由于石油及其产品的广泛使用，导致大量油品进入环境，对水体造成了严重污染。其对生态环境和人类健康的危害目前已引起人们的极大关注。基于环境治理和污染物资源化利用的现实需求，含油污水中微量油类的分离亦已成为当今水治理领域的研究热点，人们迫切需要高效、节能、体积小的分离技术，这就给传统的旋流脱油技术提出了新挑战，也给其发展和突破提供了难得的机遇。旋流脱油技术作为20世纪80年代兴起的最有效的分离技术之一，许多研究者先后进行了大量工作。 但是，目前旋流分离技术的研究和应用均存在着一些明显的不足，如：微细油滴分离效果不理想，旋流芯管设计过程过多依赖经验，设备结构复杂、可靠性差等。为了克服这些难点，本文基于复合力场强化，提出基于气液混合的气泡强化废水旋流脱油方法，建立了试验系统，结合计算流体力学和激光测试手段，对气泡强化旋流脱油的机理进行了深入研究，并致力实现其工程应用，所完成的研究工作和取得的主要结论如下： (1)结合前人对充气旋流分离器的研究成果，提出气泡强化旋流脱油方法；理论分析表明，气泡强化旋流分离过程中，旋流管内油滴与气泡的惯性碰撞几率为零；拦截碰撞几率为：So=2(1＋Rp/Rb)2ur cosθc/u;离心力沉降碰撞几率为：Sg=2(1＋Rp/Rb)2[aR2p(ρ－ρp)sin2θc/9μ－ugr cosθc]/u;油滴密度越小，发生湍流扩散碰撞的几率越小。随着离心加速度的增大和油滴粒径的减小，油滴与气泡的接触时间变短，对两者粘附不利。旋流芯管的结构设计应充分考虑离心力场的影响。将气液混合技术首先应用于旋流脱油，建立了操作简单、可靠的气泡强化废水旋流脱油分离试验系统。 (2)利用RSM(Reynolds Stress model)模型对三个不同锥度旋流芯管内的单相湍流流场进行模拟计算，针对标准壁函数所存在的不足，以非平衡壁函数作近似。计算表明：旋流芯管锥度增大，旋流芯管上游近轴区的上行流变短，流速增大，同时下行流流速明显加大；切向速度沿径向变化梯度增大，作用在油滴上的剪应力增加，易造成油滴破碎：流体阻力增大，处理能力减小。进一步的分析表明，对于脱油旋流芯管，零速包络面大、零速过渡区小、切向速度变化梯度小、流体阻力小的流场结构适合分离。 (3)对旋流芯管内部气—油—液三相流动进行了数值计算，其中液相采用RSM模型，油滴和连续相的相互作用采用随机轨道模型，气泡和液相的作用采用Mixture模型，计算结果和实验结果吻合良好。通过计算分析发现，溢流管外壁附近的油滴浓度最高，大油滴在离心力作用下，迁移速度快，在圆柱段直接进入短路流从溢流口排出；气泡的存在可以增加管芯含气量，使上行流的油滴更容易及时排出，强化旋流分离性能。溢流口 结构对流场和分离性能影响明显，计算条件下溢流口内径Do=2.5mm，插入深度Lo=5.0mm时油—水分离效果最好。本文将旋流芯管数值模拟技术扩展到了工业实际应用，通过优化设计的旋流芯管已在多套石油化工装置得到应用。 (4)基于数值模拟研究结果，对气泡强化废水旋流脱油分离系统进行试验研究，获得了最佳的工艺操作参数。试验表明，注气量不大于3％(标态，Ⅴ/Ⅴ)时，注气对旋流芯管的动力性能影响不明显。在含油浓度60～100mg/L、气液比1％(标态，Ⅴ/Ⅴ)、雷诺数14000～16000时，旋流芯管分离效率由气液比为0％时的77％以上提高到88％以上，提高11％左右。试验还表明，空气柱是旋流芯管特定操作条件下的必然产物。 (5)对透明测试模型进行改进，采用PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)对旋流芯管内的强旋转流动进行实测。研究发现，泵出口压力为0.3Mpa，气液比为Qq=1.0％(标态，Ⅴ/Ⅴ)时，气液混合泵可以在水中产生直径为12-50μm的微小气泡，具有优良的气体破碎、分散功能。气泡和水相的速度有相同的分布规律，进口流量的变化只改变速度的大小，不改变速度的分布规律。气泡强化旋流分离存在一个最佳的气液比，大量气泡的存在会造成旋流芯管内流场波动。注气可以增大管芯处连续相的轴向和切向速度，使上行流的油滴及时排出，可以在不增大外旋流区域剪切力的前提下提高内旋流区域离心强度，流场结构更趋合理；随着流动向下游推进，油滴(气泡)粒度在径向的分布逐步均匀。测量分析表明，气液混合泵出口的气泡粒度分布有利于气泡捕捉油滴。数值预报和实验结果对比分析表明，数值模拟对轴向和切向速度在大部分区域做出了较为合理的预报。 (6)本研究所开发的气泡强化废水旋流脱油方法已应用到我国某大型的延迟焦化装置，构建了气泡强化冷焦水旋流脱油装置系统。处理量为160～210m3/h，气液比1.0～1.5％(标态，Ⅴ/Ⅴ)，进口油含量82～93mg/L时，实际检测表明：分离以后水中油含量在11mg/L以下，水相中粒度大于13μm的油滴被百分之百分离出去，社会和经济效益显著。