水力旋流器内部流场及分选过程的研究进展

魏德洲 张彩娥 高淑玲 崔宝玉 刘文刚 沈岩柏 韩 聪

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

水力旋流器内部流场及分选过程的研究进展

魏德洲 张彩娥 高淑玲 崔宝玉 刘文刚 沈岩柏 韩 聪

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

论述了水力旋流器内部流场特性研究的发展历程及研究现状。详细介绍了数值试验方法在旋流器模型建立、内部流场特性描述、颗粒在其流场中的分离过程以及旋流器结构参数优化设计等方面的应用。在此基础上，提出了今后的研究方向与重点，即对于轴向零速包络面(LZVV)及空气柱的特性仍需进一步研究；在高浓度矿浆中，颗粒形状及颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与器壁之间相互作用对分离效率的影响仍是下一个时期的研究重点。

水力旋流器 流场 数值试验 分选

水力旋流器是利用离心力场加速固体颗粒沉降和强化分离过程的有效设备，其结构简单、维护费用低、处理量大，广泛应用于造纸、石油、选矿、制药、环保等行业[1-3]。在矿物加工领域，水力旋流器几乎存在于每一个选矿厂中，广泛用于分级、分选、浓缩、脱泥等作业。

固体物料旋流分离过程的实质是在复合力场中，在颗粒密度和粒度的共同影响下，不同性质颗粒的运动行为出现差异，从而实现分离。对于任一给定粒群的旋流分离作业，水力旋流器内部流场的特性对分离结果起决定性作用。尽管水力旋流器结构及操作简单，但其内部流场非常复杂，自问世以来，一直是相关研究的重要课题之一。

自20世纪50年代开始，水力旋流器内部流场的研究就已成为一个热点。早期学者在实验研究的基础上提出了很多经验模型，用于水力旋流器的评价和设计。尽管经验模型应用比较简便，但受到推导公式时的实验条件及采用的水力旋流器型号限制，不能对水力旋流器内部的流场特性进行定量描述。随着实验测试技术的发展，实验测试法逐渐成为研究水力旋流器内部流场的重要手段。但在实践中，实验测试法受到模型尺寸、流场扰动及测量精度的限制，对于某些流场难以获得详细数据，此外，还受到经费投入的影响，目前多用于对数值试验方法的验证和修正。近年来，随着数值试验方法在水力旋流器内部流场研究中的应用，人们对水力旋流器内部流场特性有了更深刻的认识。通过模拟水力旋流器参数变化对流场特性及分离效果的影响，为高性能水力旋流器的设计提供了理论依据。

1 水力旋流器内部流场的研究方法及其特性

1.1 水力旋流器内部流场的研究方法

20世纪50年代以前，由于理论分析和计算上的困难以及测试手段的限制，人们把旋流器视为“黑箱”，基本不考虑其内部流场的流动状态，仅通过改变结构参数及操作参数等外部条件来研究对应的分离效果。随着流体力学和数学理论的不断发展，人们逐渐意识到内部流场状态才是决定水力旋流器分离效果的关键[4]。目前主要采用数学解析法、实验测试法及数值试验法来研究水力旋流器的内部流场特性。

数学解析法是早期水力旋流器内部流场研究的主要方法。数学解析法是利用纳维尔(Navier)-斯托克斯(Stokes)方程及流体力学的相关方程求解水力旋流器内部单一流体介质的运动状态。在应用这些方程时，因不同学者做了不同假设以简化方程的形式，使得求得结果的可靠性和认知度较差，此外，对湍流的产生机理还不是很清晰。这些都严重制约了采用数值解析法研究水力旋流器内部流场的深入开展。

