單、雙溢流管旋流器流場(chǎng)特征及分離性能研究

劉 國(guó) 慶 張 悅 刊 劉 培 坤 楊 興 華 陳 波

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

旋流器是利用離心沉降原理完成液體澄清［1］、料漿濃縮［2］、固相顆粒分級(jí)［3］，以及兩種非互溶液體分離［4］的代表性裝置。工作時(shí)，流體以一定的速度和壓力切向給入旋流器，在離心力的作用下，粒徑大、密度大的顆粒沿外螺旋向下進(jìn)入外旋流，從旋流器底流口排出；粒徑小、密度小的顆粒進(jìn)入內(nèi)旋流從溢流口排出，從而在旋流器內(nèi)完成選擇性分離。

旋流器具有操作簡(jiǎn)單、單位時(shí)間內(nèi)處理量大、無運(yùn)動(dòng)部件、便于維修等優(yōu)點(diǎn)，迄今為止，已在礦物加工［5］、石油［6］、化工［7］、煤炭［8］、采礦［9］、尾礦處理［10］等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在粗細(xì)物料分級(jí)中，普通旋流器一次分級(jí)只能得到細(xì)顆粒和粗顆粒2種產(chǎn)品，其中底流產(chǎn)品粒度粗，溢流產(chǎn)品粒度細(xì)［11-12］。然而，除了進(jìn)入溢流的細(xì)顆粒和進(jìn)入底流的粗顆粒外，還存在分級(jí)粒度附近的中間粒級(jí)，其不論進(jìn)入溢流或是底流，均會(huì)增加產(chǎn)物的錯(cuò)配率，降低分級(jí)精度。為獲得多粒徑、窄粒級(jí)產(chǎn)品，以便取得更好的分選效果，通常采用多級(jí)旋流器串并聯(lián)技術(shù)［13-16］或使用旋流器和振動(dòng)篩組合方式［17］進(jìn)行分級(jí)。但這些組合方式存在工藝復(fù)雜、投資大、生產(chǎn)成本高、系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等問題，極大地限制了旋流器的推廣與應(yīng)用。

為解決上述問題，筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種雙溢流管旋流器，該設(shè)備以傳統(tǒng)旋流器結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，于中心位置插入一直徑較小的同軸溢流管，形成內(nèi)、外雙溢流管結(jié)構(gòu)，物料分離過程中按粒級(jí)和密度形成內(nèi)溢流、外溢流和底流3種粒徑的產(chǎn)品，與傳統(tǒng)旋流器產(chǎn)品相比，粒級(jí)有望明顯變窄。為了解、改善雙溢流管旋流器的分離性能，采用數(shù)值模擬方法對(duì)比了雙溢流管旋流器和傳統(tǒng)旋流器的流場(chǎng)特征，其內(nèi)容主要包括內(nèi)壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)（切向、軸向、徑向）、湍流強(qiáng)度和產(chǎn)品粒度等特性，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 數(shù)值模擬研究

1.1 模型建立

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)（CFD）的數(shù)值仿真方法用于旋流器分離性能研究已較為成熟，目前常采用雷諾平均法（RANS）［18-19］、直接模擬法（DNS）［20］和大渦模擬法（LES）［21］，其中雷諾平均法研究較多。該方法將湍流中的物理量分成脈動(dòng)量和平均量，大大降低了計(jì)算量，滿足了旋流器內(nèi)流場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性。為此，采用該方法進(jìn)行旋流器內(nèi)流場(chǎng)模擬研究。

本研究所設(shè)計(jì)的?150 mm單、雙溢流管旋流器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

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該旋流器進(jìn)料口采用漸縮矩形切向進(jìn)料形式，通過SolidWorks 2017軟件建立旋流器三維模型，旋流器軸線沿z軸正方向，設(shè)置底流口中心和坐標(biāo)原點(diǎn)重合，利用SpaceClaim軟件對(duì)旋流器進(jìn)行流體域抽取，選取柱段區(qū)域z=240 mm和z=340 mm兩個(gè)橫截面作為后續(xù)模擬數(shù)據(jù)分析的特征截面。單、雙溢流管旋流器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

