水力旋流器內(nèi)部流場及分選過程的研究進(jìn)展

魏德洲 張彩娥 高淑玲 崔寶玉 劉文剛 沈巖柏 韓 聰

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

水力旋流器內(nèi)部流場及分選過程的研究進(jìn)展

魏德洲 張彩娥 高淑玲 崔寶玉 劉文剛 沈巖柏 韓 聰

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

論述了水力旋流器內(nèi)部流場特性研究的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀。詳細(xì)介紹了數(shù)值試驗(yàn)方法在旋流器模型建立、內(nèi)部流場特性描述、顆粒在其流場中的分離過程以及旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，提出了今后的研究方向與重點(diǎn)，即對于軸向零速包絡(luò)面(LZVV)及空氣柱的特性仍需進(jìn)一步研究；在高濃度礦漿中，顆粒形狀及顆粒與顆粒、顆粒與流體、顆粒與器壁之間相互作用對分離效率的影響仍是下一個(gè)時(shí)期的研究重點(diǎn)。

水力旋流器 流場 數(shù)值試驗(yàn) 分選

水力旋流器是利用離心力場加速固體顆粒沉降和強(qiáng)化分離過程的有效設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)費(fèi)用低、處理量大，廣泛應(yīng)用于造紙、石油、選礦、制藥、環(huán)保等行業(yè)[1-3]。在礦物加工領(lǐng)域，水力旋流器幾乎存在于每一個(gè)選礦廠中，廣泛用于分級、分選、濃縮、脫泥等作業(yè)。

固體物料旋流分離過程的實(shí)質(zhì)是在復(fù)合力場中，在顆粒密度和粒度的共同影響下，不同性質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為出現(xiàn)差異，從而實(shí)現(xiàn)分離。對于任一給定粒群的旋流分離作業(yè)，水力旋流器內(nèi)部流場的特性對分離結(jié)果起決定性作用。盡管水力旋流器結(jié)構(gòu)及操作簡單，但其內(nèi)部流場非常復(fù)雜，自問世以來，一直是相關(guān)研究的重要課題之一。

自20世紀(jì)50年代開始，水力旋流器內(nèi)部流場的研究就已成為一個(gè)熱點(diǎn)。早期學(xué)者在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出了很多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于水力旋流器的評價(jià)和設(shè)計(jì)。盡管經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)用比較簡便，但受到推導(dǎo)公式時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件及采用的水力旋流器型號限制，不能對水力旋流器內(nèi)部的流場特性進(jìn)行定量描述。隨著實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)測試法逐漸成為研究水力旋流器內(nèi)部流場的重要手段。但在實(shí)踐中，實(shí)驗(yàn)測試法受到模型尺寸、流場擾動(dòng)及測量精度的限制，對于某些流場難以獲得詳細(xì)數(shù)據(jù)，此外，還受到經(jīng)費(fèi)投入的影響，目前多用于對數(shù)值試驗(yàn)方法的驗(yàn)證和修正。近年來，隨著數(shù)值試驗(yàn)方法在水力旋流器內(nèi)部流場研究中的應(yīng)用，人們對水力旋流器內(nèi)部流場特性有了更深刻的認(rèn)識。通過模擬水力旋流器參數(shù)變化對流場特性及分離效果的影響，為高性能水力旋流器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 水力旋流器內(nèi)部流場的研究方法及其特性

1.1 水力旋流器內(nèi)部流場的研究方法

20世紀(jì)50年代以前，由于理論分析和計(jì)算上的困難以及測試手段的限制，人們把旋流器視為“黑箱”，基本不考慮其內(nèi)部流場的流動(dòng)狀態(tài)，僅通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)等外部條件來研究對應(yīng)的分離效果。隨著流體力學(xué)和數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，人們逐漸意識到內(nèi)部流場狀態(tài)才是決定水力旋流器分離效果的關(guān)鍵[4]。目前主要采用數(shù)學(xué)解析法、實(shí)驗(yàn)測試法及數(shù)值試驗(yàn)法來研究水力旋流器的內(nèi)部流場特性。

數(shù)學(xué)解析法是早期水力旋流器內(nèi)部流場研究的主要方法。數(shù)學(xué)解析法是利用納維爾(Navier)-斯托克斯(Stokes)方程及流體力學(xué)的相關(guān)方程求解水力旋流器內(nèi)部單一流體介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在應(yīng)用這些方程時(shí)，因不同學(xué)者做了不同假設(shè)以簡化方程的形式，使得求得結(jié)果的可靠性和認(rèn)知度較差，此外，對湍流的產(chǎn)生機(jī)理還不是很清晰。這些都嚴(yán)重制約了采用數(shù)值解析法研究水力旋流器內(nèi)部流場的深入開展。

