粒徑對(duì)水力旋流器性能影響因素的數(shù)值模擬分析

呂成

摘 要：本文通過計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)水力旋流器內(nèi)液固湍流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。主要研究水力旋流器進(jìn)料速度、溢流管位置和尺寸、固相顆粒粒徑對(duì)水力旋流器固液分離穩(wěn)定工況時(shí)內(nèi)部壓力分布、軸向速度和切向速度分布以及水力旋流器的分離效率、壓力降等性能參數(shù)的影響，得出各參數(shù)對(duì)于水力旋流器內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)的影響和分離的效果。

關(guān)鍵詞：水力旋流器；數(shù)值模擬；固液兩相流

中圖分類號(hào)：TE931.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）18-0058-02

1 引言

水力旋流器是一種廣泛應(yīng)用的分離設(shè)備，可用于完成液體澄清、料漿濃縮、固相顆粒洗滌、液相除氣與除砂、固相顆粒分級(jí)與分類以及兩種非互溶液體的分離等多種作業(yè)[1]。它開始在采礦工業(yè)中廣泛應(yīng)用，后來又逐漸在化工、石油、食品、醫(yī)藥、環(huán)保、造紙和紡織等行業(yè)中成功應(yīng)用。

20世紀(jì)50年代，人們對(duì)水力旋流器的研究主要是實(shí)驗(yàn)研究[2]。然而通過實(shí)驗(yàn)來研究水力旋流器的性能不僅周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入多、人力物力消耗大，而且往往會(huì)受到模型尺寸、測(cè)量精度的限制。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始借助于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來解決這一問題[3]。多年來的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)由為一種有力的數(shù)值實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)手段。而近十多年來，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力可以解決用解析法無法求解的方程，因此它的使用大大減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)簡(jiǎn)短了研發(fā)周期。本研究采用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)五組不同顆粒粒徑，其他條件不變的工況進(jìn)行模擬。

2 建立模型與劃分網(wǎng)格

2.1 建立幾何模型

FLUENT前處理主要采用建模軟件GAMBIT來完成。通常模型的簡(jiǎn)化都是將真實(shí)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)模型，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)。建立一個(gè)水里旋流器模型：直徑為75mm；柱段長(zhǎng)度為75mm；錐段長(zhǎng)度為186mm；進(jìn)料管直徑為25mm；溢流管圓柱體，直徑為25mm，插入深度為50mm；底流管圓柱體，直徑為12.5mm。然后劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？紤]到水力旋流器內(nèi)部的流場(chǎng)的復(fù)雜狀態(tài)采用分體積法對(duì)旋流器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分成34個(gè)體，均采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。

2.2 指定邊界條件

基本的邊界條件包括：流動(dòng)進(jìn)口邊界條件、流動(dòng)出口邊界條件、給定壓力邊界條件、壁面邊界、對(duì)稱邊界、周期性（循環(huán)）邊界。本模型中五組水力旋流器顆粒粒徑分別為0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm。

3 水力旋流器Fluent數(shù)值計(jì)算

3.1 單相水為工質(zhì)的CFD模擬

以入料口軸向與水力旋流器柱體底面圓相切，入料口高度與柱體一致，入口速度為2.5m/s，液態(tài)水的質(zhì)量流率為0.0007kg/s、粒徑符合RosinRammler分布（平均粒徑：0.35mm、最大粒徑：0.7mm，最小粒徑：0.06mm）的wood材質(zhì)顆粒。相間耦合計(jì)算中，離散相的存在影響了連續(xù)相的流場(chǎng)，而連續(xù)相的流場(chǎng)反過來又影響了離散相的分布?？梢越惶嬗?jì)算連續(xù)相和離散相直到兩相的計(jì)算結(jié)果都達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)。加入離散相由顆粒（代表液滴或氣泡）構(gòu)成的第二相分布在連續(xù)相中。FLUENT可以計(jì)算這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質(zhì)量傳遞。相間耦合以及耦合結(jié)果對(duì)離散相軌道、連續(xù)相流動(dòng)的影響均可考慮進(jìn)去。

3.2 顆粒粒徑對(duì)水力旋流器流場(chǎng)及性能的結(jié)果分析

3.2.1 流場(chǎng)分析-壓力分布

在分離不同粒徑的計(jì)算模擬中發(fā)現(xiàn)旋流器內(nèi)壓力基本呈中心對(duì)稱分布，在同一軸向位置上，沿徑向，由壁面到中心軸，壓力逐漸的降低?？拷诿嫣幍膲毫ψ罡?，在軸中心處形成負(fù)壓，而在底流口和溢流口的位置，壓力達(dá)到最低。

3.2.2 流場(chǎng)分析-速度分布

在分離不同粒徑的計(jì)算模擬中發(fā)現(xiàn)，速度因一側(cè)有進(jìn)料口基本呈中心對(duì)稱分布，在同一軸向位置上，沿徑向，由壁面到中心軸，速度相反，速度標(biāo)量逐漸的降低。靠近壁面處的速度最高，在軸中心處速度達(dá)到最低。

3.2.3 對(duì)分離效率的影響

分離效率是水力旋流器分離性能的最主要指標(biāo)，取值范圍在0-100%之間，如圖1所示，由計(jì)算結(jié)果可得：隨著顆粒粒徑的增大，分離效率提高?？梢娏皆酱蟮墓べ|(zhì)，越好進(jìn)行分離。

3.2.4 對(duì)壓力降影響

水力旋流器的壓力降是指入口處壓力與底流管出口出的壓力之差。壓力降是反映水力旋流器能耗的重要指標(biāo)。如圖2所示，由模擬計(jì)算結(jié)果可得：隨著顆粒粒徑的增大，壓降提高?？梢娏皆酱蟮墓べ|(zhì)，水力旋流器分離所消耗的能量越高。

4 結(jié)論

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)水力旋流器內(nèi)不同粒徑的液固兩相流動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，顆粒粒徑對(duì)壓力、軸向速度分布和切向速度分布有影響。當(dāng)顆粒粒徑越大，分離效率則越高，壓力降則越小。但是在顆粒粒徑在0.30mm～0.35mm之間分離率急劇增加，0.35mm<顆粒粒徑<0.45mm時(shí)分離率雖然增加但增速?zèng)]有0.30mm～0.35mm時(shí)增加的快，壓力降雖然增加，但其加速度并沒有顆粒粒徑<0.35mm時(shí)的壓力降的增速快?？梢姺蛛x效率增加最快時(shí)不一定是分離顆粒粒徑最大。

參考文獻(xiàn)

[1]琚選擇.論液-液水力旋流器的CFD方法[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（7）：14-19.

[2]孫卓輝，李勝利.液-液水力旋流器兩相湍流場(chǎng)數(shù)值研究進(jìn)展[J].化學(xué)工程與工業(yè)，2008，12：84-90.

[3]李自力.液-液水力旋流器三維網(wǎng)格生成技術(shù)研究[J].石油機(jī)械，2008，8：43-46，66.