采用ICEM17.0軟件進(jìn)行流體區(qū)域網(wǎng)格劃分，以六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為主，其中單、雙溢流管旋流器網(wǎng)格數(shù)量分為117 248、136 324，網(wǎng)格劃分示意如圖2所示。

1.2 模擬邊界條件

所用礦漿由清水和石英砂配制，ρ水=998 kg/m3，ρ石英砂=2 650 kg/m3，進(jìn)料質(zhì)量濃度為17.5%，體積濃度約為7.5%。石英砂粒徑分布如表2所示。

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旋流器入口速度為4 m/s，湍流特性采用湍流強(qiáng)度和水力直徑的計(jì)算值。出口均為壓力出口，與大氣相通。壁面條件采用無滑移運(yùn)動(dòng)的固定壁面。Multiphase Model選擇Mixture模型，Primary Phase設(shè)置為水，Secondary Phase根據(jù)表2石英砂粒徑分別設(shè)置。湍流模型采用RSM模型［22］。

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

1.3.1 靜壓力分布

圖3為單、雙溢流管旋流器特征高度截面的靜壓力分布曲線，圖4為單、雙溢流管旋流器特征高度截面處的靜壓力分布云圖。

由圖3可知，無論是z=240 mm截面還是z=340 mm截面，單溢流管旋流器內(nèi)部靜壓力分布曲線均呈“倒駝峰”形狀，這與文獻(xiàn)［23］的研究結(jié)論一致；同時(shí)表明，采用基于CFD研究雙溢流管旋流器內(nèi)部流場(chǎng)是可行的。盡管雙溢流管與單溢流管旋流器內(nèi)部的靜壓力分布規(guī)律基本一致，但雙溢流管比單溢流管旋流器內(nèi)部靜壓力大，有利于促進(jìn)微細(xì)顆粒的內(nèi)移。相較于單溢流管旋流器，雙溢流管旋流器壓力曲線更陡峭一些，壓力梯度變化更為明顯，有助于能量的利用。

由圖4可知，2種旋流器壓力分布規(guī)律一致，均沿徑向由壁面至軸心處壓力值逐漸減小，越靠近軸心處變化越快，在旋流器軸心處出現(xiàn)負(fù)壓。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙溢流管旋流器內(nèi)部負(fù)壓區(qū)面積較小，使得流體向上運(yùn)動(dòng)動(dòng)力不足，可以有效降低“溢流跑粗”發(fā)生概率，提高旋流器分級(jí)精度。

1.3.2 切向速度分布

圖5為單、雙溢流管旋流器特征高度截面的切向速度分布曲線。

由圖5可知，對(duì)于單、雙溢流管旋流器，二者的切向速度均由旋流器軸心向器壁處呈現(xiàn)先增大到一定值后減小的趨勢(shì)，在外徑45 mm和內(nèi)徑36 mm的環(huán)形區(qū)域切向速度最大，其中雙溢流管旋流器的最大切向速度比單溢流管旋流器高0.4 m/s，且雙溢流管旋流器切向速度的變化更為明顯，說明雙溢流管旋流器的離心力場(chǎng)強(qiáng)度更大。對(duì)比不同截面切向速度值，可以得出在一定程度上隨著特征高度的升高旋流器內(nèi)切向速度也變大，有利于產(chǎn)品分級(jí)。

1.3.3 軸向速度分布

軸向速度的大小決定旋流器內(nèi)顆粒停留時(shí)間的長(zhǎng)短，從而影響旋流器的分離性能。圖6為單、雙溢流管旋流器特征高度截面的軸向速度分布曲線。

