为解决海上油田生产水量日益增多和平台空间有限这一矛盾,迫切需要研制开发分离效率高、体积小、重量轻的内联紧凑型分离技术。轴向涡流分离技术将轴向流动和涡运动巧妙结合,能够实现大处理量单管式快速分离,使真正意义上的内联式紧凑型分离成为可能。然而至今为止,仅美国EVTN公司有相关产品推广应用的报道,缺乏分离机理和设计理论体系方面的研究文献。本文利用涡运动的相关理论,对轴向涡流分离器内部流场和影响分离性能的关键因素进行理论分析,从而有针对性地建立设计理论模型。基于所建立的设计理论模型,对影响分离性能的关键零部件——渐变螺旋形叶片和静止锥形机筒的关键结构参数进行分析,并依此初步完成BIPTVAS-Ⅰ型轴向涡流分离器样机的设计。然后以理论分析结论为参考,利用商业计算流体动力学(CFD)软件包Ansys Fluent 14.0,就渐变螺旋形叶片和静止锥形机筒关键结构参数变化对分离性能的影响进行了数值模拟分析。由于渐变螺旋形叶片的结构参数较多,且各参数间没有明显关系可以遵循,本文以CFD数值模拟结果为样本,利用BP神经网络对其进行非线性分析。分析结果表明,当涡发生器转速为2300rpm、转鼓内径为φ60mm时,渐变螺旋形叶片的最优参数组合为：高21.5mm、长170mm、出口导程角72°。对于结构参数较少的静止锥形机筒,则直接采用单因素分析法对CFD数值模拟结果进行分析,由此优选出的连续相出口直径和机筒长度取值分别为φ40mm和800mm。在最优结构参数下,轴向涡流分离器分离效率的CFD数值模拟值可达90%,且数值模拟值和BP神经网络预测值相吻合,最大误差仅有8.67%。在最优结构参数下,基于CFD数值模拟分析操作工艺参数对轴向涡流分离器分离性能的影响。分析结果表明,中心流率是调整分离器操作工艺参数的关键依据,当中心流率接近零值时,轴向涡流分离器的分离性能较好。与此同时,研究了轴向涡流分离器静止锥形机筒中流体的压力、切向速度和轴向速度分布规律。分析结果表明,静止锥形机筒中横截面上流体的压力呈中心低外环区高的分布规律,且不随机筒轴向位置的变化而变化。当中心流率小于零时,静止锥形机筒中心低压区的压力亦小于零。静止锥形机筒入口处流体切向速度分布完全符合固体涡的分布规律,随着距涡发生器出口距离的增加,近壁区切向速度受涡壁面耗散的影响而大幅度降低；当机筒锥角大于0.8。时,近壁区流体的切向速度呈抛物线分布,而远离壁面区流体的切向速度保持不变。涡发生器出口处流体的轴向速度分布规律与压力分布类似,中心低外环区高,最大轴向速度所在位置随距涡发生器出口距离的增加而逐渐向中心靠近。对比分析CFD数值模拟与设计理论模型对切向速度和轴向速度的计算结果发现,机筒任意截面73.56%以上的区域理论计算值和CFD数值模拟值相吻合,切向速度的主要误差出现在近壁区,而轴向速度的误差随距涡发生器出口距离的增加而增加。为尽量提高设计理论模型的预测精度,根据CFD数值模拟结果给出了机筒横截面上流体切向速度的估算公式,并对传统锥形机筒内流体的轴向速度经验公式进行了修正。在理论研究和CFD数值模拟分析的基础上,研制可视化室内实验系统、BIPTVAS-Ⅰ型室内实验样机和BIPTVAS-Ⅱ型工程样机,并进行了室内可视化实验、分离性能实验和油田现场应用试验。室内可视化实验表明,轴向涡流分离器内流体的涡运动为非对称的螺旋形轴向涡；室内可视化实验、分离性能实验表明影响分离性能的关键参数与中心流率的关系密切；室内分离性能实验结论与CFD数值模拟结果基本一致,平均误差仅为15%。中原油田现场应用试验与CFD数值模拟结果吻合性非常好,平均误差仅为2.46%。综合分析现场应用试验、室内分离性能实验、CFD数值模拟和BP神经网络的预测结果发现,待分离混合液的物性参数对分离性能具有较大影响,尤其是油水两相密度差和分散相油滴的粒径。利用本文的相关研究成果可以针对待分离混合液具体特性进行轴向涡流分离器的个性化设计；其成果为轴向涡流分离技术的工业化推广奠定了坚实的理论基础,同时为海油油田开发急需的内联紧凑型分离技术,提供了一种有效解决方案。