內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器數(shù)值模擬與試驗研究

高重新 鄭 杰 吳 剛 王云鵬 王江勇 劉培坤 姜蘭越 杜啟隆

（1.兗礦能源集團股份有限公司；2.山東科技大學機械電子工程學院）

旋流器為一種通用的分離設備，具有結構簡單、操作方便、適用性強等優(yōu)點，廣泛應用于顆粒分離領域［1-3］。然而在實際分離過程中，由于流體波動及窄口效應，部分物料沿溢流管外壁下行，未經(jīng)分離便匯入內(nèi)旋流，并由溢流管排出，產(chǎn)生短路流，加劇了溢流跑粗現(xiàn)象［4-6］。

為解決上述問題，諸多學者進行了旋流器結構優(yōu)化研究，探究通過減少短路流來提高旋流器分離性能的方法。Francisco 等［7］通過模擬研究了30 多種溢流管結構（長度、曲線位置和曲率半徑）對旋流器內(nèi)部流場影響的規(guī)律；Reza 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，溢流管直徑變化對旋流器等效面積系數(shù)的影響大于進料口直徑的變化；Jiang 和Nor 等［9-10］探究了溢流管直徑對旋流器分離性能和內(nèi)部流場的影響；Li 等［11］設計了一種厚壁結構的溢流管，通過增加短路流進入溢流管底端入口的距離，從而引導短路流重新進入分離區(qū)；Vakamalla 等［12］提出一種內(nèi)部倒錐形溢流管，增大了短路流進入溢流管的難度，以減少短路流、改善溢流產(chǎn)物的品質(zhì)。

1 內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器及其分離原理

在前人研究的基礎上，本研究提出了一種具有自旋葉輪結構的內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器（圖1），葉輪由溢流口頂端至溢流口底端下方的中心軸固定，基于旋流器分離理論，旋流器內(nèi)流體運動為組合渦，徑向位置約等于2/3 倍溢流管半徑處為強制渦向自由渦的過渡狀態(tài)，因此，溢流管壁處切向速度最大，該位置會形成極大的剪切力，以帶動自旋葉輪旋轉(zhuǎn)，從而提高旋流器柱段的離心強度，通過引導短路流來減少進入溢流管的短路流流量，從而達到減少溢流產(chǎn)物中粗顆粒含量、提高溢流產(chǎn)物質(zhì)量的目的；同時，自旋葉輪結構不占據(jù)分離空間，只是部分占據(jù)溢流管內(nèi)空氣柱位置，可以減小空氣柱直徑，更好地利用分離空間?；谝陨显O計理念，本研究擬采用試驗室試驗、數(shù)值模擬相結合的方法研究內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器，揭示在自旋葉輪結構的作用下流場變化及顆粒分布特性。

通過占據(jù)空氣柱的位置來減小對流場的擾動，從而提高分離性能的自旋葉輪隨內(nèi)旋流的轉(zhuǎn)動而旋轉(zhuǎn)。在內(nèi)旋流中，葉輪邊緣處產(chǎn)生額外的切向力，對短路流產(chǎn)生一定的擾亂沖散作用，短路流中的粗顆粒受到的切向力遠大于細顆粒，導致粗顆粒重新進入外旋流參與第二次離心分級，有效改善了“溢流跑粗”現(xiàn)象。分離過程得到強化后，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的分離粒度減小，更多粗粒固體進入外旋流，并由底流口排出，增大了底流產(chǎn)率，這對于固液分離旋流器來說，可在不增加額外動力的前提下，獲得更高的分離效率。同時由于短路流流量減少，溢流中粗顆粒的攜帶量降低，意味著可以獲得細粒級含量更高的溢流產(chǎn)物，這對于礦物的高效分級也有重要意義。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 結構尺寸

本研究設計了φ150 mm 的普通旋流器和內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器，區(qū)別僅在于有無葉輪，基本結構見圖2，結構參數(shù)見表1。采用SolidWorks 軟件建立三維模型，選取底流口中心為坐標原點，Z軸豎直向上，選取Z1=160 mm、Z2=230 mm 的高度截面進行試驗結果分析，采用ICEM CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，采用Fluent 21.1軟件進行數(shù)值模擬計算，對比研究其內(nèi)部流場的性能。

2.2 模擬條件

為了更好地模擬強旋渦流場特性，采用RSMVOF 模型和RSM-Mixture 模型，進料口設置為速度入口，溢流和底流口設置為壓力出口，內(nèi)部槳葉采用動網(wǎng)格設置，空氣回旋系數(shù)設為1，以保證有空氣吸入，壁面均設置成“無滑移”邊界條件。模擬物料選用ρ=2.65 t/m3的石英砂顆粒，粒度分布見表2。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 空氣柱

