氣液慣性旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

中圖分類號 TQ051.8 文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0644-10

油田開采前期，油井采出液主要以油水兩相流的形式存在，但隨著開采時間的不斷積累，大部分油田含水率已經(jīng)超過 90% ，部分油田含水率甚至已經(jīng)超過 95% ，早期開發(fā)的油田多已進入高含水、低產(chǎn)液的開發(fā)階段。隨著油田采出液中含水率的上升，采出液還會攜有大量的油田伴生氣等氣相雜質(zhì)。這些油田伴生氣主要由甲烷、乙烷及碳氫等氣體混合組成，其密度和相對質(zhì)量較小，與原油共生共溶，使油田產(chǎn)出液的分離難度增大[2.3]。基于不同的工作機制，氣液分離設(shè)備大體上可以被分為兩類：一類是利用氣液密度的不同，通過重力沉降技術(shù)來實現(xiàn)分離，但這種方法需要更大的空間和更長的沉降周期；另一類是利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生不同離心力，以實現(xiàn)相間分離的旋流分離器。由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造及操作成本低等優(yōu)點，旋流分離器在井下狹小空間內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性較強，因此獲得了廣泛應(yīng)用，是井下氣液分離的良好選擇。

旋流分離器的性能很大程度上依賴于其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，近年來為提高分離器的分離性能，有學(xué)者對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化進行深入研究。WANGYA等為了增強天然氣的凈化和提純效果，設(shè)計了一種新型氣液旋流分離器，這種分離器具有上下兩個入口管，這樣在氣液兩相進入旋流腔之前就可以進行初步的分離，從而顯著提高了氣液分離的整體效果[4]。邢雷等提出了一種旋流-重力耦合式井下氣液分離器結(jié)構(gòu)，重力沉降與旋流分離的結(jié)合設(shè)計可以實現(xiàn)氣液兩相的高效分離[5]。王振波等針對天然氣除液凈化問題，提出了一種新型級聯(lián)式氣液旋流分離器，并研究了部分結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場和分離性能的影響[。此外，周聞等將多旋臂分離器的分離理念引入氣液兩相流分離領(lǐng)域之中，成功研發(fā)出了新型多旋臂氣液分離器，并在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得這種多旋臂氣液旋流分離器具有處理量更大、壓降更低的優(yōu)點[7]。

綜上所述，研究學(xué)者們已經(jīng)提出了一系列實現(xiàn)氣液高效分離的水力旋流器結(jié)構(gòu)。然而，目前大部分研究工作主要針對低含氣的工況條件，對于高含氣的工況研究較少。此外，在實際應(yīng)用中，氣液旋流分離器往往出現(xiàn)大粒徑氣泡分離效果好，小粒徑氣泡分離效果較差的現(xiàn)象，這部分粒徑較小的氣泡未經(jīng)分離而直接跟隨連續(xù)相從底流口流出，對分離效果造成了一定的影響。因此，基于慣性預(yù)分離和旋流分離原理，筆者提出了一種氣液慣性-旋流分離器，通過彎管形式入口使大粒徑氣泡、小粒徑氣泡在慣性作用下分流，并通過內(nèi)層擋板將小粒徑氣泡引流到旋流器內(nèi)側(cè)，增大小粒徑氣泡與液相所受離心力差異，提高小粒徑氣泡分離效率。