实验测试是理论模型建立的依据，同时可以用来验证和修正数值试验方法。通过实验测试，可以获得水力旋流器内部流场及颗粒分离行为的详细信息，并建立水力旋流器分离过程的物理模型。目前用于描述水力旋流器分离过程的理论模型主要有平衡轨道理论、停留时间理论、底流拥挤理论、两相湍流理论、溢流分离理论、内旋流分离模型、锥段分离模型、非线性随机理论等[5]。这些模型都是在特定条件或某些假设条件下针对特定结构的水力旋流器建立的，虽便于应用，但不具有普遍性。目前常用的实验测试技术有：用于流场测试的激光多普勒测速仪(LDV)、粒子成像测速仪(PIV)、粒子动态分析仪(PDA)、正电子发射粒子跟踪(PEPT)及用于高浓度矿浆测试的超声断层成像(UT)、电阻抗断层成像技术(EIT)、高速动态分析仪(HSMA)、皮托管技术、多孔压力探针等[6-7]。实验测试方法由于实施困难、费用较高，目前多用于实验室研究。

近年来，基于计算流体力学(CFD)的数值试验方法被广泛应用于水力旋流器内部流场的研究和颗粒分离行为的描述。数值试验方法具有不需物理样机、不需辅助设备、模拟结果清晰、参数信息全面等诸多优点。因在正常工况条件下，水力旋流器内部是固、液、气三相共存的强湍流运动，使得旋流器的数值试验方法测试结果与实际数值仍存在较大差距。但随着计算流体力学理论和高速计算机技术的发展，数值试验方法将成为研究水力旋流器内部流场及颗粒分离行为的主要方法。

1.2 水力旋流器的流场特性

1.2.1 流体运动的基本形式

研究水力旋流器内部流体运动基本形式对提高水力旋流器的分离精度及分离效率非常重要。水力旋流器内部流体运动的基本形式可分为外旋流和内旋流、短路流和循环流等。

1.2.1.1 外旋流和内旋流

外旋流和内旋流是水力旋流器中流体运动的基本形式。它们的旋转方向相同，但其运动方向相反。轴向零速包络面(LZVV)为外旋流和内旋流的分界线，同时也是循环流的中心线[8]。研究表明，LZVV对分离精确度有着重要影响，同时LZVV的位置受底流口直径及锥角大小的影响。

1.2.1.2 短路流和循环流

短路流是由于器壁的摩擦阻力而形成的，分为盖下短路流及侧壁短路流。循环流是由于溢流管的直径过小造成的。1959年，Brdley和Pulling用流动显形法证明了水力旋流器内部短路流及循环流的存在，一般短路流量占到进料流量的10%～20%[9]。

短路流的存在使分离精度降低，能耗增加。为了降低短路流的不利影响，王志斌等[10]从优化水力旋流器结构、调整给料方式及降低入口器壁摩擦阻力等方面进行了相关研究，结果表明，适当的给料浓度及合理的给料位置能抑制短路流；另外，邓丽君等[11]对水力旋流器溢流管结构进行了优化，研发出了下端增设套环的溢流管、外部增设环隙的溢流管、锥齿形溢流管、带环路旁流的溢流管、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问题。目前，对于循环流的认识尚不统一，褚良银等认为循环流的存在使内旋流中的粗颗粒有机会进行再次分选，从而提高了分离精度；庞学诗等则认为消除循环流有利于降低能耗并加速分离过程[12]。

1.2.1.3 空气柱

空气柱是开放式水力旋流器中一种独特的现象，流体充满整个水力旋流器空间是形成空气柱的必要条件之一。1987年人们才认识到空气柱的作用，目前关于空气柱的研究主要集中在空气柱的尺寸及形状、空气柱的形成机理及空气柱的内部流场[13]。Binnie于1957年首先提出了空气柱直径的计算方法：

(1)

式中,Ra为空气柱直径；Vθu为半径r=Ru处流场的切向速度；H为总扬程；Ru为底流口直径。

考虑到流体黏度的影响，Davidson于1994年对方程进行了修正[14]：

(2)

式中，vs、vw分别为待测悬浮液及水的动力黏度。研究表明，空气柱直径与旋流器的锥角、底流口直径、溢流口直径以及给料压强、介质黏度、流场随机波动等因素有关。同时，空气柱的直径是预测底流排料形式及底流分流比的关键。Cullivan和崔宝玉分别研究了空气柱的形成和发展机理，得出了传递驱动和压力驱动2种不同的空气柱形成机理[15-16]。