圖3為2種旋流器的空氣柱對比。

由圖3 可以看出，常規(guī)旋流器空氣柱兩端粗、中間細，內(nèi)置槳葉旋流器的空氣柱直徑整體小于常規(guī)旋流器，槳葉下方變化顯著，甚至在柱錐交界面處無法貫通，這是因為槳葉結構的存在阻礙了底流管、溢流管與大氣的直接聯(lián)通，導致軸向負壓在自旋葉輪結構區(qū)域無法貫通，同時也降低了自溢流吸入流場的空氣含量，導致流場中心負壓區(qū)域減小，空氣柱直徑也隨之減小。

2.3.2 切向速度

切向速度決定著旋流器分離過程中離心力場的強度，對旋流分離性能起主導作用。常規(guī)旋流器與內(nèi)置槳葉旋流器切向速度對比見圖4。

從圖4可以看出，不同截面上的切向速度分布均符合準自由渦分布規(guī)律；在半徑為20 mm處附近達到切向速度的最大值，該區(qū)域為強制渦和自由渦交界處，隨后速度急劇減小，在軸心位置切向速度減小至零。在旋流器柱段槳葉結構下方，內(nèi)置槳葉旋流器切向速度明顯高于常規(guī)旋流器，特別是在槳葉結構上方，切向速度最大值由10.08 m/s 提高到11.54 m/s，增幅為14.48%，離心力場增強，有助于減小粗顆粒進入溢流管的概率，增強旋流器的分離能力。

2.3.3 軸向速度

軸向速度大小決定著顆粒在旋流分離場內(nèi)的停留時間，影響旋流器的分離精度。2 種旋流器軸向速度對比見圖5。

從圖5 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)置槳葉旋流器在內(nèi)旋流與外旋流區(qū)域的軸向速度的絕對值較小，這是由于槳葉結構增大了流體的上行阻力，使得內(nèi)旋流中的粗顆粒再次向外遷移進入外旋流，從而減少未經(jīng)分離直接進入溢流的顆粒數(shù)，改善溢流跑粗現(xiàn)象。

2.3.4 短路流

2種旋流器內(nèi)流場流線短路流對比見圖6。

從圖6 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)置槳葉旋流器短路流流量較小，在槳葉結構的作用下部分短路流克服曳力，從而混入外旋流，導致短路流的軌跡發(fā)生改變，繼而減少溢流管短路流的流量，有效提高溢流的質(zhì)量。

3 試驗研究

3.1 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)主要由內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器、離心泵、變頻器、壓力表等裝置組成，將配制好的質(zhì)量濃度9.0%的石英砂混合料漿倒入攪拌桶內(nèi)，開啟攪拌器使桶內(nèi)料漿充分混勻，調(diào)節(jié)變頻器控制初始給料壓力，再由離心泵將礦漿以一定壓力打入旋流器內(nèi)，溢流、底流均返回攪拌桶以維持料漿穩(wěn)定。試驗系統(tǒng)見圖7，試驗用自旋葉輪結構見圖8。

3.2 試驗結果分析

為探究有無自旋葉輪的旋流器性能，進行了2種旋流器的對比試驗，結果見表3，2種旋流器溢流產(chǎn)品的粒度負累計曲線見圖9，2 種旋流器的分級性能對比見表4。

從表3 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器溢流濃度降低、流量減?。坏琢鳚舛纫步档?.77 個百分點，底流流量提高0.47 m3/h，底流固相產(chǎn)率提高9 個百分點。這主要是因為內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的自旋葉輪增大了流體上行的阻力，導致部分攜帶顆粒的內(nèi)旋流重新進入外旋流，進而導致底流流量及回收率提高。

從圖9可以看出，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器溢流粒度負累計曲線明顯較高，即粗顆粒含量減少，表明自旋葉輪被動旋轉(zhuǎn)在溢流管末端營造出了更強的離心力場，有效減少了溢流中粗顆粒的含量。

從表4 可以看出，與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流-30 μm 含量提高了4.92 個百分點，底流-30 μm 含量提高了12.25個百分點，以-30 μm 計的綜合分級效率高3.21 個百分點。因此，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流細顆?；厥章矢?，溢流跑粗現(xiàn)象得到改善，旋流器分離性能得到提高，與模擬結論吻合。

4 結論

（1）與常規(guī)旋流器相比，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的空氣柱直徑減小，葉輪下部區(qū)域減小更加明顯，旋流器的有效分離空間增大。

（2）內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器切向速度增大，離心力場增強，軸向速度降低，顆粒分離停留時間延長，流場特性均向著強化分離過程的方向改善。

（3）內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器短路流流量減少，溢流產(chǎn)品-30 μm 含量提高了4.92 個百分點，以-30 μm 計的綜合分級效率高3.21 個百分點。因此，內(nèi)旋自轉(zhuǎn)旋流器的溢流細顆?；厥章矢撸缌髋艽脂F(xiàn)象得到改善，旋流器分離性能得到提高。