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本文围绕页岩气压裂返排液旋流除砂的研究背景,将压裂返排液水力旋流器作为研究对象,以揭示入口充气条件下压裂返排液分离机理、提高固液分离效率、减小能耗为研究目标,采用理论分析、计算流体动力学模拟与实验研究的方法,开展入口充气方式、充气量以及破胶程度对水力旋流器影响规律的研究。利用内流场分布形态和能量损耗与方程对比分析法,即流型与方程结合法(Flow patterns and equation models,FP-EM),通过内流场空气柱的稳定性确定出入口速度为4 m/s-14 m/s,以水力旋流器内流场能量损失最小为目标,确定出最佳入口流速范围为4 m/s-10 m/s。在最佳入口流速范围内对空气柱的形成过程及形态进行了详细的研究,结果表明:物料不含气体时,底流口与溢流口负压区将外界气体吸入内流场形成空气柱,当物料中含有气体时,空气柱中绝大部分气体来自溢流口与底流口,并且最终通过溢流口排出;空气柱处于溢流口底部(Z=36 mm附近)时直径突然增大,然后不断减小,空气柱直径最小值出现在锥段中部(Z=-70 mm附近),而后不断增大并在底流口处(Z=-150 mm附近)剧烈震荡。在恒定入口液体流量充气条件下,随着气液比(Gas liquid ratio,GLR)升高,壁面处压力、底流压差及溢流压差均呈现非线性增长的趋势;随着GLR升高,切向速度增大,却减小了较小GLR(10%～20%)下的组合涡流场指数;随着GLR升高,轴向速度不断增大,然而过高的GLR(GLR>40%)却增加了流场的不稳定性;GLR的升高提高了水力旋流器的除砂效率并减小了切割粒径(d50),当GLR<30%时组合涡流场指数较小且分离效率较低,GLR>40%时能量损耗较大,确定出最佳GLR区间介于30%～40%。在最佳入口速度范围内,对恒定入口气液流量条件下的水力旋流器进行充气得到:随着GLR的增加,切向速度峰值与n值均增大却降低了压强与压差值;轴向速度减小,并且零速包络面(Locus of zero vertical velocity,LZVV)内迁,增加了颗粒的停留时间减小了分流比;内流场中连续相粘度与密度减小,颗粒沿径向向外的合力增大,有利于颗粒往壁面方向的移动;粒径为15μm的颗粒受GLR影响最大,分离效率提高了 6.75%,粒径为30 μm的颗粒受GLR影响最小,分离效率提高了 0.57%;当0
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