目前褚良银等大部分学者认为空气柱的存在对水力旋流器分离效果提高没有好处，只是消耗能量，且空气柱周围的强湍流使分离结果不稳定，因此开展了取消或限制空气柱的研究。

1.2.2 速度分布

组合螺旋涡运动是水力旋流器分离过程中流体运动的基本类型。流体在运动过程中形成旋涡的内在原因是黏性和压差。因此，速度分布是水力旋流器流场特性研究的重点。

在水力旋流器内，流体呈三维流动。1963年，D.F.Kelsall通过测定透明水力旋流器中铝粉的运动速度，得出了三维速度分布模型，观察到了最大切向速度轨迹面及零轴速包络面，发现切向速度分布遵从组合涡运动规律，得到的切向速度(vθ)表达式为[9]：

在自由涡区域

(3)

在强制涡区域

(4)

式中，r为待测点处的旋转半径；n为指数，一般0.4

随着激光多普勒测速仪的出现，1988年Hsieh&Rajamani对水力旋流器内切向速度和轴向速度的分布做了更精准的测量。由于湍流脉动速度的数量级与径向速度的相同，很难用实验测量，而是采用连续性方程进行计算。研究表明，在给料区域轴向速度呈现不对称性，而在溢流管以下，则逐渐呈现对称性。1989年Quian也测试了传统水力旋流器内的速度分布和空气柱直径[9]，证实了Kesall所提出切向速度表达式的正确性，并给出了n值及k值，获得的径向速度分布与Hsieh和Rajamani推得的结果相同，并给出了轴向速度(vz)的表达式：

(5)

式中,vz为轴向速度；a,b为常数，与被测点的轴向位置及旋流器的操作、结构条件有关；r为旋流器中运动流体的旋转半径。

考察旋流器内部流场的速度分布，对于优化水力旋流器参数配置，提高分级效率具有重要意义。近年来，一些研究者对旋流器内的三维速度场进行了系统分析及测定，如梁政确定了水力旋流器内部流场速度分布与其自身几何结构参数之间的定量函数关系[4]。

1.2.3 压强分布

水力旋流器内的压强分布包括压强沿径向的分布与沿轴向的分布。由于在旋流器内，重力的影响可忽略不计，因此研究重点在于压强沿径向的分布规律。分析旋流器内部流场的径向压强分布，有助于分析旋流器内部的能量损失问题[12]。

从描述水力旋流器内部流体运动的N-S方程，可得径向压强梯度的表达式。由于表达式过于复杂，对于不可压缩流体，当不计黏性力且忽略径向流动时，压强梯度表达式可简化为[11]

(6)

式中，r为待测点处的旋转半径；p为待测点处的压强；ρ为水的密度；uθ为待测点处的切向速度。

将式(6)积分得到旋流器中自由涡范围内任意半径r处的压强分布：

(7)

式中，pR为r=R(筒体壁)时的压强；n为指数，一般0.4

由式(7)可得，随流动半径的减小，压强降低，当r减小到某值时，p值为零，当r继续减小时，r处的压强就变为负值，即旋流器轴心为低压区，并通过试验得到了验证。

当忽略黏性力的影响，但考虑径向速度的影响时，压强梯度表达式可简化为

(8)

式中，ur为待测点处的径向速度。

将式(8)积分得到某一轴向位置截面上压强随半径的变化关系式：

(9)

式中，C、m、k为常数，与工况及旋流器内轴向位置有关；p1为积分常数，如果所选任一点压强已知，则p1已知。如：当r=r0时，p=p0,则

(10)

式(7)、式(9)为计算压强分布的通式，根据需要选择合适的表达式进行计算。比较式(7)、式(9)可得，径向速度的考虑使压强梯度增大。考察旋流器内的径向压强分布有助于分析水力旋流器内部能量损失大小及能量损失在旋流器内不同区域的分配问题[4]。