由圖6可知，z=240 mm截面，軸心處軸向速度最大；z=340 mm截面，半徑約為10 mm處軸向速度最大，表明z=240 mm這個(gè)區(qū)域的旋流場(chǎng)分離能力較強(qiáng)。在2個(gè)不同截面，均表現(xiàn)為雙溢流管旋流器的軸向速度值更小，說明雙溢流管旋流器內(nèi)顆粒參與分離的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，有助于顆粒窄粒徑精細(xì)分級(jí)。2種結(jié)構(gòu)的旋流器“零速包絡(luò)面”的半徑基本相同，均為32.5 mm左右，這說明2種結(jié)構(gòu)旋流器內(nèi)流體向上運(yùn)動(dòng)和向下運(yùn)動(dòng)的折返半徑相同，但是“零速包絡(luò)面”區(qū)域以外，雙溢流比單溢流旋流器的軸向速度絕對(duì)值要小，“零速包絡(luò)面”區(qū)域以內(nèi)前者的軸向速度更大，且變化梯度更大，這種現(xiàn)象在z=240 mm截面表現(xiàn)得更加明顯，這是因?yàn)閦=240 mm截面接近旋流器柱段和錐段的交界處，剛好處于旋流器的主分離區(qū)域。以上規(guī)律表明，雙溢流旋流器較單溢流旋流器具有更加充分的分離時(shí)間，分離更加徹底。

1.3.4 徑向速度分布

圖7為單、雙溢流管旋流器特征高度截面的徑向速度分布曲線。

由圖7（a）可知，分離區(qū)（z=240 mm）徑向速度變化具有一定的規(guī)律性，雙溢流管比單溢流管旋流器徑向速度小，表明雙溢流管結(jié)構(gòu)可以一定程度上降低旋流器內(nèi)部顆粒的徑向遷移速度、相對(duì)延長(zhǎng)顆粒在旋流場(chǎng)內(nèi)停留時(shí)間。由圖7（b）可知，靠近溢流出口區(qū)域（z=340 mm）徑向速度變化非常復(fù)雜，這是因?yàn)橐缌骺诟浇菀资艿礁咚偃肟跐{液的沖擊，湍流更加強(qiáng)烈且紊亂，同時(shí)，常規(guī)分離過程中顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)規(guī)律被該區(qū)域產(chǎn)生的循環(huán)流和短路流所打亂，因此這個(gè)區(qū)域的徑向速度大小隨機(jī)且沒有規(guī)律。盡管該區(qū)域徑向速度規(guī)律性較差，但這種現(xiàn)象為旋流器提供了準(zhǔn)確的優(yōu)化位置，以便有針對(duì)性地改善該區(qū)域結(jié)構(gòu)，避免強(qiáng)烈湍流場(chǎng)的干擾。

1.3.5 湍流強(qiáng)度

旋流器內(nèi)部是高度復(fù)雜的非線性湍流場(chǎng)，存在多種尺度的旋渦，所以湍流的發(fā)展及衰減程度一般用湍動(dòng)能的大小評(píng)價(jià)。圖8為單、雙溢流管旋流器特征高度截面的湍動(dòng)能變化曲線。

由圖8可知，相比于單溢流管旋流器，雙溢流管旋流器在產(chǎn)品分離過程中湍動(dòng)能變化速度和數(shù)值均減小，湍流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)顆粒分級(jí)的擾動(dòng)作用弱，有助于實(shí)現(xiàn)顆粒窄粒級(jí)精細(xì)分級(jí)。

1.3.6 產(chǎn)品粒度組成

底流和溢流產(chǎn)品的粒度組成反映了旋流器分離性能的好壞，通過mixture多相流模擬獲得了單、雙溢流管旋流器分級(jí)性能的結(jié)果，圖9為單、雙溢流管旋流器的模擬結(jié)果產(chǎn)品粒度曲線。

由圖9可知，雙溢流管旋流器一次分級(jí)可獲得3種粒度區(qū)別明顯的粒級(jí)產(chǎn)品，有效實(shí)現(xiàn)了顆粒窄粒級(jí)精細(xì)分級(jí)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