實(shí)驗(yàn)測試是理論模型建立的依據(jù)，同時(shí)可以用來驗(yàn)證和修正數(shù)值試驗(yàn)方法。通過實(shí)驗(yàn)測試，可以獲得水力旋流器內(nèi)部流場及顆粒分離行為的詳細(xì)信息，并建立水力旋流器分離過程的物理模型。目前用于描述水力旋流器分離過程的理論模型主要有平衡軌道理論、停留時(shí)間理論、底流擁擠理論、兩相湍流理論、溢流分離理論、內(nèi)旋流分離模型、錐段分離模型、非線性隨機(jī)理論等[5]。這些模型都是在特定條件或某些假設(shè)條件下針對特定結(jié)構(gòu)的水力旋流器建立的，雖便于應(yīng)用，但不具有普遍性。目前常用的實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)有：用于流場測試的激光多普勒測速儀(LDV)、粒子成像測速儀(PIV)、粒子動(dòng)態(tài)分析儀(PDA)、正電子發(fā)射粒子跟蹤(PEPT)及用于高濃度礦漿測試的超聲斷層成像(UT)、電阻抗斷層成像技術(shù)(EIT)、高速動(dòng)態(tài)分析儀(HSMA)、皮托管技術(shù)、多孔壓力探針等[6-7]。實(shí)驗(yàn)測試方法由于實(shí)施困難、費(fèi)用較高，目前多用于實(shí)驗(yàn)室研究。

近年來，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的數(shù)值試驗(yàn)方法被廣泛應(yīng)用于水力旋流器內(nèi)部流場的研究和顆粒分離行為的描述。數(shù)值試驗(yàn)方法具有不需物理樣機(jī)、不需輔助設(shè)備、模擬結(jié)果清晰、參數(shù)信息全面等諸多優(yōu)點(diǎn)。因在正常工況條件下，水力旋流器內(nèi)部是固、液、氣三相共存的強(qiáng)湍流運(yùn)動(dòng)，使得旋流器的數(shù)值試驗(yàn)方法測試結(jié)果與實(shí)際數(shù)值仍存在較大差距。但隨著計(jì)算流體力學(xué)理論和高速計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值試驗(yàn)方法將成為研究水力旋流器內(nèi)部流場及顆粒分離行為的主要方法。

1.2 水力旋流器的流場特性

1.2.1 流體運(yùn)動(dòng)的基本形式

研究水力旋流器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)基本形式對提高水力旋流器的分離精度及分離效率非常重要。水力旋流器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的基本形式可分為外旋流和內(nèi)旋流、短路流和循環(huán)流等。

1.2.1.1 外旋流和內(nèi)旋流

外旋流和內(nèi)旋流是水力旋流器中流體運(yùn)動(dòng)的基本形式。它們的旋轉(zhuǎn)方向相同，但其運(yùn)動(dòng)方向相反。軸向零速包絡(luò)面(LZVV)為外旋流和內(nèi)旋流的分界線，同時(shí)也是循環(huán)流的中心線[8]。研究表明，LZVV對分離精確度有著重要影響，同時(shí)LZVV的位置受底流口直徑及錐角大小的影響。

1.2.1.2 短路流和循環(huán)流

短路流是由于器壁的摩擦阻力而形成的，分為蓋下短路流及側(cè)壁短路流。循環(huán)流是由于溢流管的直徑過小造成的。1959年，Brdley和Pulling用流動(dòng)顯形法證明了水力旋流器內(nèi)部短路流及循環(huán)流的存在，一般短路流量占到進(jìn)料流量的10%～20%[9]。

短路流的存在使分離精度降低，能耗增加。為了降低短路流的不利影響，王志斌等[10]從優(yōu)化水力旋流器結(jié)構(gòu)、調(diào)整給料方式及降低入口器壁摩擦阻力等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)慕o料濃度及合理的給料位置能抑制短路流；另外，鄧麗君等[11]對水力旋流器溢流管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，研發(fā)出了下端增設(shè)套環(huán)的溢流管、外部增設(shè)環(huán)隙的溢流管、錐齒形溢流管、帶環(huán)路旁流的溢流管、弧形溢流管、螺旋溢流管、厚壁溢流管等，在一定程度上降低了短路流問題。目前，對于循環(huán)流的認(rèn)識尚不統(tǒng)一，褚良銀等認(rèn)為循環(huán)流的存在使內(nèi)旋流中的粗顆粒有機(jī)會進(jìn)行再次分選，從而提高了分離精度；龐學(xué)詩等則認(rèn)為消除循環(huán)流有利于降低能耗并加速分離過程[12]。