2 数值试验方法在水力旋流器研究中的应用

随着计算机技术和数值算法的迅速发展，数值试验方法在水力旋流器的研究中发挥着越来越重要的作用。

2.1 水力旋流器数学模型的建立

数值试验方法可以对水力旋流器内部流场实现全景式定量显示，其中最关键的步骤是合理湍流模型的选择及网格划分。

2.1.1 湍流模型的选择

水力旋流器内部是一个充分发育的湍流场，湍流计算是水力旋流器内部流场模拟的基础。水力旋流器计算的湍流模型有直接数值试验方法(DNS)、雷诺平均模拟(RANS) 、大涡模拟(LES)等。

DNS方法虽然可以模拟流场中各种尺度的脉动，但由于计算量太大且耗时很长，仅限于模拟流体在低雷诺数时的流动，朱国锋曾采用DNS方法对微型水力旋流器内部流场及颗粒的分离行为进行了考察[17]。

RANS方法包括涡黏模型(标准k-ε模型、RNGk-ε模型等)和雷诺应力模型(RSM)。其中，k-ε模型假定湍流各向同性，不适合对水力旋流器内部流场的模拟；RNGk-ε模型在对空气柱的模拟方面误差较大；RSM模型具有较高精度，能模拟各向异性的湍流，捕捉到湍流的脉动，在一定程度上解决了使用k-ε模型时的问题。Swain的研究表明，在给料速度比较低的情况下，k-ε模型和RSM模型预测结果相近，两者之间的差异主要体现在对靠近器壁区域流场速度分布的预测方面[18]。

与RSM模型相比，LES模型对速度分布及分离效率能给出更好的预测，但计算量较大。LES模型能模拟湍流流场中的大尺度脉动及小尺度脉动，成为目前研究水力旋流器内部流场非常有用的工具，但由于湍流边界有很多小尺度涡，因而计算量仍较大，无法在工程中广泛使用[19]。

ASM模型是一种简化的RSM模型，计算量较小，但精度较低。而DSM模型较RSM模型对压力-应力项的处理具有更高阶的精度，同时计算量不是很大[20]。此外，结合LES和RANS建立的分离涡模拟方法(DES)，既提高了计算精度，又降低了计算机资源和计算时间[21]。

2.1.2 多相流模型的选择

水力旋流器在正常的工况条件下，是典型的气、液、固三相流体系统，对于这样的多相流描述方法主要有宏观水平的连续方法和微观水平的离散元法(DEM)。前者实际上就是多相流体模型(TFM/MFM)，主要包括VOF、Mixture及Euler模型；而后者则主要包括DPM和DDPM。此外，还有直接模拟法(DNS)及基于分子动力学的格子Boltzmann方法(LBM)。其中，DNS又分为任意拉格朗日欧拉法(ALE)和分布式拉格朗日法(DLM)。

VOF多用于气液界面的描述，如Delgadillo采用VOF算法计算了空气柱的位置[22]；Mixture模型是一种简化的多相流模型，适合描述低浓度矿浆系统，也有学者用于描述空气柱；Euler模型适用于高浓度矿浆的模拟，如Swain采用Eulerian-Eulerian多相流模型对水封型固液分离水力旋流器内流场进行了模拟[18]。

DEM虽然对颗粒的运动情况及颗粒与流场之间的相互作用进行了描述，但由于计算量太大而未考虑颗粒自旋转的影响，还不能用来对实际生产中的水力旋流器进行模拟计算。其中的DPM模型适宜粒径分布范围较宽、系统体积分数较小的分散体系；DDPM模型适合于分散相体积分数较高的系统，但不适合较小粒径的颗粒体系的计算。目前常用拉格朗日颗粒随机追踪模型(LPT)追踪颗粒的运动，它是一种简化的DEM模型，适合描述低浓度给料时的工况[23]。