以顆粒中位粒徑為39.8 μm、密度為2 650 kg/m3的石英砂為試驗(yàn)原料，開展雙溢流管旋流器分離性能研究，試驗(yàn)設(shè)備聯(lián)系如圖10所示。

首先在料筒中配制相應(yīng)濃度的石英砂料漿，經(jīng)攪拌器攪拌均勻后由渣漿泵以設(shè)置好的壓力打入旋流器內(nèi)進(jìn)行分級(jí)，旋流器產(chǎn)品接回料筒以保證系統(tǒng)穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)行，用燒杯對(duì)進(jìn)料、底流和內(nèi)外溢流4個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行同步取樣，計(jì)算并分析產(chǎn)品指標(biāo)。

2.2 分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)置內(nèi)溢流管內(nèi)外徑分別為28 mm、36 mm，其中內(nèi)外溢流管的插入深度均設(shè)置為140 mm，2種旋流器均選取直徑為22 mm、錐角為60°的底流口，壓力設(shè)置均為0.1 MPa，給料濃度均為15.5%。

單、雙溢流管旋流器分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果見表3，溢流和底流產(chǎn)品粒度分布如圖11所示。

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由表3可知，雙溢流管旋流器中外溢流的流量、產(chǎn)率和濃度均大于內(nèi)溢流，且其底流濃度比單溢流管旋流器降低了8.30個(gè)百分點(diǎn)，底流產(chǎn)率增大了3.25個(gè)百分點(diǎn)。說明雙溢流管有效改善了溢流跑粗的現(xiàn)象。

由圖11可知，經(jīng)雙溢流管旋流器一次分級(jí)可獲得中位粒徑分別為16 μm、24 μm和61 μm的3種產(chǎn)品。選取實(shí)際分級(jí)分選作業(yè)常用的顆粒粒徑（-45 μm），計(jì)算雙溢流管旋流器的綜合分級(jí)效率，結(jié)果表明，雙溢流管旋流器內(nèi)外溢流產(chǎn)品-45 μm粒級(jí)累計(jì)含量為84.33%，單溢流管旋流器溢流產(chǎn)品-45 μm粒級(jí)累計(jì)含量為83.18%，單、雙溢流管旋流器的綜合分級(jí)效率分別為54.38%、55.64%，雙溢流管旋流器較單溢流管旋流器提高了1.26個(gè)百分點(diǎn)。以上研究結(jié)果表明，雙溢流管旋流器不僅可以通過一次分級(jí)獲得3種窄粒級(jí)產(chǎn)品，而且改善了傳統(tǒng)單溢流管旋流器的分離效率和分級(jí)性能。

3 結(jié)論

（1）雙溢流管旋流器相比于單溢流管旋流器，切向速度和內(nèi)部壓力一定程度上變大；徑向速度、軸向速度和湍動(dòng)能較單溢流管旋流器更小。結(jié)果表明雙溢流管旋流器可以強(qiáng)化分離過程，有助于分離性能的提高。

（2）雙溢流管旋流器一次分級(jí)可以得到底流、內(nèi)溢流和外溢流3種窄粒級(jí)產(chǎn)品。相較于單溢流管旋流器，雙溢流管旋流器底流濃度降低了8.3個(gè)百分點(diǎn)，底流產(chǎn)率增大了3.25個(gè)百分點(diǎn)，內(nèi)外溢流產(chǎn)品中-45 μm的顆粒累積含量增加了1.15個(gè)百分點(diǎn)，綜合分級(jí)效率提高了1.26個(gè)百分點(diǎn)。

（3）本研究為雙溢流管旋流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多產(chǎn)品旋流分離裝置的推廣應(yīng)用提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。但內(nèi)溢流管結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)分離性能的影響規(guī)律有待在后續(xù)的工作中進(jìn)一步深入研究，以期全面提高雙溢流多產(chǎn)品旋流器的分離效果。