现场应用表明,涡流工具可以有效地将低产气井中的临界携液速度降低30%;同时也有不少应用实例却难以实现预期的效果,这就限制井下涡流工具的进一步推广应用。因此,有必要对涡流工具在低产气井条件下携带液滴的机理和优化设计方法进行深入研究。本文研究了涡流工具携液的工作原理,基于环状流的液膜流动过程改进了临界携液流速计算模型,并在数值模拟基础上对涡流工具进行了优化。首先,在文献研究和图形分析基础上,对垂直环状流特征进行研究,建立了基于液膜流动的临界携液流速计算模型。随后,为进行涡流工具的数值模拟,采用Gambit2.4.6建立了计算模型并划分网格,并采用Ansys Fluent 15.0计算得到流体流动特性的结果,进而完成研究和分析。基于垂直环状流液膜流动分析,建立了携液临界流速计算模型,该模型可计算液膜厚度、截面空隙率等参数。计算结果表明,基于液膜流动的临界流速低于基于液滴的临界流速。数值模拟结果表明,涡流工具将使得气液混合物形成螺旋形的流动形式。气液混合物向上加速,气体集中在管道中心,液体分布在管道内壁。液膜具有向心加速度,并与加速的气体核心一同向下游流动。气体核心的速度分布计算表明,中心处速度略低于近管壁处。经过涡流工具后,下游混合的速度会有所增加。数值模拟表明,涡流工具长度为127毫米,叶片长度为63.5毫米时,将得到最佳的排液效果。