管柱式气液分离器（GLCC）是深水油气生产系统中的关键设备,它通过耦合旋流和重力效应实现油气分离。现有GLCC存在操作域窄、工况点偏离设计点后极易发生气相带液现象（LCO）,从而导致设备分离性能下降的问题。要解决这一难题,需厘清GLCC内部的气液流动行为及分离机理,但前人的研究大都忽视了液膜流型在GLCC中的重要作用。鉴于此,本文以某一工业缩尺GLCC为对象,聚焦其上部筒体内的气液流动现象,以液膜流型为切入点,通过实验观测、理论建模并辅以数值模拟,就其液膜参数分布、气液分离理论及结构优化等方面进行研究,得到如下成果和结论:（1）高速摄像机拍摄结果表明,GLCC上部筒体内存在三类流型,即旋环流、旋转搅混流和缎带流。旋环流对应的设备分离性能最优,缎带流为一种暂时性流型,其与旋转搅混流都会使设备分离性能下降。另外,液膜流型与下倾入口管内的气液流型存在对应关系,当入口管内为分层流时,上部筒体内更易形成旋环流。旋环流是GLCC设计及工作时的首选流型,从时、空间角度对其进行研究,清晰地解释了其形成原因,即存在于GLCC上部筒体内的液相由入口的短路液膜、筒体壁面的铺展液膜及入口、筒体内的离散液滴等四部分组成;描述了其分布特征,尤其将该流型液相的上、下行流动作了准确刻画,这对揭示旋环流特性、认识其与设备分离性能间的对应关系具有重要意义。（2）液膜厚度是旋流液膜的关键参数,纽扣式电导探针测量结果表明,操作参数一定时,液膜厚度沿轴向向上趋于减小,说明GLCC气液流动处于发展状态;在某一轴向位置,液膜厚度随入口气量的增大呈现“S”形分布,随入口液量的增大而近线性增大;此外,入口喷嘴尺寸对液膜厚度的分布影响显著:在不同的轴向位置,不同尺寸喷嘴对应的液膜厚度间的大小存在差异。液膜厚度随气液量的变化规律证明液膜逃逸是LCO发生的主要原因,而喷嘴尺寸对液膜厚度沿轴向分布的影响则反映了GLCC旋流与重力效应间的相互作用。（3）GLCC耦合重力与旋流效应,不仅流体的轴向流动会对压降产生影响,切向运动同样消耗能量,这可通过GLCC旋流摩擦系数予以反映。基于液膜厚度和压降测量结果,结合流体动量分析,得到了GLCC旋流摩擦系数关联式,结果显示:气液界面摩擦系数fi与液膜厚度δ呈正比,壁面摩擦系数fw与液膜雷诺数Re’l呈反比。另外,对GLCC单气相摩擦系数fwg也作了研究,发现其与气相入口雷诺数Reg,in呈正比。（4）基于GLCC旋流摩擦系数和最小气液界面剪应力理论,建立了旋环流与旋转搅混流间的流型转变判据。该判据认为旋环流存在的必要条件是气体曳力不小于液膜自身重力,当膜厚达到某个阈值时,气体力不足以托举液体,导致液膜开始向下运动,打破原先的气液并流平衡状态,流型发生转变。经实验验证,该模型能够与实验数据贴合,表明模型精度高。进一步,考虑到该模型计算过程繁冗,结合流型与分离性能间的关系,将流型是否发生转变等效为LCO是否发生这一科学问题,通过相似分析,建立了基于相似准数关联的、通用性更好的流型转变判别式。（5）根据不同流型分布形态,结合GLCC结构特征,建立了基于不同流型的溢流压降分区模型。该模型将GLCC沿管道流程分为三个区间,即入口损失（I区）,筒体损失（II区）及出口损失（III区）,将各区间压降均划分为摩擦损失、重位损失及局部损失;在筒体损失的计算中,还考虑了流型及液滴携带的影响。该模型既可用于计算气、液两相压降,也可退化计算单气相压降。与实验值对比表明,该模型精度高,普适性好,可用于GLCC的设计计算。（6）基于上述理论,并考察倾斜管气液流型与上部筒体液膜流型间的关系,从“减少液相来源、抑制液相上行”这一观点出发,提出了一种新型、向下分支的双入口GLCC。研究表明,向下分支的双入口结构可引导大部分液相优先进入下部筒体,提高了设备预分离能力,抑制了上分支管短路流的发生,减少了进入上部筒体内的液相含量;在上部筒体内,双入口GLCC不易形成搅混流,液相分离效率显著高于单入口GLCC。利用数值模拟的方法从内部流场进一步解释了构效关系,结果表明,双入口GLCC气相切向速度沿轴向几乎没有衰减,且旋涡中心与筒体几何中心也几乎重合,这有利于气液离心分离;气相轴向速度在筒体近壁处更低,这有利于抑制液膜向上溢出;此外,双入口GLCC的液膜速度波动更小,流场更为稳定。新型双入口GLCC拥有广泛的应用前景。