結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

氣液慣性旋流分離器的主要組成部分包括慣性入口、旋流段、錐段、溢流管及底流管等。圖1展示了初始氣液慣性旋流分離器的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，其關(guān)鍵參數(shù)為：主直徑 ?D₁=35mm 、溢流管直徑 D₂=12.5mm 底流管直徑 D₃=10mm 分離器高度 H₁=278mm 、溢流管伸人長度 H₂=40mm 、錐角α=12^° 、入口尺寸 a×b=6.75mm×15mm 。具體工作原理為：不同粒徑氣泡和水相在經(jīng)過慣性入口時，由于氣泡自身質(zhì)量不同，它們所受慣性力不同，而慣性會使物體有保持原有運動狀態(tài)的傾向，因此受慣性作用較大的大氣泡保持原有直線運動狀態(tài)的傾向最大，被甩在彎管的外側(cè)，慣性作用較小的小粒徑氣泡則主要集中在彎管內(nèi)側(cè)，被初步分離的兩層流體在擋板的隔擋下分別進入內(nèi)、外兩層切向入口，完成了處理液的預(yù)分離。含有大量小氣泡的混合液通過內(nèi)層切向入口進入到旋流器內(nèi)層，增加了小氣泡和液相之間的離心力差異，從而提高旋流器對微小氣泡的分離效率；而位于旋流器外層混合液中的氣泡由于粒徑較大，同樣能夠保證與液相具有較大的離心力差異，外層中大粒徑氣泡的分離效率同樣較高。在離心力的作用下，不同粒徑氣泡均會向軸心運動并匯聚成氣核從溢流口逸出，而密度較大的液相則向邊壁運動，沿邊壁軸向向下做螺旋運動最終從切向出口排出，實現(xiàn)氣液兩相高效分離。

圖1氣液慣性旋流分離器結(jié)構(gòu)及尺寸

2 研究方法

2.1 數(shù)值模擬方法

2.1.1 網(wǎng)格劃分

通過使用GAMBIT軟件，本研究采用了四面體結(jié)構(gòu)對計算域進行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格能夠精確匹配實際的幾何形態(tài)，并有效捕捉邊界特性。網(wǎng)格的數(shù)量對數(shù)值模擬結(jié)果具有一定影響，過少可能會降低模擬的精度，而過多則可能增加計算的負擔(dān)、延長模擬時間，造成不必要的計算成本浪費[8.9]，因此需要在保證模擬精度的前提下，合理確定網(wǎng)格數(shù)量，以平衡計算精度和模擬效率。針對初始氣液慣性旋流分離器模型開展網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，選取5種不同網(wǎng)格數(shù)量103548、334268、512000、680963、845260、1009780的初始流體域模型進行數(shù)值模擬，以分離效率作為檢驗指標(biāo)，不同網(wǎng)格數(shù)量下的分離效率模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果

如圖2所示，分離效率隨網(wǎng)格數(shù)量的增加呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到680963后，分離效率幾乎不發(fā)生明顯變化。這說明此時網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響可以忽略，因此在對不同結(jié)構(gòu)的氣液慣性旋流分離器進行網(wǎng)格劃分時，將網(wǎng)格數(shù)量控制在690000左右，圖3為初始流體域的網(wǎng)格劃分模型。

2.1.2 計算模型

混合（Mixture）模型是一種用于簡化描述的多相流動模型，它能夠有效模擬分離器中的兩相介質(zhì)流動情況，混合相連續(xù)性方程可表示為[10]：

圖3初始流體域模型網(wǎng)格劃分

式中 u 質(zhì)量平均速度；α_k 第k相的體積分數(shù)；ρ 混合相密度。

混合相動量方程可表示為：

u_dr，k=u_k-u

式中 F 體積力；∣m∣ 相的序號；u_dr，k 相 k （跟混合相的質(zhì)量平均相對速度對比）的拖電速度;（20 μ 混合相黏度。

氣液慣性旋流分離器在工作時，其內(nèi)部流體處于一種湍流流動狀態(tài)，在數(shù)值模擬過程中，湍流流動過程的正確描述十分重要，因此建立或選擇合適的湍流模型是模擬過程的關(guān)鍵。雷諾應(yīng)力模型更符合旋流分離器的內(nèi)部規(guī)律，使用該模型進行模擬得到的實驗數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果誤差更小。雷諾方程實際上是圍繞 的輸運方程表達式，對于非旋轉(zhuǎn)系下的不可壓縮流動問題，由量綱分關(guān)系化簡整合得到方程[1]：