1.2.1.3 空氣柱

空氣柱是開放式水力旋流器中一種獨(dú)特的現(xiàn)象，流體充滿整個(gè)水力旋流器空間是形成空氣柱的必要條件之一。1987年人們才認(rèn)識到空氣柱的作用，目前關(guān)于空氣柱的研究主要集中在空氣柱的尺寸及形狀、空氣柱的形成機(jī)理及空氣柱的內(nèi)部流場[13]。Binnie于1957年首先提出了空氣柱直徑的計(jì)算方法：

(1)

式中,Ra為空氣柱直徑；Vθu為半徑r=Ru處流場的切向速度；H為總揚(yáng)程；Ru為底流口直徑。

考慮到流體黏度的影響，Davidson于1994年對方程進(jìn)行了修正[14]：

(2)

式中，vs、vw分別為待測懸浮液及水的動(dòng)力黏度。研究表明，空氣柱直徑與旋流器的錐角、底流口直徑、溢流口直徑以及給料壓強(qiáng)、介質(zhì)黏度、流場隨機(jī)波動(dòng)等因素有關(guān)。同時(shí)，空氣柱的直徑是預(yù)測底流排料形式及底流分流比的關(guān)鍵。Cullivan和崔寶玉分別研究了空氣柱的形成和發(fā)展機(jī)理，得出了傳遞驅(qū)動(dòng)和壓力驅(qū)動(dòng)2種不同的空氣柱形成機(jī)理[15-16]。

目前褚良銀等大部分學(xué)者認(rèn)為空氣柱的存在對水力旋流器分離效果提高沒有好處，只是消耗能量，且空氣柱周圍的強(qiáng)湍流使分離結(jié)果不穩(wěn)定，因此開展了取消或限制空氣柱的研究。

1.2.2 速度分布

組合螺旋渦運(yùn)動(dòng)是水力旋流器分離過程中流體運(yùn)動(dòng)的基本類型。流體在運(yùn)動(dòng)過程中形成旋渦的內(nèi)在原因是黏性和壓差。因此，速度分布是水力旋流器流場特性研究的重點(diǎn)。

在水力旋流器內(nèi)，流體呈三維流動(dòng)。1963年，D.F.Kelsall通過測定透明水力旋流器中鋁粉的運(yùn)動(dòng)速度，得出了三維速度分布模型，觀察到了最大切向速度軌跡面及零軸速包絡(luò)面，發(fā)現(xiàn)切向速度分布遵從組合渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到的切向速度(vθ)表達(dá)式為[9]：

在自由渦區(qū)域

(3)

在強(qiáng)制渦區(qū)域

(4)

式中，r為待測點(diǎn)處的旋轉(zhuǎn)半徑；n為指數(shù)，一般0.4

隨著激光多普勒測速儀的出現(xiàn)，1988年Hsieh&Rajamani對水力旋流器內(nèi)切向速度和軸向速度的分布做了更精準(zhǔn)的測量。由于湍流脈動(dòng)速度的數(shù)量級與徑向速度的相同，很難用實(shí)驗(yàn)測量，而是采用連續(xù)性方程進(jìn)行計(jì)算。研究表明，在給料區(qū)域軸向速度呈現(xiàn)不對稱性，而在溢流管以下，則逐漸呈現(xiàn)對稱性。1989年Quian也測試了傳統(tǒng)水力旋流器內(nèi)的速度分布和空氣柱直徑[9]，證實(shí)了Kesall所提出切向速度表達(dá)式的正確性，并給出了n值及k值，獲得的徑向速度分布與Hsieh和Rajamani推得的結(jié)果相同，并給出了軸向速度(vz)的表達(dá)式：

(5)

式中,vz為軸向速度；a,b為常數(shù)，與被測點(diǎn)的軸向位置及旋流器的操作、結(jié)構(gòu)條件有關(guān)；r為旋流器中運(yùn)動(dòng)流體的旋轉(zhuǎn)半徑。

考察旋流器內(nèi)部流場的速度分布，對于優(yōu)化水力旋流器參數(shù)配置，提高分級效率具有重要意義。近年來，一些研究者對旋流器內(nèi)的三維速度場進(jìn)行了系統(tǒng)分析及測定，如梁政確定了水力旋流器內(nèi)部流場速度分布與其自身幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的定量函數(shù)關(guān)系[4]。

