当今社会,能源紧缺和全球环境污染问题日益突出,清洁再生能源的探索成为能源研究的重要方向。天然气水合物以其高热值、环境危害小、矿藏丰富的优点成为未来最有希望的可替代能源。约99%的天然气水合物蕴藏在海底地层中,2014年,我国首次提出海洋天然气水合物固态流化开采技术,即通过海底破碎、实时除砂、密闭流化等过程获得可控的天然气水合物资源,其关键技术之一就是需实现水合物与砂混合浆体实时分离,并将砂回填。因此本文提出了一个适用于海洋天然气水合物开采的井下轴流式旋流器,以实现井下水合物混合浆体实时除砂回填,减少采出液含砂量,保护海底地层结构,同时降低管道输送能耗的目的。本研究采用实验和模拟的方法考察了公称直径100 mm轴流式旋流器的分离性能,主要探究了不同进口流量、进口固含量、颗粒粒径、排沙口比高度X/D、水出口比高度L/D对整个旋流器流场和分离性能的影响关系。主要得出如下结论:随流量升高,分离效率呈现先提高后降低的趋势,颗粒在旋流器中的停留时间大幅减少。颗粒分离存在最佳流量范围,对于大粒径颗粒,流量为7 m3/h时整体分离效率最佳,但对于更小粒径的颗粒,由于颗粒的受力情况更为复杂,则需要更大的分离流量。随着固含量的提升,颗粒间的相互加剧,颗粒在流场中的正常迁移受影响,分离效率会随之下降;且固含量的提升带来混合物的密度升高,压降随之升高。降低排沙口比高度X/D,会导致分离死区减少,颗粒在整个分离过程的停留时间大大减少;对于旋流器流场而言,各速度分量有所增大,流场的整体湍流强度减弱,能量损耗降低。因此,降低排沙口比高度X/D可以有效提高旋流器分离效率,同时降低压降。当水出口比高度L/D较小时,水出口入口处和排沙口处的湍流强度较强,湍流扰动极易将颗粒带入水出口造成效率降低,此时捕获、逃逸颗粒的停留时间十分接近;随着L/D的增加,离环隙中的湍流强度处于较低的水平,零轴速包络面(lzvv)更为规则稳定,但水出口入口处的湍流强度有所增加,流体的流经路径增长,逃逸颗粒的停留时间增加,流体的沿程阻力损失增大,压降升高。本研究适用于海洋天然气井下开采管道中的固液分离,可有效实现水合物与砂混合浆体实时除砂回填,指导工业设计。