方程左端分別為應(yīng)力隨時間的變化率和對流項，右端 P_ij 為剪力產(chǎn)生項，可以忽略，其余3項分別為：

壓力應(yīng)變項

式中 k 湍動能；δ_ij -Kronecker符號；ε 湍能耗散率。

在涉及到尺寸分布的多相流中，除了動量、質(zhì)量和能量平衡之外，通常采用群體平衡模型來描述粒子群的演變[11，I2]。假設(shè) 是粒子體積，則數(shù)密度函數(shù)的輸運方程為：

其中，方程左邊3項分別為時間項、對流項和生長期；右邊分別為聚并成體積V的顆粒的增量和聚并造成該顆粒的數(shù)值密度減少量、破裂產(chǎn)生體積V的顆粒數(shù)值密度的增量和破裂造成該顆粒的數(shù)值密度的減少量， a（V，V^′） 表示體積為V和體積為V的聚并率， 是體積為V顆粒的破裂率。

Fluent提供的聚并模型包括Luo模型、自由分子模型、Liao模型及用戶自定義模型等。在Luo模型中，聚并被定義為粒子體積為 V_i 與體積V以下粒子的二元碰撞的結(jié)果，其控制方程為[13]：

式中 d 氣泡直徑；n 數(shù)量密度；ξ （20 湍流渦直徑與破裂氣泡直徑的比;

ω_ag（V_i，V_j） 聚并速率。

假設(shè)氣泡的破裂速率等于氣泡與渦湍流的碰撞頻率與破裂幾率的積，其控制方程為： （12）（20 （204號 （13）式中 V -子氣泡體積；（204 V^′ 原始氣泡體積；α 分散相存留分數(shù)； 破碎頻率。

2.1.3物性參數(shù)及邊界條件

借助ANSYSFluent軟件進行數(shù)值模擬分析，應(yīng)用Plackett-Burman（PB）篩選試驗設(shè)計方法分析氣液慣性旋流分離器的流場特性分布和分離性能，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的分離效率結(jié)果。

在數(shù)值模擬中，設(shè)置入口速度為 5.48m/s 。水相密度為 998kg/m³ ，黏度為 1.003mPa?s ，氣相密度為8.99×10^-2kg/m³ 。入口分散相氣體的粒徑設(shè)定為0.01，0.02mm ，各占 50% ，粒徑破碎聚結(jié)區(qū)間為0.01～0.20mm ，入口含氣體積分數(shù)為 13% 。溢流分流比設(shè)為 13% 。動量、湍動能和湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)離散格式，收斂精度設(shè)為 10^-6 。選擇SIMPLEC算法作為壓力-速度耦合方法。壁面條件為無滑移、不可滲透。

2.2Plackett-Burman試驗方法

目前常用的因素篩選方法有分式析因分析、平衡試驗及PB設(shè)計等。由于PB設(shè)計具有高效準(zhǔn)確、試驗組數(shù)少等優(yōu)勢，因此選擇PB設(shè)計來完成分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣相分離效果的顯著性分析，獲取高顯著性因素，排除非顯著性因素[14.15]。文中主要針對柱體直徑、柱體長度、溢流管直徑、溢流管伸入長度、錐角和底流管直徑這6個因素進行顯著性分析。每個因素分別設(shè)置兩個水平，進行了 N= 17組的PB設(shè)計。PB實驗因素及水平取值見表1。

表1PB實驗因素及水平取值表

2.3 分離效率評價方法

目前，對氣液慣性旋流分離器效率的評價指標(biāo)通常有簡化效率、質(zhì)量效率和綜合效率。其中，簡化效率能直觀地反映出分離性能的好壞，因此選取氣相簡化效率來評估分離器的分離性能。氣相的簡化效率可以定義為溢流管逸出氣體的質(zhì)量與入口氣體總質(zhì)量之比，計算公式為：