1.2.3 壓強(qiáng)分布

水力旋流器內(nèi)的壓強(qiáng)分布包括壓強(qiáng)沿徑向的分布與沿軸向的分布。由于在旋流器內(nèi)，重力的影響可忽略不計(jì)，因此研究重點(diǎn)在于壓強(qiáng)沿徑向的分布規(guī)律。分析旋流器內(nèi)部流場的徑向壓強(qiáng)分布，有助于分析旋流器內(nèi)部的能量損失問題[12]。

從描述水力旋流器內(nèi)部流體運(yùn)動(dòng)的N-S方程，可得徑向壓強(qiáng)梯度的表達(dá)式。由于表達(dá)式過于復(fù)雜，對于不可壓縮流體，當(dāng)不計(jì)黏性力且忽略徑向流動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)梯度表達(dá)式可簡化為[11]

(6)

式中，r為待測點(diǎn)處的旋轉(zhuǎn)半徑；p為待測點(diǎn)處的壓強(qiáng)；ρ為水的密度；uθ為待測點(diǎn)處的切向速度。

將式(6)積分得到旋流器中自由渦范圍內(nèi)任意半徑r處的壓強(qiáng)分布：

(7)

式中，pR為r=R(筒體壁)時(shí)的壓強(qiáng)；n為指數(shù)，一般0.4

由式(7)可得，隨流動(dòng)半徑的減小，壓強(qiáng)降低，當(dāng)r減小到某值時(shí)，p值為零，當(dāng)r繼續(xù)減小時(shí)，r處的壓強(qiáng)就變?yōu)樨?fù)值，即旋流器軸心為低壓區(qū)，并通過試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

當(dāng)忽略黏性力的影響，但考慮徑向速度的影響時(shí)，壓強(qiáng)梯度表達(dá)式可簡化為

(8)

式中，ur為待測點(diǎn)處的徑向速度。

將式(8)積分得到某一軸向位置截面上壓強(qiáng)隨半徑的變化關(guān)系式：

(9)

式中，C、m、k為常數(shù)，與工況及旋流器內(nèi)軸向位置有關(guān)；p1為積分常數(shù)，如果所選任一點(diǎn)壓強(qiáng)已知，則p1已知。如：當(dāng)r=r0時(shí)，p=p0,則

(10)

式(7)、式(9)為計(jì)算壓強(qiáng)分布的通式，根據(jù)需要選擇合適的表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。比較式(7)、式(9)可得，徑向速度的考慮使壓強(qiáng)梯度增大?？疾煨髌鲀?nèi)的徑向壓強(qiáng)分布有助于分析水力旋流器內(nèi)部能量損失大小及能量損失在旋流器內(nèi)不同區(qū)域的分配問題[4]。

2 數(shù)值試驗(yàn)方法在水力旋流器研究中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值算法的迅速發(fā)展，數(shù)值試驗(yàn)方法在水力旋流器的研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.1 水力旋流器數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)值試驗(yàn)方法可以對水力旋流器內(nèi)部流場實(shí)現(xiàn)全景式定量顯示，其中最關(guān)鍵的步驟是合理湍流模型的選擇及網(wǎng)格劃分。

2.1.1 湍流模型的選擇

水力旋流器內(nèi)部是一個(gè)充分發(fā)育的湍流場，湍流計(jì)算是水力旋流器內(nèi)部流場模擬的基礎(chǔ)。水力旋流器計(jì)算的湍流模型有直接數(shù)值試驗(yàn)方法(DNS)、雷諾平均模擬(RANS) 、大渦模擬(LES)等。

DNS方法雖然可以模擬流場中各種尺度的脈動(dòng)，但由于計(jì)算量太大且耗時(shí)很長，僅限于模擬流體在低雷諾數(shù)時(shí)的流動(dòng)，朱國鋒曾采用DNS方法對微型水力旋流器內(nèi)部流場及顆粒的分離行為進(jìn)行了考察[17]。

RANS方法包括渦黏模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型等)和雷諾應(yīng)力模型(RSM)。其中，k-ε模型假定湍流各向同性，不適合對水力旋流器內(nèi)部流場的模擬；RNGk-ε模型在對空氣柱的模擬方面誤差較大；RSM模型具有較高精度，能模擬各向異性的湍流，捕捉到湍流的脈動(dòng)，在一定程度上解決了使用k-ε模型時(shí)的問題。Swain的研究表明，在給料速度比較低的情況下，k-ε模型和RSM模型預(yù)測結(jié)果相近，兩者之間的差異主要體現(xiàn)在對靠近器壁區(qū)域流場速度分布的預(yù)測方面[18]。

