水力旋流器的三維模擬

劉建平，陳茂兵

（中建中環(huán)工程有限公司，江蘇 南京 210008）

1 引言

水力旋流器作為一種機(jī)械式的分離裝置廣泛應(yīng)用于采礦、化工、食品、環(huán)保、醫(yī)藥等各個(gè)行業(yè)。它的主要原理是利用工作介質(zhì)的密度差異，所受的離心力不同，形成溢流與底流的分層，從而使混合的工作介質(zhì)分離開來。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是通過對(duì)物理模型劃分網(wǎng)格，離散封閉的湍流模型，然后進(jìn)行迭代計(jì)算的一種流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法。旋流器作為一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、含有強(qiáng)旋流的湍流流動(dòng)，利用計(jì)算流體力學(xué)來研究、設(shè)計(jì)和改進(jìn)這種設(shè)備一直是國內(nèi)外研究人員的一個(gè)方向。如Dai等采用k－ε湍流模型對(duì)旋流器內(nèi)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬[1]，He等在k－ε模型中引入Richardson數(shù)來修正湍動(dòng)能耗散率，從而考慮了旋流器內(nèi)由于強(qiáng)旋運(yùn)動(dòng)而造成的各向異性問題[2]；鄒寬等利用雷諾應(yīng)力模型分析旋流器內(nèi)流場分布，得到了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近的結(jié)果[3]。

雷諾應(yīng)力模型（RSM）在模型化雷諾應(yīng)力張量時(shí)，對(duì)于非同向雷諾應(yīng)力張量的乘積并沒有如標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型一樣設(shè)為0，而是通過一系列變換和假設(shè)建立方程將整個(gè)模型封閉，因此雖然雷諾應(yīng)力模型要比標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型的方程多，但是由于考慮了湍流的各向異性，它是現(xiàn)有湍流模型中比較適合應(yīng)用于旋流器數(shù)值模擬的。文獻(xiàn)[3]中鄒寬等利用RSM模型計(jì)算旋流器流場，得到了較好的結(jié)果，但是他采用了簡化的二維軸對(duì)稱的物理模型，而實(shí)際旋流器單向入口非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)肯定會(huì)對(duì)內(nèi)部流場產(chǎn)生重大影響。因此本文就是采用RSM模型，對(duì)文獻(xiàn)[3]中的旋流器進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)[3]中的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析非對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)旋流器流場的影響。

2 物理模型

本文的物理模型采用文獻(xiàn)[3]中的旋流器：旋流器直徑D＝76mm；溢流口直徑D1＝0.34 D；底流口直徑D2＝0.16 D；進(jìn)口采用方形進(jìn)口，邊長根據(jù)雷諾相似準(zhǔn)則得到α＝0.07πD；溢流管壁厚3mm；柱段長度L1＝0.67 D；錐段長度 L2＝4.33 D；溢流管插入深度L3＝0.4 D；工作介質(zhì)為水，進(jìn)口流量為0.407kg／s；分流比1∶4（底流／溢流）；其他邊界條件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到。物理模型的計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為87萬網(wǎng)格（圖1）。

圖1 水力旋流器物理模型

3 計(jì)算結(jié)果

首先取距離頂部0.18m距離處分析，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[3]的計(jì)算結(jié)果比較如下。

從圖2和圖3中我們可以看出，對(duì)于軸向速度，三維模擬計(jì)算的結(jié)果在峰值部分要更接近實(shí)驗(yàn)值，在軸心位置也是如此。而對(duì)于r＞0.01m的部分，無論是切向速度還是軸向速度，三維模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合得都相當(dāng)好。這說明采用三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果是可信的。

圖2 0.18m處截面上的切向速度

圖3 0.18m處截面上的軸向速度

圖4是距離頂部0.06m、0.18m、0.37m處圓截面上4個(gè)半徑上的切向速度。

圖4 0.06m、0.18m、0.37m處截面上4個(gè)方向的切向速度

從圖4中我們可以看出，z＝－0.18m處，4個(gè)方向的切向速度比較一致，但是在z＝－0.06m處和z＝－0.37m處，切向速度有比較明顯的差異，這是因?yàn)樵趜＝－0.18m處，流場已經(jīng)充分發(fā)展，對(duì)稱形狀的圓柱段和圓錐段結(jié)構(gòu)使得流場更接近于軸對(duì)稱；在z＝－0.06 m處，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的單向入口對(duì)流場影響還比較大，因此流場呈現(xiàn)非對(duì)稱的形態(tài)；而在z＝－0.37m處，流場接近出口，流場的對(duì)稱形態(tài)被破壞，各個(gè)方向的切向速度再次呈現(xiàn)較大的差異。另外值得注意的是在軸心處，各個(gè)高度的切向速度都不為零，這和軸對(duì)稱假設(shè)是完全矛盾的。

4 結(jié)論

通過分析三維模擬計(jì)算的結(jié)果，我們可以得到如下結(jié)論。

（1）通過三維數(shù)值計(jì)算來模擬旋流器的流場具有一定的可信性，這為產(chǎn)品的開發(fā)和改進(jìn)提供了一種可行的選擇；

（2）對(duì)于單向入口非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的旋流器，利用二維軸對(duì)稱模型來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是值得商榷的，因?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)流場具有較大的影響。

[1]Dai G，Li J M，Chen W M.Numerical Prediction ofthe Liquid Flow Within a Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal，1999，74：217～223.

[2]He P，Salcudean M，Gartshore I S.A Numerical Simula－tion of Hydrocyclones[J].＇I1ans .IchemE，1999，77（Part A）：429～439.

[3]鄒 寬，楊 茉，曹 瑋，等.水力旋流器湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2004（1）：127～129.