多管旋风分离器是一种气固分离设备,因结构简单、分离效率高等优点被广泛用于输气站场天然气净化处理工艺过程中。其核心分离元件是导叶式旋风管,待处理气体沿轴向进入旋风管后,在叶片的导向作用下将流体的轴向运动转换为切向运动,利用气固两相的密度差完成气固分离。输气站场主要使用的多管旋风分离器一般由筒体直径为50～150 mm的多个单管导叶式旋风子并联组成,与切向入口式结构相比,具有占地面积小、处理气量大等优点。目前输气站场用多管旋风分离器的除尘效果并不十分理想,一方面由于大量颗粒堆积在分离器内,在清管过程中可能造成堵塞；另一方面分离效率偏低,造成过滤分离器负荷大,滤芯更换频繁,运行成本高,同时还可能造成下游调压、计量设备失效,运行寿命减短。随着社会对节能减排要求的不断提高,不仅需要旋风分离器有较高的分离效率,还要求较低的压降。因此,本文利用数值模拟与理论分析相结合的方法,以计算流体力学、多相流为理论依据,对多管旋风分离器的内部流场进行仿真分析,并研究了不同操作条件对分离性能的影响规律。同时,对旋风子的导向叶片结构进行了优化。该研究结果可为多管旋风分离器的现场操作提供理论指导,具体研究内容如下：首先,基于纳维尔-斯托克斯方程和连续性方程,采用RNG k-ε湍流模型,运用有限体积法,模拟、分析多管旋风分离器内部的气相流场,得到气相流场的流动规律。改变流体入口速度,研究其对各单管旋风子进气均匀性的影响。随后加入DPM离散相模型模拟两相分离过程,并计算得到多管旋风分离器的粒级分离效率和压降。同时,研究不同流体入口速度、颗粒直径、颗粒密度、操作压力和颗粒浓度下多管旋风分离器的分离效率和压降的变化规律,为现场操作提供理论指导。然后,利用单一变量法,按照同样的操作条件,对单管旋风子导向叶片的数量、厚度、叶片入口和流体入口截面距离、叶片出口角度、叶片包弧长和叶片高度六个参数进行分析,得到分离效率和压降随各参数变化的规律及相应方程。另外,还对三种不同导向叶片形状(楔形、弧形和梭形)旋风管的分离效率和压降进行了分析。通过这些研究,为单管旋风子的优化设计奠定基础。最后,基于RSM曲面响应法和数值计算相结合的方法对导向叶片进行优化设计。建立以分离效率最大和压降最小为目标函数,以导向叶片的叶片数量、叶片厚度、叶片包弧长和叶片高度为设计变量的优化数学模型。通过对分离效率和压降的二次响应曲面的回归分析,得到单管旋风子导向叶片结构的响应面模型,进一步进行最优控制参数的求解,从而得到导向叶片的优化模型。利用实验室实验的方法,测量单管旋风子的粒级效率和压降,并与数值模拟方法进行对比,模拟结果和实验结果的符合度应较好。本论文基于计算流体力学软件Fluent,详细研究了输气战场用多管旋风分离器的分离性能,对现场操作具有指导意义。另外,结合RSM曲面响应法的导向叶片的优化设计,为提高旋风管的分离性能提供参考。