與RSM模型相比，LES模型對速度分布及分離效率能給出更好的預(yù)測，但計(jì)算量較大。LES模型能模擬湍流流場中的大尺度脈動(dòng)及小尺度脈動(dòng)，成為目前研究水力旋流器內(nèi)部流場非常有用的工具，但由于湍流邊界有很多小尺度渦，因而計(jì)算量仍較大，無法在工程中廣泛使用[19]。

ASM模型是一種簡化的RSM模型，計(jì)算量較小，但精度較低。而DSM模型較RSM模型對壓力-應(yīng)力項(xiàng)的處理具有更高階的精度，同時(shí)計(jì)算量不是很大[20]。此外，結(jié)合LES和RANS建立的分離渦模擬方法(DES)，既提高了計(jì)算精度，又降低了計(jì)算機(jī)資源和計(jì)算時(shí)間[21]。

2.1.2 多相流模型的選擇

水力旋流器在正常的工況條件下，是典型的氣、液、固三相流體系統(tǒng)，對于這樣的多相流描述方法主要有宏觀水平的連續(xù)方法和微觀水平的離散元法(DEM)。前者實(shí)際上就是多相流體模型(TFM/MFM)，主要包括VOF、Mixture及Euler模型；而后者則主要包括DPM和DDPM。此外，還有直接模擬法(DNS)及基于分子動(dòng)力學(xué)的格子Boltzmann方法(LBM)。其中，DNS又分為任意拉格朗日歐拉法(ALE)和分布式拉格朗日法(DLM)。

VOF多用于氣液界面的描述，如Delgadillo采用VOF算法計(jì)算了空氣柱的位置[22]；Mixture模型是一種簡化的多相流模型，適合描述低濃度礦漿系統(tǒng)，也有學(xué)者用于描述空氣柱；Euler模型適用于高濃度礦漿的模擬，如Swain采用Eulerian-Eulerian多相流模型對水封型固液分離水力旋流器內(nèi)流場進(jìn)行了模擬[18]。

DEM雖然對顆粒的運(yùn)動(dòng)情況及顆粒與流場之間的相互作用進(jìn)行了描述，但由于計(jì)算量太大而未考慮顆粒自旋轉(zhuǎn)的影響，還不能用來對實(shí)際生產(chǎn)中的水力旋流器進(jìn)行模擬計(jì)算。其中的DPM模型適宜粒徑分布范圍較寬、系統(tǒng)體積分?jǐn)?shù)較小的分散體系；DDPM模型適合于分散相體積分?jǐn)?shù)較高的系統(tǒng)，但不適合較小粒徑的顆粒體系的計(jì)算。目前常用拉格朗日顆粒隨機(jī)追蹤模型(LPT)追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，它是一種簡化的DEM模型，適合描述低濃度給料時(shí)的工況[23]。

由于目前的研究主要集中在低濃度礦漿，且大部分模擬工作對入口區(qū)域的幾何模型進(jìn)行了簡化，因而需要更高精度、適宜更高濃度礦漿的模型及更精確的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段來描述水力旋流器內(nèi)部復(fù)雜的物理現(xiàn)象。此外，由于細(xì)粒“魚鉤”效應(yīng)的影響還沒有系統(tǒng)的解釋，因此需要一個(gè)附加的理論來描述“魚鉤”效應(yīng)[24]。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的尺寸和形狀對模擬的成功與否至關(guān)重要。郭廣東考察了3種不同網(wǎng)格(結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、混合網(wǎng)格)對油-水分離旋流器數(shù)值試驗(yàn)方法的影響[25]。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的精度較高，但對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的旋流器網(wǎng)格劃分比較困難；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)生成網(wǎng)格，但非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)量大，需要的運(yùn)算量也比較大；混合網(wǎng)格整合了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，并克服了他們的缺點(diǎn)，但兩種網(wǎng)格交接處需要特殊處理。此外，為了減少數(shù)值計(jì)算中偽擴(kuò)散的影響，最好將網(wǎng)格沿流體流動(dòng)方向排列。