式中 E_j ——簡化效率；（204號 M_i ——入口管氣體的質(zhì)量；M_o 溢流管逸出氣體的質(zhì)量。

2.4數(shù)值模擬可靠性驗證

張爽等采用數(shù)值模擬方法，對比分析了不同含氣體積分數(shù)和氣相出口分流比對旋流分離器性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，含氣體積分數(shù)與氣相出口分流比對旋流系統(tǒng)分離效率的交互作用顯著，并結(jié)合試驗研究，驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性[10]

表2展示了文獻[10]研究的仿真設(shè)置與本研究仿真設(shè)置的對比。盡管提出的旋流器結(jié)構(gòu)與本研究的分離器結(jié)構(gòu)存在差異，但二者在數(shù)值模擬方法和邊界條件設(shè)置方面具有相似性，側(cè)面驗證了本研究數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。此外，對于兩種對流-擴散項的選擇，在Fluent軟件中，雖然收斂速度和穩(wěn)定性上有所不同，但對模擬結(jié)果的影響微乎其微。文獻[6，11]也采用了類似的數(shù)值模擬方法，并驗證了其準(zhǔn)確性。

表2仿真設(shè)置對比

3結(jié)果分析

3.1 氣泡粒度分布

圖5、6分別為氣液慣性-旋流分離器入口處的氣泡粒度分布云圖和氣泡粒度軌跡圖。

圖5氣液慣性旋流分離器入口氣泡粒度分布云圖

圖6氣液慣性旋流分離器入口氣泡粒度軌跡圖

從圖5中可以觀察到，氣泡在進入慣性入口后呈現(xiàn)出明顯的粒度分層現(xiàn)象。較大粒徑的氣泡在慣性作用下會分布在外層切向入口，而較小粒徑的氣泡則聚集在內(nèi)層切向入口，并進入旋流器靠近軸心區(qū)域，實現(xiàn)對小粒徑氣泡的預(yù)分離作用。在慣性入口內(nèi)，氣泡也會發(fā)生明顯的聚結(jié)現(xiàn)象，使氣泡粒徑由 0.02mm 逐漸增大到 0.16mm 左右，這有利于進一步提高氣液分離效率。氣泡進入旋流器后，在離心力的作用下進一步發(fā)生碰撞聚結(jié)，使氣泡粒徑達到 |0.20mm 左右。

3.2 氣相濃度分布

不同試驗組的氣相濃度分布如圖7所示。當(dāng)混合相以一定的初速度進入分離器后，在離心力的作用下會形成高速旋轉(zhuǎn)的流場。液相則沿著邊壁向下做螺旋運動，從底流口流出，而密度較小的氣相則會向軸心聚集，在軸心處形成氣核后向上運動，從溢流口排出。觀察圖7可知，不同試驗組的氣相濃度分布存在較大差異。例如，1#、15#、17#試驗中有大量的氣相分布在底流口附近，尤其是17#試驗，其底流口氣相濃度達到了0.4。而11#、16#試驗中的氣相分布較為集中，氣核較短且主要分布在溢流口附近，底流口的氣相濃度小于0.1，表明氣液分離效果較好。

3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析

通過數(shù)值模擬得到的17組PB試驗設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下，分離器的分離效率見表3。從表3中可以看出，在17組試驗中，16#試驗的分離效率最高，達到了 96.33% ；而15#試驗的分離效率最低，僅為 83.51% 。經(jīng)過優(yōu)化的氣液慣性旋流分離器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為：柱體直徑（因素A） 40mm 柱體長度（因素B） 170mm 、溢流管直徑（因素 C ）為11.5mm. 溢流管伸入長度（因素D） 30mm. 錐角（因素E） 6.9^° 和底流管直徑（因素 F 11mm 。

