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节流阀作为流体传动与控制的重要工业基础元件,在原油开采、集输和分离处理等环节得到了广泛应用,但其在工作过程中产生强烈的剪切乳化作用,致使油水混合物中分散相液滴发生破碎,增大了后续油水分离处理的难度。因此,研究开发低剪切节流阀对提高油水分离效率至关重要,而国内迄今为止仅围绕低剪切节流阀开展了初步结构设计和可行性初探,在设计分析方法和相关作用机理方面缺乏深入研究。论文对国内外节流阀致使液滴破碎机理、旋流场液滴聚结机理以及低剪切节流阀进行了总结阐述,借助CFD数值模拟验证了粒子动态分析仪(PDA)测量的准确性,采用粒子动态分析仪就高含水油水混合物在不同实验条件下通过节流孔板后分散相液滴的破碎机理开展了实验研究。实验结果表明,分散相油品粘度、界面张力以及流量的变化均对液滴破碎产生一定影响;切向速度梯度变化对液滴破碎影响最大。在此基础上,采用CFD-PBM(群体平衡模型)数值模拟和实验方法对单个不同方向阀笼孔流道后液滴粒径进行了对比分析,将PBM模型中聚结模型修正为turbulent-model;利用修正的PBM模型就不同类型流道后液滴粒径进行模拟分析,最终确定了低剪切节流阀的基本结构方案为“切向阀笼孔+文丘里旋流室‖。基于基本结构方案和常规柱塞式节流阀结构特点,确定了低剪切柱塞式节流阀的初步结构,采用响应曲面法和修正的CFD-PBM数值模拟手段对关键结构进行了优化,最终确定了低剪切节流阀的整体结构尺寸。为验证低剪切柱塞式节流阀的可行性和性能特点,加工了低剪切柱塞式节流阀和常规柱塞式节流阀,并搭建了节流阀性能测试评价实验装置,基于高含水油井开采的油水混合物典型特征,实验考察了不同实验条件对低剪切节流阀后分散相油滴粒径的影响,对比了在不同单因素实验条件下两种节流阀后分散相油滴粒径。结果表明,当压力为0.05MPa,流量为0.5m~3/h,含油浓度为12000ppm时,低剪切节流阀性能最好;无论在何种实验条件下,低剪切节流阀后的油滴粒径均大于常规节流阀,验证了低剪切节流阀的性能优势。本文首次在国内从“机理→结构→特性”的角度对低剪切节流阀开展了系统全面研究,为国内原油开采用节流阀产品的升级换代、提高集输处理设备的分离效率提供了必要的技术支持,极大地丰富了油水混合物乳化机理的研究内涵。