船舶含油污水是近海污染最常见的污染源之一，它包括船舶正常运行过程中产生的含油压载水、油罐清洗和舱底水。对于船舶含油污水，由于浮油、分散油和乳化油的作用，油珠和海水呈混合流型。对于船舶含油污水的处理一直是海洋污染防治的重要组成部分。国际海事组织2003年通过的MEPC107（49）决议规定，所有海水排放物的含油质量浓度不得超过15 mg/L。传统的油水分离技术和装置已难以满足要求。

电磁流体（EMHD）油水混合流处置技术是利用油和海水两相介质在电磁力、重力、浮力以及相间作用力的作用下呈现不同的流体运动状态来实现将分散的油珠从海水中分离回收的新技术。该技术结合了重力分离法和气浮分离法的优势，具有除油效果好、处置装置简单、操作简便等技术特点。该技术无须向海水中投入任何其他亲油或磁性物质，对海洋环境影响小，特别适用于对海洋船舶含油污水的处置。

目前，对电磁流体油水混合流分离特性的研究以实验探究为主^〔1-5〕，在数值分析方面，前人也做了一部分研究^〔6-8〕，但分析的并不充分，不能很好地反映电磁流体油水混合流的分离特性。本研究在前期数值研究基础上，依据Fluent欧拉-欧拉模型对油水分离过程进行了数值模拟，首次对入口油珠体积分数的影响进行了探究，并从油水分离率、收油侧及排污测含油率等多个角度对油水分离特性进行了分析和探讨。

电磁流体油水混合流的分离原理如图1所示。

该装置利用油和海水两相介质在电磁力、重力、浮力以及相间作用力的作用下呈现不同的流体运动状态来实现油珠和海水的分离。含有悬浮油珠的海水进入电磁流体分离区域，即分离通道有效段，在电磁场作用下，导电海水受到电磁力F_MHD作用产生一个竖直方向的压强梯度，而不导电的油珠由于此压强梯度的作用受到一个向上的额外压差力（广义浮力），使油珠向上运动。定义这个额外压差力为电磁分离力。油污海水在上述分离力的作用下，在出口处分为两层，上层为油珠，下层为海水，从而实现油珠和海水的分离。

油水分离过程发生在分离通道中，分离通道的物理模型如图2所示。物理模型的参数与2002年Nishigaki实验1的模型参数一致^〔1〕。分离通道水平地穿过超导磁体的温孔。分离通道由入口段、有效段和出口段组成。在入口段油珠和海水均匀混合并以同一入口速度流动；在有效段外加X轴方向磁场和Y轴方向电场；出口段设有分离板，将油珠和海水分离开来，分离板上侧为收油口，下侧为排污口。

为探究电磁流体油水混合流分离方法的分离特性，定义以下参数进行分析研究。

M_AO为收油侧分离回收的油珠质量流量，M_O为入口侧的油珠质量流量；

M_A为收油侧油水混合流的质量流量；

M_BO为排污侧油珠质量流量，M_B为排污侧油水混合流的质量流量。

相关材料参数设置如下：

海水（连续相）：密度1 025 kg/m³，黏度0.001 03 N·s/m²；

油珠（分散相）：密度1 004 kg/m³，黏度0.062 8 N·s/m²，粒径0.1 mm，体积分数0.090 9。

网格划分采用结构化六面体网格和分块网格划分技术。对于近壁区的网格，通过第1层节点到壁面的距离、节点数以及节点间距的变化率加以控制调节。由于流场存在较大的压强梯度，故近壁区采用增强型壁面函数求解，并控制y⁺≈1。由于有效段流场畸变比较严重，对有效段网格加密。网格划分规则同参考文献〔8〕。