圖7 不同試驗組分離器內(nèi)氣相濃度分布云圖

表3不同PB試驗設(shè)計組及分離效率結(jié)果

表4所列為各因素對分離效率影響的顯著性檢驗結(jié)果。 P 值表示各因素對考察指標(biāo)的影響比重，值表示顯著性水平的高低，值越大表示該因素對考察指標(biāo)的顯著性越高。當(dāng) Pgt;0.05 時，表示該因素與指標(biāo)間沒有顯著意義，當(dāng) P?0.05 時，表示該因素與指標(biāo)間存在顯著意義，當(dāng) Plt;0.01 則表示兩者具有極顯著意義[11，15]。根據(jù)表4可以得知，這6個因素對分離效率影響的顯著性順序為 Dgt;Egt;Bgt; Agt;Cgt;F ，且因素A ?_?B，D，E 對分離效率有極顯著影響，而因素 C，F(xiàn) 對分離效率的影響則不顯著。圖8為各因素對分離效率影響的Pareto圖，條形統(tǒng)計圖的高度直接反映了因素的顯著水平，高度超出t-valuelimit，表示該因素對分離效率的影響顯著。

表4不同因素顯著性檢驗結(jié)果

圖8因素對分離效率影響的Pareto圖

經(jīng)過多項式擬合，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率之間的關(guān)系模型：

E_j=90.91-1.40×A+1.81×B-0.5475×C-2.41×

D＝1.88×E+0.2725×F

由式（15）可知，因素 B，F(xiàn) 與分離效率呈正相關(guān)，而因素 _D，E，A ） C 與分離效率呈負相關(guān)。對回歸方程式（15）進行方差分析，得到回歸模型可靠性分析結(jié)果（表5）。結(jié)果顯示，模型的 P_robgt;F 值小于0.0001，這表明在研究范圍內(nèi)回歸模型擬合度較高[16]。

3.4入口角度對分離性能的影響

3.4.1 氣泡粒度分布

以PB試驗優(yōu)化得到的最佳結(jié)構(gòu)（16#試驗）為基礎(chǔ)，進一步研究入口角度對氣液慣性旋流分離器分離性能的影響。圖9展示了在不同入口角度條件下的氣泡粒度分布云圖。通過圖9可以觀察到，隨著入口角度的增大，不同粒徑的氣泡更容易發(fā)生預(yù)分離。特別是當(dāng)入口角度大于 100^°"時，氣泡之間的聚結(jié)和預(yù)分離現(xiàn)象變得顯著。這是因為隨著入口角度的增大，入口管內(nèi)氣泡所受的離心力作用增強，不同粒徑氣泡在離心力和慣性的共同作用下，其運動軌跡會不斷交叉，從而導(dǎo)致碰撞和聚結(jié)的發(fā)生。

表5回歸模型可靠性分析結(jié)果

圖9不同入口角度條件下氣泡粒度分布云圖

3.4.2 壓力損失

壓力損失作為旋流分離器的重要評價指標(biāo)之一，其大小直接反映了旋流分離器在分離過程中能量損失的程度。混合液的分離是依靠于壓力損失來獲取其所需的能量，在相同的分離效率下，壓力損失越小代表旋流分離器的性能越好[17]。圖10展示了入口角度與旋流器最大壓力損失之間的關(guān)系曲線。顯然，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，入口角度越大，最大壓力損失越小，二者呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。當(dāng)入口角度為 120^° 時，最大壓力損失為 0.162MPa 。這是因為隨著入口角度的增大，混合相進人旋流器時的湍動能減小，從而減少了與壁面摩擦相關(guān)的能量損失，導(dǎo)致最大壓力損失相應(yīng)降低。

3.4.3 分離效率

表6為不同入口角度下氣液慣性旋流分離器的分離效率，由表6可知，隨著入口角度的增大，氣液旋流分離器的分離效率呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當(dāng)入口角度為 100^° 時，氣液分離效率達到最高值 97.02% 。出現(xiàn)這種趨勢的原因在于，隨著初始入口角度的增加，氣泡受到的慣性力和離心力增加，導(dǎo)致不同粒徑的氣泡更容易發(fā)生聚結(jié)和預(yù)分離。然而，隨著入口角度進一步增加，氣泡與液體所受離心力差異繼續(xù)增強，這有利于氣泡之間的聚結(jié)，但受到入口管徑限制，進一步增大的氣泡容易發(fā)生破碎，同時不同粒徑氣泡間的慣性效應(yīng)逐漸減弱，預(yù)分離效果受到影響。