2.2 數(shù)值試驗(yàn)方法在水力旋流器研究中的應(yīng)用

2.2.1 在研究內(nèi)部流場特征中的應(yīng)用

為考察流場變化對水力旋流器分離效果的影響，多年來許多學(xué)者基于CFD技術(shù)研究了旋流器內(nèi)部流場的運(yùn)動(dòng)情況。

1991年，Hsieh和Rajamani通過求解湍流擴(kuò)散方程，采用改進(jìn)的Prandtl混合長度模型，對水力旋流器內(nèi)不可壓縮流體的恒定流動(dòng)進(jìn)行了二維模擬[22]。由于二維模擬只能近似描述水力旋流器的流場特性，同時(shí)對分離效率的預(yù)測條件不夠充分，因此，許多學(xué)者開展了水力旋流器內(nèi)部流場的三維模擬研究。

許研霞、Murthy及高淑玲等系統(tǒng)研究了改變水力旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作參數(shù)對內(nèi)部流場特性的影響[26-28]，發(fā)現(xiàn)增大給料管直徑會降低切向速度，使最大切向速度位置沿徑向逐漸向中心移動(dòng)；隨著溢流管直徑增大，LZVV外移，壓強(qiáng)降低，最大切向速度降低，圓柱段內(nèi)旋流的軸向速度增加，分流比減小，空氣柱直徑增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)；柱段長度增加，壓力降減?。坏琢鞴苤睆皆龃?，流速降低，LZVV向上收縮，錐角較小時(shí)，這種影響也較??；錐角增大，LZVV向上收縮。因此可見，旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝操作參數(shù)的優(yōu)化匹配是獲得穩(wěn)定流場的關(guān)鍵。

基于CFD技術(shù)，Delgadillo研究了單一水相時(shí)的速度分布特性，捕捉到了短路流及循環(huán)流等流場特性[29]；岑卓倫考察了入料速度及溢流管直徑對水力旋流器內(nèi)旋流的影響。結(jié)果表明，過大的入料速度或太小的溢流管直徑均會導(dǎo)致水力旋流器頂部出現(xiàn)返混現(xiàn)象，從而影響分流比及分離效率[30]；劉曉明模擬了水力旋流器內(nèi)部牛頓流體及非牛頓流體的流場分布，發(fā)現(xiàn)2種流體的流場分布規(guī)律大致相同，但在相同位置處，非牛頓流體的切向速度較低，從而導(dǎo)致非牛頓流體較難分離[31]。

水力旋流器內(nèi)空氣柱的模擬主要集中在空氣柱的形成和發(fā)展過程以及空氣柱的直徑等方面。崔寶玉及Eldin等對空氣柱的形成和發(fā)展過程進(jìn)行的模擬結(jié)果表明[15,32]，空氣柱呈絞繩狀，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，并伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，空氣從底流口吸入，從溢流口排出，在溢流管中心處存在空氣回流。許妍霞的研究結(jié)果表明[26]，液體充滿整個(gè)空間是空氣柱形成的必要條件，且空氣柱內(nèi)流體呈非恒定流動(dòng)。Rakesh[13]采用數(shù)值模擬的方法考察了空氣柱的直徑大小及影響因素，并結(jié)合ERT技術(shù)對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，空氣柱直徑與底流口直徑及給料壓強(qiáng)有關(guān)，隨著底流口直徑的增加，空氣柱直徑增大；隨著給料壓強(qiáng)的增加，空氣柱直徑先增大后減小。Sripriya研究了水力旋流器內(nèi)部有空氣柱和有內(nèi)嵌金屬棒時(shí)的流場差異，發(fā)現(xiàn)內(nèi)嵌金屬棒有助于提高旋流器的分離效率[33]。

2.2.2 在顆粒分離機(jī)理研究中的應(yīng)用

為了提高水力旋流器的分離效率，研究人員采用數(shù)值試驗(yàn)方法，考察了水力旋流器的物性參數(shù)、操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效率的影響，為進(jìn)一步研究分離機(jī)理、優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供了理論指導(dǎo)。

針對顆粒的密度、粒度對水力旋流器分離效率的影響，Chu的研究結(jié)果表明，在重介質(zhì)旋流器中，隨著顆粒密度的增加，切向速度降低，導(dǎo)致壓強(qiáng)降低，分級效率下降[34]；蔡圃通過研究固體顆粒在不同方向上的受力情況發(fā)現(xiàn)，不同粒度的顆粒，所受的壓強(qiáng)梯度力及離心慣性力基本不變，但隨著顆粒粒度的減小，顆粒所受的流體阻力呈指數(shù)增長且隨機(jī)性增加[35]。

