为了研究不同分流比及入口速度对内锥式水力旋流器分离性能的影响,应用计算流体动力学(CFD)软件Fluent进行数值模拟,对比了不同分流比及入口速度条件下内锥式水力旋流器的切向速度、轴向速度、压力损失以及分离效率等。研究结果显示逐渐增大分流比后,旋流器的综合效率先增大后减小,当分流比调节到20%时,内锥式水力旋流器的分离效果最好、综合效率达到最大。逐渐增大入口速度后,旋流器的分离效率呈现先升高后降低的趋势,当速度为11.1 m/s时,旋流器的分离效率最大,表明分离效果最好。

以某一特定结构的旋流器作为研究对象,采用mixture混合模型、symmetric曳力模型及RSM雷诺应力模型等,通过数值模拟的手段分析操作参数、物性参数与分离效率之间的关系。其中,最佳溢流比为0.14;最高分离效率为96.85%;由于受剪切力的影响而出现变形、破碎及再碰撞聚结的影响,粒径为1 mm时,分离效率最高。

利用数值模拟技术,研究了水力旋流器内的压降及压力分布特性,计算得到的各种旋流管的压降结果和实测值吻合较好,其相对误差不超过15%;径向压力梯度的计算结果表明:圆筒段不利于分离;大锥段有利于油滴向轴心方向运移,尾直管是油滴向轴心移动的低效区.旋流管各段压降所占比例基本上不随流量变化而变化,其中圆筒段最小,小锥段最大,尾管段稍大于大锥段.

分析了入口总流量、分流比、溢流口直径与液一液水力旋流器压降比的关系，讨论了大、小锥角及入口尺寸比变化对压降比的影响，结果表明：给定结构参数水力旋流器的压降比随分流比增加而增大，而当分流比不变时，压降比随溢流口直径的增大而降低；当改变水力旋流器结构参数时，压降比随小锥角增加而增大，而大锥角的改变对压降比的影响不大；改变入口尺寸比主要影响压降比和分流比关系曲线的起点位置。

在不同流量和分流比的多个工况下应用LDV/APV可适性激光多普勒测速仪,对35mm液液分离水力旋流器模型各锥段的不同截面进行了流场测量.实验结果表明,由于旋流介质的切向冲刷作用,大锥管段的测试效果比较好;随流量或分流比的增大,旋流分离能力均增强,旋流器中心的空气芯增粗;越往尾管段,空气芯脉动逐渐增强;在每条测量半径上,空气芯边缘和旋流器器壁附近,湍流度较大,半径中央区域内分布平缓.

为了研究圆柱形溢流口和圆台形溢流口对水力旋流器分离过程性能的影响,该文通过ANSYS软件分别求解其内部速度流场和压力场,分析流场的稳定性。研究结果表明:圆台形溢流口水力旋流器中心轴处的切向速度为零,往外延伸速度不断增大,但在旋流器内壁处,切向速度骤降为零;圆柱形溢流口水力旋流器的切向速度变化规律与之相似,但圆台形溢流口的切向速度变化规律更加平稳。圆台形溢流口水力旋流器整体压降要比圆柱形溢流口水力旋流器大13 kPa;进一步分析两种水力旋流器的分离效率和湍流强度,发现圆台形溢流口的分离效率和湍流强度比圆柱形溢流口略高,固-液两相流在旋流器内部停留的时间更长,分离效率更好。

为解决疏浚泥含沙量过大，应用FLUENT软件建立了水力旋流器内两相湍流三维模型，基于疏浚泥的物性特点，研究了水力旋流器圆柱段长度对分离效率的影响，推导出适用于疏浚泥分离用旋流器的能量损失公式。提出了一种完全长柱型旋流器，其分离效率和耗能都优于常规长锥型旋流器。在保证较高分离效率的情况下，调整入口流速，得到了入口流速、分离效率和能量消耗的关系，为旋流器的选择提供了依据。并验证了在疏浚泥浓度范围内，此类型旋流器均能够达到较高的分离效率。

在对导叶式液一液旋流器进行分离性能试验研究的基础上，应用APV激光测试技术在不同流量条件下对该类水力旋流器内部流场进行了测试，从流场的角度进一步分析了人口流量这一操作参数对水力旋流器分离性能的影响，为水力旋流理论的研究提供了新的思路。

水力旋流器内径向压力分布规律可根据对应的切向速度分布规律求出，分别针对准自由涡区和强制涡区的不同特点得到静压力的计算公式。对旋流器内某一典型截面的压力分布的理论值和模拟值进行了比较，并进一步对旋流器内的能耗进行了分析，发现旋流器的内部损耗主要集中在溢流管半径以内的区域。

湿法烟气脱硫装置中水力旋流器分级试验表明，进口石灰石浆液的颗粒质量浓度15％时，溢流口颗粒质量浓度达30％；溢流颗粒则集中于30μm以下；随着颗粒粒径的增大，颗粒底流口回收率也在增大，当粒径达到30μm时，回收率已经接近100％。数值模拟表明，雷诺应力湍流模型、自由表面多相流动模型和斯托克斯拉格朗日模型能很好地描述水力旋流器内复杂三维运动的石灰石颗粒分级运动和规律。采用了初始边界条件不需给分流比、也不需设定空气柱的数值方法，模拟结果显示了空气柱的形成、流体的旋流流动。模拟得到的不同粒径颗粒的分级效率与高进口质量浓度条件下的试验结果吻合较好。