圖10入口角度與最大壓力損失的關(guān)系曲線

表6不同入口角度下的氣液分離效率

3.4.4慣性入口與常規(guī)入口對比

通過對氣液慣性旋流分離器的一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出了最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)：柱體直徑為 40mm 、柱體長度為 170mm 溢流管直徑為 11.5mm 溢流管伸人長度為 30mm 、錐角為 6.9^° 、底流管直徑為 11mm 、入口角度為 100^° 。圖11展示了慣性旋流分離器與常規(guī)旋流分離器的氣相云圖及分離效率對比。主剖面云圖顯示，慣性分離器內(nèi)氣核分布整體向上移動，溢流管內(nèi)氣相體積分數(shù)顯著高于常規(guī)結(jié)構(gòu)，更多氣體充滿溢流管，有效減弱了液相帶氣現(xiàn)象。從俯視云圖觀察，慣性結(jié)構(gòu)形成的氣核形狀更加對稱，分布更集中，靠近軸心附近氣相濃度更高，表明該入口結(jié)構(gòu)對氣體的分離效果更佳。對比分離效率得出，慣性旋流分離器的分離效率較常規(guī)旋流分離器提高了8.25個百分點，驗證了文中提出的慣性入口的分離優(yōu)勢。

圖11常規(guī)與慣性分離器氣相云圖及分離效率對比

4結(jié)論

4.1氣泡在進入慣性入口后呈現(xiàn)出明顯的粒度分層現(xiàn)象，較大粒徑的氣泡在慣性作用下會分布在外層切向入口，而較小粒徑的氣泡則聚集在內(nèi)層切向入口，并進入旋流器靠近軸心區(qū)域，實現(xiàn)了對不同粒徑氣泡的預(yù)分離作用。

4.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣液慣性旋流分離器分離性能的影響程度排序為：溢流管伸入長度 gt; 錐角 gt; 柱體長度 gt; 柱體直徑 gt; 溢流管直徑 gt; 底流管直徑。優(yōu)化后的氣液慣性旋流分離器最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為：柱體直徑 40mm 、柱體長度 170mm 、溢流管直徑11.5mm 、溢流管伸入長度 30mm 、錐角 6.9^° 和底流管直徑 11mm 。

4.3通過建立并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與分離效率之間的關(guān)系模型，發(fā)現(xiàn)柱體長度和底流管直徑兩因素與分離效率之間呈正相關(guān)趨勢，而溢流管伸入長度、錐角、柱體直徑和溢流管直徑等因素與分離效率呈負相關(guān)趨勢。

4.4隨著入口角度的增加，氣液慣性旋流分離器的壓力損失呈現(xiàn)下降趨勢，而分離效率則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)入口角度為 100^° 時，不同粒徑氣泡間的聚結(jié)和預(yù)分離現(xiàn)象最為明顯，氣液分離效果最佳，分離效率可達 97.02% ，與常規(guī)氣液旋流分離器相比，文中所采用的慣性結(jié)構(gòu)對氣體的分離效果更好，分離效率可提高8.25個百分點。

參考文獻

[1］汪耀宗，康波，何潔，等.特高含水油田剩余油分布與挖潛技術(shù)研究[J].石油化工應(yīng)用，2021，40（10）：85-89.

[2]唐艷敏.特高含水老油井同井注采油水氣砂分離器研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2023.

[3] 王躍進，袁惠新，趙曉梅.旋流分離技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用[J].石油礦場機械，2003，32（1）：34-36.

