油气开采和输运过程中,存在着发生海洋溢油事故的可能性,会给海洋生态环境和生产建设造成严重危害,产生巨大损失。关于海面溢油的处理,可从溢油回收和油水分离两阶段进行,依据自由表面漩涡的原理和特性,采用收油罩可达到回收海面溢油的目的,对旋流分离器进行改造,可满足快速、高效分离油水混合物的要求。本文一方面基于携物漩涡现象和Rankine复合涡等模型理论,设计制造了小尺度溢油回收装置,通过室内实验验证了自由表面漩涡回收溢油方法的性质,利用FLUENT软件数值模拟了自由表面涡回收溢油的过程,对不同工况下的处理性能做了分析。自由表面漩涡的数值计算,使用RNG k-ε模型得到的计算结果真实性较好,对自由表面的计算使用VOF模型有很好的处理结果。另一方面,根据旋流分离器的工作原理,结合海洋环境中的各种影响因素,改进了已有技术,设计制造了一种轴向入口旋流分离器,用于配合回收结构完成油水的初步分离,对其工作性能开展了深入研究。研究表明:1.影响漩涡结构的主要因素有底部出口深度、流量以及径长,其他的非主要因素在几何模型建立时可适当简化。2.漩涡的切向速度分布情况符合Rankine复合涡理论,根据切向速度可找到漩涡的涡核半径;轴向速度距离底部出口越近速度越大,涡核外部有流动的上下交换;径向速度在近自由液面处和流场底部流速更大;水面分布有溢油时,速度变化过渡平缓,各方向的速度组合证明了自由表面漩涡的携物特性。3.自由表面漩涡较为适宜处理海面上多种组分的溢油,在海洋环境的轻微扰动下,漩涡仍能保持工作状态,在其他设备的帮助下,自由表面漩涡方法对流量大小有较大范围的适应性。4.溢油回收过程中,油相流量出现了多阶段特性,回收过程的高频率波动阶段更能反映回收的主要特点,可根据数值模拟的高频阶段指导实验。5.轴向入口旋流分离器以混合液体通过导流片而形成旋流场,通过离心力的不同实现油水分离。实验证明,旋流分离器的分离效率可达到70%以上,在不同的油量、种类和海洋波浪载荷作用时,分离效率有小范围的变化,总体来看可高效分离混合液。