《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Review on Structure-Flow Field Relationship in Hydrocyclones for Environmental Applications
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现代工业与农业发展导致大量含油废水，高效油水分离技术研究面临长期挑战。水力旋流器因其紧凑高效特性成为优选技术，但其高压降、窄操作窗口等问题仍需解决。本文提出基于功能区域协同优化的分析框架，将旋流生成区、分离区和排放区整合为系统化调控单元，揭示结构参数与流体场特征、分离性能的内在关联。研究重点在于通过结构优化实现流体场精准调控，为工程应用提供新思路。
刘美莉|冯永祥|李一飞|王阳|傅志豪|陈家庆
北京石油化工技术研究院环境工程系，中国北京市大兴区清源北路19号，102617
摘要
现代工业和农业的扩张以及生活方式的变化产生了大量的含油废水。高效分离和回收油水混合物一直是一个持续存在的科学和技术挑战，已经持续了一个多世纪。由于结构简单、体积紧凑且效率高，旋流器在油水分离方面显示出广泛的应用前景。近年来，随着分离需求的增加，开发出了许多旋流器的结构变体，并逐渐解决了传统设计中的局限性，如高压降和狭窄的操作窗口。基于旋流器的工作原理，本研究建立了一个以流场调节为中心的分析框架，将旋流器的旋流生成区、分离区和液体排放区纳入一个协调的功能区域优化系统中。该研究强调了旋流器的结构-性能关系，重点关注几何配置如何塑造流场行为并指导优化策略。旨在实现精确流场控制的结构优化被认为是提高旋流器性能和拓宽其工程应用的关键途径。
引言
现代工业和农业的迅速扩张，加上生活方式的变化，导致含油废水量显著增加。这不仅对环境构成威胁，还导致资源浪费[1]、[2]、[3]。高效分离油水混合物和回收资源一直是一个持续存在的科学和技术挑战[4]、[5]。旋流器用于液-液分离的技术起源于1978年，当时南安普顿大学的Martin Thew教授及其同事设计了第一个模型，并在澳大利亚的巴斯海峡石油生产平台上测试了其效率[6]。从那时起，由于旋流器体积小、分离效率高且运动部件少，它们已成为废水除油的首选技术[7]、[8]、[9]、[10]。迄今为止，旋流器已经从最初的切向流设计发展到多种结构类型，包括轴流和混流[11]、[12]。然而，由于旋流器内部的流动动力学复杂，流场特性与设备结构之间的关系仍然不明确。传统的旋流器继续面临诸如高压降、单台处理能力有限、操作窗口狭窄以及设备性能和颗粒尺寸切割效果不佳等挑战[13]。因此，提高旋流器的处理能力和分离性能仍然是分离科学和技术中的一个关键挑战。
全面了解旋流器内的流场分布及其对分散液滴运动的影响，对于阐明旋流器内的油水分离机制至关重要[16]。在此基础上，明确旋流器结构对内部流场的调节作用是克服旋流器分离瓶颈的关键。因此，关于旋流器内流场特性的研究一直在进行中。早期的研究主要考察了旋流器内的时间平均流场特征，如切向速度和轴向速度[17]。现在普遍认为，时间平均切向速度沿径向呈现出双涡旋分布，由一个内部准刚性涡旋和一个外部准自由涡旋组成。同时，轴向速度在核心区域呈上升流动，在外围区域呈下降流动[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。随着测量技术的进步，我们对时间平均速度的轴向变化和径向边界位置的变化有了更深入的理解：随着能量损失的增加，切向速度沿轴向逐渐减小，内外涡旋之间的界面向外移动[16]。相应地，轴向速度从上升和下降流动共存转变为主要向下流动[23]。然而，由于实验技术的限制，大多数现有研究仍然局限于单相流场的观察，难以直接捕捉到两相流动行为和分离过程的动态特性[24]、[25]。因此，对湍流分布、瞬态流动演变和液滴相互作用的理解仍然有限。随着计算流体动力学（CFD）的快速发展，应用CFD分析旋流器内的复杂流动将两相液体运动的理解提升到了一个新的水平[24]。越来越多的注意力集中在连续相速度分布对分散液滴的运动、变形、破碎和聚并的影响上[14]。同时，也越来越认识到液滴的属性（包括粘度、密度和大小）对连续相流场的影响[26]、[27]。最近，人们越来越重视时间平均连续相流场的稳定性在决定旋流器分离性能中的作用。时间平均流场的分析变得越来越精细，引入了诸如零垂直速度轨迹（LZVV）等概念来表征流动特征[21]。相应地，提出了各种结构改进方案。文献中出现了新的旋流器配置，包括多入口[28]和轴入口设计[29]。然而，在数值模拟中，使用不同的湍流模型、网格分辨率和界面相互作用模型可能会导致预测结果的差异，从而增加了解释复杂两相流动现象的不确定性[25]。同时，越来越多的研究采用CFD和智能优化技术来促进流场调节和结构参数的耦合设计。遗传算法、响应面方法、粒子群优化和随机森林模型等方法可以用来构建替代模型或数据驱动模型，从而快速优化结构参数和操作条件[30]、[31]。