多相流模型选取欧拉模型，湍流模型选取可实现的k-ε mixture模型，阻力模型选取Morsi and Alexander模型。

入口设为速度入口条件；由于2个出口均和大气连通，故出口条件均为压力出口且表压设为0；采用UDF函数加载电磁力源项；所有的固壁均为无滑移壁面。

计算控制方程同参考文献〔8〕，且数学模型和数值模型的有效性已通过验证^〔8〕。

仿真条件：油珠粒径d=0.1 mm；油相体积分数OVF=0.090 9。不同入口速度下的油水分离特性如图3所示。

从图3可以看出，当电磁力较小时，对同一入口速度，电磁力密度越大，分离率和收油侧的含油率越大，排污侧的含油率越小，意味着分离效果越好；同一电磁力密度下，入口速度越小，分离率和收油侧含油率越大，排污测含油率越小，分离效果越好。此特点分析如下：在入口段，油珠和海水以相同速度流动，增大入口速度，会导致油珠在分离通道有效段横向停留时间变短。由此，在相同的电磁分离力作用下，导致油珠上浮时间变短，即油珠来不及上浮到回收侧已到达分离口，从而导致分离率下降。对于某一入口速度，系统会存在一个最佳电磁力使油水分离率最大；当电磁力进一步增大时，分离率会下降。

外加电磁力的大小直接影响海水的流场分布和油珠的受力特性，加之油珠和海水的相互作用，进而影响到油水的分离率。上述仿真结果和分析表明，在给定的分离通道和油污海水的参数条件下，外加电磁力并不是越大越好。从分离特性随入口速度的变化规律可知，在给定的通道结构和外加电磁力条件下，系统会有一个最佳的处理流量。

仿真条件：入口速度v₀=0.1 m/s；油相体积分数OVF=0.090 9。不同油珠粒径下的油水分离特性如图4所示。

从图4可以看出，同一电磁力密度下，油珠粒径越大，油水分离率及收油侧含油率越大，排污测含油率越小，意味着油水分离效果越好。当油珠粒径为0.2 mm，电磁力密度达到6 500 N/m³时，油水分离率和收油侧含油率约为1，意味着油和海水完全分离。同一电磁力密度下，油珠粒径越小，油水分离率和收油侧含油率越小，即分离效果越差，说明油珠粒径越小，分离难度越大。

仿真条件：入口速度v₀=0.1 m/s；油珠粒径d= 0.1 mm。不同入口油珠体积分数下的油水分离特性如图5所示。

从图5可以看出，相同电磁力密度下，入口油珠体积分数越大，油水分离率越低，但排污测和收油侧的含油率较高，这意味着如果想要达到排放标准要求的污水含油率，对于入口油珠体积分数较大的工况需要加大电磁力或多次循环处理。当电磁力密度达到6 000 N/m³时，对于入口油珠体积分数为5%的工况来说油水分离率已达到1，即此时油水已经完全分离，但入口油珠体积分数为9%和15%工况对应的油水分离率分别约为75%和55%。

油水混合流电磁分离装置分离特性的仿真研究结果表明：

（1）电磁力密度越大，油水分离率及收油侧含油率越大，排污测含油率越小，即油水分离效果越好；但当电磁力密度超过临界值时，分离率会随着电磁力密度的增加而减小。入口速度越大，临界电磁力密度也越大。

（2）油珠粒径越大，分离效果越好，当油珠粒径为0.2 mm，电磁力密度达到6 500 N/m³时，油水完全分离。

（3）不同入口油珠体积分数下的油水分离特性的规律是一致的，且入口油珠体积分数越小，分离效果越好。对于5%的入口油珠体积分数，当电磁力密度约为6 000 N/m³时，油水已经完全分离。

电磁流体油-海水分离方法作为一种较新型的油水分离方法，目前仍处在实验室探究阶段。本研究通过数值仿真对油水分离特性进行了探究，验证了Fluent欧拉-欧拉多相流模型对油水两相流的适用性。该项研究可丰富电磁油水分离理论，并将为后续电磁分离装置的设计提供指导。