關(guān)于給料濃度、礦漿黏度、給料壓強(qiáng)、給料流量等對旋流器分離效果的影響，Kuang的研究結(jié)果表明，隨著給料濃度的增加，分離粒度增大，分離效率降低，底流分流比先增加后降低，壓降先降低后增加[36]；Minkov的研究結(jié)果也表明，給料濃度影響“魚鉤”效應(yīng)的數(shù)量級[37]；Bhaskar通過系統(tǒng)的模擬研究發(fā)現(xiàn)，隨給料濃度增加，礦漿黏度增大，導(dǎo)致切向速度減小，壓降降低，空氣柱直徑減小，分離粒度增大[38]；Kraipech的研究結(jié)果表明，隨著給料壓強(qiáng)的增大，分離粒度減小，“魚鉤”效應(yīng)的影響增強(qiáng)，而給料流量的增加則會導(dǎo)致壓降增大[39]。

與此同時(shí)，Cilliers的研究結(jié)果表明，隨著礦漿溫度升高，分離粒度減小[40]；而許研霞的研究結(jié)果表明，隨著環(huán)境壓強(qiáng)的降低，旋流器消耗的能量增加，細(xì)粒級的分離效率下降[41]。此外，Narasimha利用CFD技術(shù)模擬了φ75 mm水力旋流器內(nèi)顆粒的粒度分布，并依據(jù)模擬結(jié)果對旋流器的分離粒度進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的預(yù)測[42]。

針對給料方向、給料管尺寸、溢流管和底流口直徑以及圓柱段、圓錐段尺寸等旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離效果的影響，Zhang對阿基米德螺旋入料和切向入料的水力旋流器進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究[43]，結(jié)果表明，采用阿基米德螺旋入料時(shí)，水力旋流器內(nèi)的壓力場分布均勻，流場穩(wěn)定，短路流量減少，分離效率提高；而Romanus和Hwang的研究結(jié)果則表明，增加入料口個(gè)數(shù)及減小入料口尺寸都能獲得更小的分離粒度及更高的分離效率，同時(shí)安裝圓錐形頂板能明顯提高細(xì)粒級的分離效率[44-45]。

由于溢流管的結(jié)構(gòu)對短路流、循環(huán)流的存在及水力旋流器的能量消耗均有影響，因此，Ghodrat及楊強(qiáng)考察了溢流管直徑、形狀及插入深度對水力旋流器分離效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，與圓柱形及圓錐形溢流管相比，反錐形溢流管的分離效率最佳；隨著溢流管直徑增大，分離作用逐漸減弱；此外，溢流管長度對分離效率的影響較小，在不同給料濃度時(shí)呈現(xiàn)出不同的趨勢[46-47]；郭雪巖在流場模擬的基礎(chǔ)上，通過增加溢流管壁厚、增大溢流管的插入深度、適當(dāng)增加圓柱部分筒體的高度，提高了內(nèi)部流場的穩(wěn)定性及固液分離的分離效率[48]。

Noroozi考察了4種不同入料腔結(jié)構(gòu)(指數(shù)型、圓錐形、二次方型及標(biāo)準(zhǔn)型)對脫油用水力旋流器分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)指數(shù)型入料腔具有較高的切向速度、較低的能量消耗，并且能消除循環(huán)流的不利影響，從而獲得較高的分離效率[49]。M.Ghodrat在給料濃度為4%～30%的范圍內(nèi)，考察了圓柱段直徑和底流口直徑對旋流器內(nèi)部流場特性及分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)小直徑旋流器具有相對較小的壓降及較高的分離效率，而且當(dāng)給料濃度比較高時(shí)，呈現(xiàn)為繩狀排料；過大或過小的底流口直徑均會導(dǎo)致分離效率降低，最佳底流口直徑與給料濃度密切相關(guān)；給料濃度越低流場越穩(wěn)定[50]。

Ghodrat在給料固體體積分?jǐn)?shù)為4%～30%的范圍內(nèi)，模擬研究了圓錐段的長度及形狀對分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)在不同的給料濃度下，隨著錐段長度增加，壓降及分離粒度均降低；與凹形錐相比，凸型錐的壓降更小[51]。王立陽的模擬研究結(jié)果則表明，液固分離主要發(fā)生在圓錐段，在一定程度上增加圓錐段高度能提高分級效率[52]。崔瑞通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，與長錐旋流器相比，上部采用大錐角、下部采用小錐角的變錐角水力旋流器具有更高的最大切向速度和更穩(wěn)定的軸向及徑向流速分布，分離粒度也會相應(yīng)下降[53]。此外，董連平就旋流器圓錐段結(jié)構(gòu)對分離效果的影響，開展了較為系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的選煤用旋流器相比，具有復(fù)雜圓錐結(jié)構(gòu)(兩段負(fù)錐中間結(jié)合一段正錐)的旋流器(CCS)對粗粒煤泥具有更高的分離效率[54]，這再次證明，旋流器的錐角對分選效果具有重要影響。