尽管实验测量技术的进步和CFD方法的发展加深了对旋流器内流动特性和分离过程的理解，但通过结构设计主动控制内部流场以实现最佳流动分布仍然是一个主要挑战。特别是随着湍流理论的逐步发展，旋流器内的湍流结构及其演变尚未得到足够的关注。从实验室原型到工程设备的放大过程中，流场尺度效应和相似性标准仍然是关键挑战。由于旋流器内的强烈旋流、多相耦合和能量耗散，从小尺度模型获得的流动特性可能在较大尺度上发生变化，从而影响分离性能的预测[32]。因此，建立可靠的相似性标准和模拟与实验之间的有效尺度关联对于提高工程放大过程中的预测准确性至关重要。
一些现有的综述系统地总结了从操作条件、结构优化和设备放大角度出发的旋流器分离性能提升研究，涵盖了流量、分流比、进料浓度以及小尺度强化策略等因素[9]、[33]、[34]、[35]。然而，关于内部流场演变和结构设计与分离机制之间内在关系的讨论仍然相对有限。本文将从流场调节的角度回顾旋流器结构对时间平均流场和湍流特性的影响。它强调了入口、旋流生成区和分离区配置与流场特征（如切向速度大小、LZVV长度以及液滴破碎和聚并）之间的相关性。提出了一种基于功能区域的分析框架，将旋流器分为三个区域：旋流生成区、分离区和排放区。在该框架内，系统地回顾了每个功能区域内结构配置对内部流场调节和分离性能的影响。这种方法有助于揭示旋流器结构设计、流场演变和油水分离机制之间的内在关系，并为结构优化和工程应用提供了新的见解。
部分摘录
工作原理
涡流分离技术本质上是一种改进的差分沉降分离方法[35]、[36]。尽管旋流器存在各种结构形式，但其配置通常可以分为三个功能区域：旋流生成区、分离区和液体排放区。旋流生成区包括入口和旋流诱导元件，是流体进入旋流器并开始旋转运动的区域；分离区
旋流生成区对流场的影响
旋流生成区通常由入口、旋流诱导元件和环形腔室组成，是流体产生旋流运动的区域，直接决定了旋流器内的旋流强度。其结构设计直接决定了旋流强度和初始流场分布，在旋流器的分离效率和运行稳定性中起着关键作用，并对设备的分离性能有显著影响
分离区对流场的影响
旋流器的分离区主要位于旋流器的圆锥形部分，这是流体完成分离运动的主要区域，由切向速度和轴向速度等流场特性的协同作用形成。有效的分离区主要包括内部涡旋区、外部涡旋区和过渡区。
液体排放区对流场的影响
旋流器的液体排放部分由溢流管和底流管组成，负责排放分离后的油水相。轻相（油）通过溢流管排出，而重相（水）通过底流管排出，完成分离过程。根据油排放配置，旋流器可以分为逆流和顺流排油类型[75]、[99]。在逆流情况下湍流特性
旋流器内的流动由一个外部准自由涡旋和一个中心准强制涡旋组成。研究发现，湍流脉动的产生和传输与近壁流动密切相关。湍流是一种复杂的多维不规则运动，通常伴随着各种尺度涡旋的形成，占据整个流场并在时间和空间上演变[105]、[106]、[107]、[108]。由于高结论
本研究采用综合的流场调节视角，基于三个功能区域（旋流生成区、分离区和排放区）建立了一个协作的分析框架。在该框架内，系统地回顾了结构参数、流场特性和分离性能之间的内在关系。与根据结构配置分类的传统方法不同，本研究强调了
作者贡献声明
傅志豪：撰写 – 审稿与编辑。陈家庆：监督、资金获取、概念化。李一飞：方法论、调查。王阳：可视化、调查。刘美莉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法论、资金获取、概念化。冯永祥：撰写 – 原始草稿、调查、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号21908008）的资助。作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
