，运用正交试验法采用 16 种不同数据组

合方式，对旋流器结构进行优化，以期提高旋流器

的分离性能。

2 油水两相流控制及模拟参数设置

如图 1 所示，随着油水混合物由 2 个切向入

口不断流入，在压力和螺旋叶片的造旋作用下，内

部形成高速旋转的涡流。在溢流管尾端割逢处，

由于离心力的作用，密度较大的水被甩至旋流腔

内壁，密度较小的油在外围水的作用下转而向上

运动，形成内旋流。最终油通过割缝不断流入溢

流管，从顶端溢流口排出，水从底流口排出，从而

实现油水分离。

（a） 三维视图 （b） 剖面结构

图 1 割缝式螺旋旋流器三维视图和剖面结构示意

有限元流体模型整体采用非结构网格的方式

划分［10~12］，考虑到螺旋形流道结构采用基本方程

和湍流 RNG K-ε 模型方程，其中方程中对流相和

扩散相的离散采用二阶迎风差分格式，压力速度

耦合使用 SIMPLE 算法。溢流口和底流口均为自

由出口，壁面采用无滑移，不可渗漏条件，物性参

数设置如表 1 所示。

表 1  物性参数

参数 数值

主相水密度 ρ 1（kg/m3） 0.998×103

主相水动力黏度 μ 1（Pa·s） 1.003×10-3

离散相油密度 ρ 2（kg/m3） 0.899×103

离散相油动力黏度 μ 2（Pa·s） 1.06油滴粒径（mm） 0.5进口流量（m3/h） 5入口油相体积分数 5％

稳态、等温不可压缩流动连续性方程：

∂∂

=ui

x0 （1）

式中 ui——时均速分量

动量方程：

ρ ρ∂∂

=∂∂

+∂∂

∂∂

′ ′

x

u u px x

uu

u ui

i ji j

i

ji j - -µ （2）

式中  ρ——流体密度

p——时均压力

      μ——分子黏度

′ ′u ui j ——由湍流模型确定未知雷诺分量

RNG K-ε 湍流模型：

ρ ρ α µ ρε∂∂+

∂∂

=∂∂

( ) ∂∂

+ +

kt

kut x

kx

Gi

i jk

jkeff （3）

3流  体  机  械2017 年第 45 卷第 5 期

ρε

ρεµ

αµε

ρεε

ε

∂∂+

∂∂

=∂∂

∂∂

+ −

（4）其中 µ µ µeff t= +

η = ε

Euu

uxij

i

j

j

i

=∂∂

+∂

∂

12

ε ε

η η η

βη∗ =

−

+

常数η0 4 337= . ，β = 0 012. ，α αεk = =1 39. ，

C C1 2ε ε= =1 42 1 68. . ，C C1 2ε ε= =1 42 1 68. . 。

3 正交优化试验与多目标分析

3.1 试验设计及结果

通过 FLUENT 流体模拟分析初始结构尺寸，

确定旋流器上端中心溢流管直径大小 A、割缝长

度 B、割缝宽度 C、割缝数量 D 为正交优化设计变

量，每个因素选取4个水平。本次试验选取L16（45）正交试验表，依据试验表进行 16 次模拟试验。用

分离效率 E（分离效率为溢流管出口中油相质量

流率 M 出与入口中油相质量流率 M 入之比即 E=M出 /M 入）为主要优化目标，表 2 为正交试验结果。

表 2正交试验结果

试验号 A B C D 空列分离效率

E(%)

1 10 15 3 4 3 722 20 35 1 4 2 823 15 35 3 6 4 854 25 15 1 6 1 775 10 25 1 8 4 746 20 5 3 8 1 887 15 5 1 2 3 618 25 25 3 2 2 819 10 5 4 6 2 7210 20 25 2 6 3 9211 15 25 4 4 1 8712 25 5 2 4 4 8413 10 35 2 2 1 6714 20 15 4 2 4 7715 15 15 2 8 2 8416 25 35 4 8 3 81

