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摘要：随着时代的进步以及我国综合国力的不断发展，我国对于能源的需求量变得越来越大，化工、石油等相关行业也获得快速发展。旋流器被广泛运用到这些需要将多相物系分离的领域。旋流器的分离效率较高，但在运行过程中将产生空气柱，这将对旋流器的分离效率产生一定的影响。因此，本文将通过研究旋流器内空气中的形成与发展过程，进而，延伸至空气柱对旋流器分离效率的影响。
关键词：旋流器空气柱基本概念
旋流器在工作过程中往往将产生空气柱，空气柱的出现将对旋流器的流场湍流结构以及能源消耗等造成严重的影响。当前，我国许多科研人员采用流体体积模型对旋流器内的空气柱的形成进行分析。经过大量的实验得知，空气柱对于旋流器的溢流比以及湍流强度等都将造成影响。除此之外，空气柱还将大大地增大旋流器的能源消耗。由此可知，研究旋流器内空气柱的形成与发展对于旋流器的正常运行而言是十分重要的。
一、旋流器的基本介绍
旋流器主要是通过离心力场来使多相物系分离，进而提高物质的纯度。由于旋流器通常以水来做为介质，因此，通常又将旋流器称为水力旋流器。旋流器利用离心力场使密度较大的组分与密度较小的组分分离开来，密度较大的组分将沿着旋转流场向下运动，最后经由底流管流出。而密度较小的组分则向上运动，最后经由溢流管流出。旋流器的基本结构如下图所示，主要有进料管、溢流管、底流管、锥段等。进料管，顾名思义，是旋流器投入原料的管道，目前，我国进料管的主要结构形状有纵截面形状、横截面形状。但在实际操作中，通常使用矩形横截面，这将有效地减轻进料口的扰动。随着我国科学技术的不断发展，我国研究出了许多不同类型的进料管，例如，为了能够有效减少原料在进料过程中的损耗，可采用收缩的矩形截面的进料管。而溢流管与底流管则是旋流器分离产物的流通的管道。
二、旋流器内空气柱的形成以及发展
水力旋流器在运行过程中往往会出现空气柱，这将严重影响到水力旋流器的工作效率。水力旋流器的切线运行速度将随着半径的不断减少而增大，当切线速度增大到一定的数值，水力旋流器轴线区域将生成一个负压区，进而出现空气柱现象。空气柱的形状多种多样，较为常见的是直线型、抛物线型以及弧线型。空气柱的形状主要是由水力旋流器的工作状态来决定的，如果水力旋流器的流体湍动过于强烈，也将导致空气柱的形状发生变形。虽然空气柱的形状多种多样，然而，水力旋流器溢流管中产生的空气柱形状通常是葫芦形，这是由于流体在进入溢流管时的速度与离开溢流管时的速度不同。流体进入溢流管时，流体在溢流管壁面附近将减速，而在离开溢流管时，流体在溢流管壁面附近却会加速，从而，使溢流管内的空气柱形成葫芦形。空气柱的不规则形状将对旋流器的分离效率造成严重影响。由于溢流管内的空气柱形状不规则，这将使密度较小的组分在溢流管排出过程中受到阻挡，进而，影响旋流器的工作效率。除此之外，溢流管内的空气柱形状不规则而产生的特殊流动也将对旋转器内产生的空气柱形状造成一定的影响，导致，旋流器无法稳定的进行分离工作。空气柱通常先在溢流管处出现，而后，底流管也将出现空气柱，随着旋流器的运行，溢流管处以及底流管处的空气柱将不断扩大。
三、空气柱生成的基本原理
针对空气柱的形成，我国相关研究人员对此做了一系列实验。假设从进料口进入旋流器内部的混合液中不掺杂空气，并且，水力旋流器的壁面与外界之间不存在物质以及能量的交换。因为溢流管与底流管与外部相连通，因此，溢流管与底流管之间将与外界形成气压差，空气柱最先在溢流管以及底流管部位生成。旋流器将轴线附近区域形成负压区，而溢流管与底流管则形成正压区，因此，溢流管与底流管处形成的空气柱将逐渐向旋流器内部延伸。当旋流器切线速度达到一定数值时，在旋流器轴线附近产生的压强与溢流管以及底流管处产生的压强之间形成的压强差作用下，空气柱将在旋流器内部不断扩大，直到达到相对稳定的状态。
四、空气柱的生成对旋流器分离的影响
4.1对湍流强度造成的影响
空气柱的形成将对旋流器的分离造成严重影响。旋流器内部湍流强度的分布状况几乎呈现“驼峰状”，在旋流器运行过程中，湍流随着管道直径的减小而缓缓增大，而后，又逐渐减小，从而，形成一个较为稳定的状况。而空气柱的出现将打破旋流器内部湍流的稳定变化，在空气柱存在的区域范围内，湍流强度将急剧增大，相较于原先的数据，此时的湍流强度大致将增强8%。导致旋流器在分离过程中，多相物系中的固定颗粒的随机运动现象变得越来越明显，这将严重影响到旋流器分离的稳定性。
4.2对湍动能造成的影响
空气柱对湍动能的影响与空气柱对湍流强度的影响相似。旋流器内部的湍动能的分布状况与湍流强度相同，均是呈现“驼峰状”。而空气柱所在区域范围内的湍动能将急剧增大，导致旋流器分离相物系将消耗更多的能量。除此之外，空气柱还将对湍动能耗散率造成一定的影响，在底流管部位生成的空气柱的湍动能耗散率将远远大于其他区域，这意味着，空气柱将加剧旋流器的能耗。
4.3对溢流比造成的影响
空气柱存在的区域范围内的溢流比将远大于其他区域。这是由于溢流管与底流管的结构参数造成的。当旋流器内存在空气柱，底流管的部分流道将被空气柱所占据，从而，使溢流比急剧增大。随着溢流比的不断增大，将导致部分本应流向底流管的固定颗粒转而流向溢流管，这将严重影响旋流器的分离效率，导致溢流管分离出的组分内存有一部分密度较大的组分。
五、结束语
空气柱形成大致可分为孕育、形成、发展以及稳定这四个阶段，在空气柱发展过程中，往往在部分区域将出现空气柱萎缩现象，这将严重影响到旋流器的稳定工作。除此之外，空气柱的产生还应大大地降低旋流器的分离效率。因此，我国相关研究人员应加强对空气柱的研究，使旋流器能够更好地运行。
参考文献：
[1]刘杨.水力旋流器分离效率影响因素的研究进展[J].流体机械，2016（2）
[2]于建国.压载水旋流器结构因素对分离性能影响分析[J].化工进展，2016（2）