[4] WANGYA，CHENJY，YANGY，etal.Experimentalandnumericalperformancestudyofadownward dual-inletgas-liquidcylindricalcyclone（GLCC）[J].Chemi-calEngineeringScience，2021，238：116595.

[5]邢雷，關(guān)帥，蔣明虎，等.高氣液比井下氣液旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析[J].化工學(xué)報，2024，75（3）：900-913.

[6] 王振波，李騰，孫治謙，等.級聯(lián)式氣液旋流分離器數(shù)值模擬[J].中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2023，47（6）：121-129.

[7]周聞，鄂承林，李永祺，等.新型多旋臂氣液分離器入口旋流頭的預(yù)分離特性研究[J].化工學(xué)報，2021，72（9）：4775-4785.

[8]邢雷，苗春雨，蔣明虎，等.井下微型氣液旋流分離器優(yōu)化設(shè)計與性能分析[J].化工學(xué)報，2023，74（8）：3394-3406.

[9] 謝向東，王曄春，王進芝，等.低入口含氣率下柱狀旋流器氣液分離特性研究[J].工程熱物理學(xué)報，2021，42（11）：2873-2878.

[10] 張爽，趙立新，劉洋，等.脫氣除油旋流系統(tǒng)流場分布及分離特性[J].化工進展，2022，41（1）：75-85.

[11] 苗春雨，邢雷，李楓，等.緊湊型氣液旋流分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)顯著性分析[J].石油機械，2023，51（5）：86-93.

[12] 任向海，彭振華，丁雯，等.基于CFD-PBM模型的井下油水旋流分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)選[J].石油機械，2023，51（6）：66-73.

[13]張磊.氣液旋流分離器流場特性及分離性能研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2023.

[14]李新亞，蔣明虎，邢雷，等.基于Placket-Burman設(shè)計的微型旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析[J].流體機械，2023，51（3）：42-48.

[15] 邢雷.旋流場內(nèi)離散相油滴聚結(jié)機理及分離特性研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2019.

[16] 李新亞，蔣明虎，邢雷，等.基于Plackett-Burman設(shè)計的微型旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析[J].流體機械，2023，51（3）：42-48.

[17]張明，孫歡，王強強，等.管式旋流氣液分離器流場特性與分離性能研究[J].過程工程學(xué)報，2024，24（7）：772-782.（收稿日期：2024-09-09，修回日期：2025-07-15）

Structural Design and Optimization of Gas-Liquid Inertial Hydrocyclone Separator

WU Zhen-yu1， YU Jiang-hong1，WANG Li-na2ab， GUO Zhao-yang2ab， ZHANG Shuang2a，l

1.WuhanInstituteofMarineElectricPropulsion，ChinaShipbuildingIndustryCorporation；2a.SchoolofMechanica ScienceandEngineering；2b.HeilongjiangKeyLaboratoryofPetroleumandPetrochemical MultiphaseTreatment andPollutionPrevention，NortheastPetroleumUniversity）

AbstractAiming atthe diffculty in separating the high gas content and small particle size bubbles in the produced fluid of oil fields，a new gas-liquid separator structure based on inertial pre-separation and cyclone separation principle was proposed and Placket-Burman（PB）experimental design method was used to determine the key structural parameters afecting the separation efciency，including establishing the mathematical relationship model between the structural parameters and the gas-liquid separation eficiency.In addition，based onthe PB test results，the influence of the inlet angle on the separation performance of the gas-liquid inertial-cyclone separator was analyzed.The results show that，the order of significance of structuralparametersfrom high to lowisthe overflow pipe extension length gt; cone Angle gt; cylinder length gt; cylinder diameter gt; overflow pipe diametergt;underflow pipe diameter.When the inlet Angle is 100^° ，the inertial pre-separation effect becomes the best and the gas-liquid separation eficiency can reach 97.02% ：

Key Words cyclone separator， gas-liquid separation，small particle size bubble，structural parameter， significance analysis，PB experimental design