3.2 分离率极差分析

从正交试验表中可以看出 10 号 A20B25C2D6

的分离效率最高可达 92 ％。

表 3极差分析结果

Kgp

Kg1 285 305 294 286 319

1264(Yi)Kg2 317 310 327 318 319

Kg3 338 334 326 326 306

Kg4 323 315 317 327 320

Kgp

Kg1 71.25 76.25 73.5 71.5 79.75

79(Yi)Kg2 79.25 77.5 81.75 79.5 79.75

Kg3 84.5 83.5 81.5 81.5 76.5

Kg4 80.75 78.75 79.25 81.75 85

极差Rg 13.25 7.25 8.25 10.25 8.5

如表3所示，通过效率极差趋势Rg 可以看出，

决定旋流器分离效率的因素因子主次顺势为 A ＞D ＞ C ＞ B，即依次为溢流管直径、阵列数量、割缝

宽、割缝长。最佳水平组合及其优化方案：依据分

离效率越高越好的要求，并根据表中 Kgp 大小，最

终选定最优水平组合为 A20B25C2D8。

A =KA

B =KB

C =KC

20 20

25 25

2 2

− = − =

− = − =

−

y

y

y

84 5 79 5 5

83 5 79 4 5

. % % . %

. % % . %

== − =

− = − =

= +

81 75 79 2 75

81 75 79 2 758

. % % . %

. % % . %D =KD

A +B +C +8

20 25 2

y

y y DD =94.5%8

经过指标评估计算得出［10,11］，A20B25C2D8 分离

效率为 94.5％大于表中最佳组合 A20B25C2D6。由于

A20B25C2D8 方案未出现在已列出的 16 组试验中，将

所选方案再次进行计算，得出分离效率为 94.37％，

4 FLUID MACHINERY Vol. 45，No.5，2017

误差符合试验要求，故所选方案为最优方案。

3.3 油相分布分析

分析图 2 割缝式旋流器正交优化后的结构和

初始结构的油相体积分数分布云图可知，经过正

交优化后的结构油相浓度较高，溢流管外壁上仅

积聚少量的油，底流口含油量明显减少。

图 2 旋流器油相体积分数分布云图对比

图 3 是溢流管上其中一列割缝的油相浓度分

布云图。

图 3 割缝所在截面流场油相分布

从图中可以看出，最上端的割逢中含油体积

分数较高并随着割缝长度的增加，下面的割缝中

的含油体积分数要比上面割缝中的含油体积分

数明显减少，当含油混合物流至最后一行割缝时

通过割缝截面云图可以看出此时旋流腔内的含

油量较少几乎为 0。这是因为油水混合物在螺

旋腔内向下旋转分离的过程中，随着圈数的增

加，积聚在螺旋腔内油相依次通过割缝成功流入

到溢流管中，从而油相逐渐减少，证明了通过正

交试验法优选的割缝尺寸适合该旋流器的结构

特征。

3.4 速度压力分布分析

截取螺旋流道的末端为截面，从其速度和压

力分布可以分析内部流场和分离原理。

切向速度是离心力的主要来源如图 4(a) 所示。从图中可以看出图截面的切向速度从器壁

逐渐增加到最大值后快速减小并在轴心处降至

接近为 0。呈现出组合涡特征，在外旋流为自由

涡，内旋流为强制涡并且切向速度呈周向对称

分布。轴向速度分布如图 4(b)，从图中可以反映

出流体在两个出口的流动情况外。在外旋流区，

壁面周围的速度达到最值之后随着半径的减小而

减小，在内旋流区速度指向溢流口方向并随着半

径的减小轴向速度逐渐增大，在中心线附近达到

最大，表明腔内的液体做反向流动流向溢流口。

径向速度分布如图 4(c) 所示，从图可以看出径向

速度明显低于切向速度和轴向速度，但外流旋速

度分布趋势跟以上两项有些相似，径向速度在溢

流管中随径向位置减小先增大后减小且变化较为

明显，变化幅度较大，同传统旋流器相比其径向速

度的分布基本相同。

（a） 切向速度分布 （b） 轴向速度分布 （c） 径向速度分布

图 4 旋流腔截面不同方向上的速度分布曲线

5流  体  机  械2017 年第 45 卷第 5 期

压力能为油水混合物的分离提供必要的能

量，旋流器是利用一定的压力损失作为条件换取

分离所需要的能量，所以在分析旋流器分离效率

的同时也要考虑压力的损耗。因为割缝式螺旋分

