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在深水油气田开发过程中,水下分离器对于降低井口背压、减少乙二醇等化学药剂用量、消除段塞流及提高油气采收率方面具有重要意义。传统重力式分离器由于体积庞大、分离效率较低,在深水工况的应用受到限制。管柱式气液旋流分离器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone Separator,GLCC)凭借其体积紧凑、结构简易、分离效率高等优势从众多分离器中脱颖而出并得到广泛应用。但GLCC内部气液两相流动非常复杂,仍然缺乏有效的工艺设计方法。因此,本文应用数值模拟技术重点开展GLCC流场分析与优化设计工作,结论如下:(1)研究了GLCC数值模拟中Mixture RNG k-ε,Euler RNG k-ε和RSM湍流模型,发现三个模型均能在筒体中心形成非对称零轴速旋线,并在下倾入口管中形成分层流,通过与室内试验和现场试验对比,表明RSM模型计算结果最为准确,为GLCC数值模拟提供指导。(2)分析了GLCC单入口结构的非轴对称性引起入口流道的收缩效应和主筒分离空间内流场的摇摆不稳定性,使得流场旋转中心偏离分离器的几何中心。在一定的范围内,旋转流场的不稳定性程度随着下倾入口管长度的减小、入口喷嘴面积的增大而增大。(3)应用RSM模型模拟了不同下倾管段长度和不同入口喷嘴面积的GLCC内部流场,以分离效率和分离压降为优化目标,得到GLCC下倾入口管段的优化结构与相应设计曲线,为GLCC工艺设计提供指导。(4)利用ANSYS-PDS模块对GLCC材料参数、结构参数和载荷参数等参数进行随机有限元分析,利用蒙特卡罗方法和响应面方法计算其可靠度分别为99.7871%和99.9316%。根据应力-强度干涉理论构建极限状态函数,得到材料屈服极限、杨氏模量和内压载荷对极限状态函数灵敏度较高,突破了传统基于确定参数的可靠度计算,对GLCC现场安全运行具有重要意义。