2.2.3 在水力旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中的應(yīng)用

為了提高水力旋流器的分離效率，降低能耗，擴(kuò)大水力旋流器的應(yīng)用范圍，近年來，一些研究者基于CFD的模擬計(jì)算結(jié)果，對水力旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

楊強(qiáng)基于CFD技術(shù)設(shè)計(jì)的微型水力旋流器，提高了細(xì)粒級顆粒的分離效率，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，入口處顆粒所處位置對顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡有重要影響[55]。蔡圃在對水力旋流器內(nèi)部流場分布特征及顆粒受力空間分布的模擬基礎(chǔ)上，在內(nèi)部放置了一套減阻葉片，4個(gè)相互垂直的減阻葉片位于錐段，并固定在中心桿上，從而在保持分離效率的同時(shí)降低了能耗[35]。

吳磊基于數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了一臺新型水力旋流器[56]，其給料方向與水平方向呈10°夾角、溢流管內(nèi)壁鑲嵌6個(gè)梯形木板、錐段中心插入固體棒，這些特殊結(jié)構(gòu)降低了中心空氣柱的不利影響，使內(nèi)部流場的湍流程度降低，流場更加穩(wěn)定，提高了旋流器的分離效率和處理能力。

此外，趙立新在對流場特性模擬分析基礎(chǔ)上，通過在底部增設(shè)錐形結(jié)構(gòu)，研制出了一種用于氣液分離的水力旋流器，使氣液分離的技術(shù)指標(biāo)得到了明顯改善[57]。

3 結(jié) 語

(1)過去幾年間，隨著CFD軟件的不斷完善及湍流模型的改進(jìn)，數(shù)值試驗(yàn)方法在水力旋流器內(nèi)部流場特性研究方面發(fā)揮的作用越來越重要。目前，對于壓強(qiáng)、切向速度及軸向速度的分布規(guī)律及其影響因素的研究已經(jīng)比較成熟，但對于徑向速度的研究尚有待進(jìn)一步加強(qiáng)；關(guān)于軸向零速包絡(luò)面(LZVV)的大小及形狀的數(shù)字化表征，不同學(xué)者的觀點(diǎn)仍未統(tǒng)一；對于空氣柱的大小、形狀及形成過程雖然開展了一些數(shù)值試驗(yàn)研究，但獲得的認(rèn)識遠(yuǎn)未達(dá)到可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)的水平。

(2)在旋流器分離機(jī)理的數(shù)值試驗(yàn)研究方面，盡管就待分選物料的性質(zhì)、操作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對水力旋流器分離效率及分離粒度的影響，已經(jīng)開展了大量的研究工作，但這些研究主要是在低濃度礦漿中針對牛頓流體、球形顆粒開展的，并沒有考慮顆粒形狀及顆粒與顆粒、顆粒與器壁之間相互作用對分離效率的影響，這些方面應(yīng)該是今后一個(gè)時(shí)期的研究工作重點(diǎn)。

(3)關(guān)于水力旋流器的數(shù)值試驗(yàn)研究亟需建立一套系統(tǒng)的工作模式，確定適用于旋流器內(nèi)各向異性湍流流場和高濃度礦漿流場的計(jì)算模型，以便使相應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果更符合生產(chǎn)實(shí)際，為高效能旋流器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論支持。

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(責(zé)任編輯 王亞琴)

Research Progress on Internal Flow Field and Separation of Hydrocyclone

Wei Dezhou Zhang Caie Gao Shuling Cui Baoyu Liu Wengang Shen Yanbai Han Cong

(CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

The inner flow field of hydrocyclone plays an essential role for the separation of a given particle group.The development of internal flow field and the research status of flow field characteristics for hydrocyclone are reviewed.The application of numerical simulation in the establish of hydrocyclone mathematical model,characterization of internal flow field,separation process of solid particles,and optimization design of structural parameters for hydrocyclones are introduced in detailed.Based on these analysis,further investigation on the features of the envelope of zero vertical velocity(LZVV) and an air core will be required.The influence of particle shape,as well as the particle-particle,particle-fluid,and particle-wall interactions on the separation efficiency in high concentration slurry will be the focused on.

Hydrocyclone,Flow Field,Numerical simulation,Separation

2014-11-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51474054，51104035，50974033)。

魏德洲(1956—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。通訊作者 高淑玲(1980—)，女，副教授，博士。

TD922

A

1001-1250(2015)-02-012-08