离器是脱油型水力旋流器，经过螺旋叶片分离之

后的大量液体会经底流口流出，所以底流口压降

相对较大，比较有代表性。选取优选之后的割缝

式螺旋叶片旋流器和未割缝的同尺寸旋流器底流

口压降进行对比之后发现。新型割缝式旋流器的

压降较比未割缝的压降有所降低。

从以上分离率、油相分布、速度场以及压力场

多目标分析可知，通过正交试验法所得割缝式螺

旋叶片旋流器结构的内部流场对称性较好，不易

发生紊流现象。

4 试验验证

试验流程如图 5 所示，经过螺旋增压后的水

与油泵在静压混合器内混合并流入流量和压力计

量单元。随后切向进入旋流器入口且在腔内形成

旋流场。由旋流器分离后夹带少量油的混合液体

从旋流器底流口经过计量后送回到水箱中准备下

一次循环，而从溢流管流出的油，经计量后排入废

油桶进行回收处理。

图 5 试验流程

试验过程中油水混合物中离散相油采用密度

为 880 kg/m3 的 GL-3-8 W/g 的齿轮油，其运动黏

度为 17~19 mm2/s（100 ℃测量值条件下），采用

水作为连续介质，设定旋流器入口流量为 5m3/h，分流比控制在 15% 进行试验。

试验收集从溢流管流出的油水混合物，经流

量计量单元测算，显示混合物含油体积分数为

93.7%。与模拟结果 94.5% 的误差小于 1%。且

在试验过程中，经过正交试验优化后的缝螺旋叶

片式旋流器结构分离性能稳定较好，证明了正交

优化试验结果的合理性。

5 结论

（1）利用正交试验法，对旋流器的溢流管和

割缝尺寸做不同的尺寸结构参数组合，通过对数

值模拟结果进行分析后挑选出最优的尺寸组合，

并运用指标估算法估算出最优结构旋流器的分离

效率可达 94.5％。

（2）通过建立正交优化试验、极差分析和

多目标分析得出在同等条件下，溢流管直径取 20 mm、割缝长取 25 mm、割缝宽取 2 mm 和割缝

数量取 8 个时，旋流器综合分离性能最好。从旋

流腔截面的速度压力分布图中可以看出该旋流器

内部不同方向上的速度均具有较好的周向对称

性，符合螺旋叶片式旋流器的基本特征和分布规

律，并且发现优选结构的割缝式旋流器相比同尺

寸的原始旋流器分离效率更高，压降更小，底流口

含油更少。

（3）根据优化结果进行试验验证，测得优化

后的旋流器分离效率最高可达 93.7%，符合正交

试验法的指标估算和数值模拟结果，从而证明了

对旋流器溢流管进行割缝设计方案具有可行性。

（4）本文的数值模拟及试验研究结果可为脱

油型旋流器的实际设计提供一定理论依据。

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10 FLUID MACHINERY Vol. 45，No.5，2017

粒相对速度低于液相。而当 Basset 力和附加质

量力的加速度与离心力加速度达到平衡时，两相

的相对速度就相差不大，这可能是流道后半段粗

砂颗粒相对速度与液相接近的原因。

4 结论

（1）中砂颗粒和液体的相对速度场均在流道

前半段出现高速区，在后半段出现低速区，且流量

减小时低速区面积增加并向进口方向扩大；与此

相比，粗砂颗粒的相对速度变化幅度较小。

（2）在离心力的主要驱动下，中砂颗粒的相

对速度值在整个流道内均高于液相，会对流道产

生“相对抽吸”作用；粗砂颗粒运动的阻力增大，

在流道前半段其相对速度值低于液相，会对流道

产生“相对阻塞”作用，在流道后半段两相速度

接近。

参考文献

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                   作者简介：徐立群（1961-），女，副教授，硕士生导师，主要

研究方向为疏浚技术和设备，通讯地址：213022 江苏常州晋陵北

路 200 号河海大学机电工程学院。

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版杜，2012：105-154.

                   

作者简介：尚晓峰（1972-），男，博士，副教授，主要从事

石油开采井下工具的研发，通讯地址：110136 辽宁沈阳市道义

经济开发区道义南大街 37 号沈阳航空航天大学机电工程学院，

E-mail：1009074102@qq.com。

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