导叶式高压旋风分离器是一种带导流叶片的高压旋风分离器,作为一类非常重要的气固分离设备,被广泛用于天然气净化工艺过程中,其分离性能直接关系到天然气净化工艺的经济性与安全性。随着我国对节能减排要求的提高,对用于天然气净化的导叶式高压旋风分离器性能则提出了更高的要求,特别是页岩气开采中需要研制结构更加紧凑、并增强流场稳定性与改善页岩气压力衰减的高压旋风分离器。现有的导叶式旋风分离器对于高压页岩气的净化仍存在压力损失偏高、分离效率偏低,分离器内部结垢、磨损和腐蚀等问题,因此如何在保证总分离效率的基础上降低压力损失以及减小切割粒径是研发紧凑型导叶式高压旋风分离器中亟待解决的关键技术问题。本文结合用于页岩气净化工艺过程中的导叶式高压旋风分离器研制,开展其流道的多目标优化设计工作,旨在探索出高效可靠的导叶式高压旋风分离器优化设计方法,为后续研发高效低阻的旋风分离器产品提供技术参考。主要研究内容及结论如下:(1)研究导叶式高压旋风分离器的流道几何参数与分离性能的关系,提出近似理论设计方法,设计了满足运行条件和分离性能要求的导叶式高压旋风分离器初始流道。(2)以初始流道结构为优化对象,探索适合其优化设计过程中能够实现自动迭代的导流叶片形状控制的参数化方法,以对导流叶片进行参数化建模,为后续自动优化设计提供计算模型。(3)分析导叶式高压旋风分离器的气固分离原理,研究基于气固两相数值模拟和分离性能预测的计算方法。采用该计算方法对有实验基础的导叶式旋风分离器内流场以及粒径效率进行预测,将预测结果与实验数据进行对比,验证计算方法的可行性。(4)针对导叶式高压旋风分离器流道优化的设计变量多,结合数值模拟计算与试验设计方法筛选确定了影响性能目标的显著设计变量。在满足约束条件下,构建导叶式高压旋风分离器的多设计变量、多目标的性能优化模型,并采用响应曲面优化法对该优化模型进行寻优。(5)基于气固两相数值模拟计算的性能预测方法,预测计算优化前后导叶式高压旋风分离器的分离性能、流场特性与颗粒运动规律,对比分析可知:优化后分离性能得到提升,通过流道优化改善内部强旋转流场的分布,削弱颗粒返混夹带,从而降低了压力损失并减小了切割粒径。验证了导叶式高压旋风分离器多目标优化设计方法的可行性,能较为全面预测和优化所设计的旋风分离器性能。