由于目前的研究主要集中在低浓度矿浆，且大部分模拟工作对入口区域的几何模型进行了简化，因而需要更高精度、适宜更高浓度矿浆的模型及更精确的实验验证手段来描述水力旋流器内部复杂的物理现象。此外，由于细粒“鱼钩”效应的影响还没有系统的解释，因此需要一个附加的理论来描述“鱼钩”效应[24]。

2.1.3 网格划分

网格的尺寸和形状对模拟的成功与否至关重要。郭广东考察了3种不同网格(结构网格、非结构网格、混合网格)对油-水分离旋流器数值试验方法的影响[25]。结果表明，结构网格的精度较高，但对复杂结构的旋流器网格划分比较困难；非结构网格可以针对复杂结构生成网格，但非结构网格的数量大，需要的运算量也比较大；混合网格整合了结构网格和非结构网格的优点，并克服了他们的缺点，但两种网格交接处需要特殊处理。此外，为了减少数值计算中伪扩散的影响，最好将网格沿流体流动方向排列。

2.2 数值试验方法在水力旋流器研究中的应用

2.2.1 在研究内部流场特征中的应用

为考察流场变化对水力旋流器分离效果的影响，多年来许多学者基于CFD技术研究了旋流器内部流场的运动情况。

1991年，Hsieh和Rajamani通过求解湍流扩散方程，采用改进的Prandtl混合长度模型，对水力旋流器内不可压缩流体的恒定流动进行了二维模拟[22]。由于二维模拟只能近似描述水力旋流器的流场特性，同时对分离效率的预测条件不够充分，因此，许多学者开展了水力旋流器内部流场的三维模拟研究。

许研霞、Murthy及高淑玲等系统研究了改变水力旋流器结构参数及操作参数对内部流场特性的影响[26-28]，发现增大给料管直径会降低切向速度，使最大切向速度位置沿径向逐渐向中心移动；随着溢流管直径增大，LZVV外移，压强降低，最大切向速度降低，圆柱段内旋流的轴向速度增加，分流比减小，空气柱直径增大，稳定性增强；柱段长度增加，压力降减小；底流管直径增大，流速降低，LZVV向上收缩，锥角较小时，这种影响也较小；锥角增大，LZVV向上收缩。因此可见，旋流器结构参数和工艺操作参数的优化匹配是获得稳定流场的关键。

基于CFD技术，Delgadillo研究了单一水相时的速度分布特性，捕捉到了短路流及循环流等流场特性[29]；岑卓伦考察了入料速度及溢流管直径对水力旋流器内旋流的影响。结果表明，过大的入料速度或太小的溢流管直径均会导致水力旋流器顶部出现返混现象，从而影响分流比及分离效率[30]；刘晓明模拟了水力旋流器内部牛顿流体及非牛顿流体的流场分布，发现2种流体的流场分布规律大致相同，但在相同位置处，非牛顿流体的切向速度较低，从而导致非牛顿流体较难分离[31]。

水力旋流器内空气柱的模拟主要集中在空气柱的形成和发展过程以及空气柱的直径等方面。崔宝玉及Eldin等对空气柱的形成和发展过程进行的模拟结果表明[15,32]，空气柱呈绞绳状，结构不稳定，并伴有强烈的振动及旋转，空气从底流口吸入，从溢流口排出，在溢流管中心处存在空气回流。许妍霞的研究结果表明[26]，液体充满整个空间是空气柱形成的必要条件，且空气柱内流体呈非恒定流动。Rakesh[13]采用数值模拟的方法考察了空气柱的直径大小及影响因素，并结合ERT技术对模拟结果进行了验证，结果表明，空气柱直径与底流口直径及给料压强有关，随着底流口直径的增加，空气柱直径增大；随着给料压强的增加，空气柱直径先增大后减小。Sripriya研究了水力旋流器内部有空气柱和有内嵌金属棒时的流场差异，发现内嵌金属棒有助于提高旋流器的分离效率[33]。

2.2.2 在颗粒分离机理研究中的应用

为了提高水力旋流器的分离效率，研究人员采用数值试验方法，考察了水力旋流器的物性参数、操作参数及结构参数对分离效率的影响，为进一步研究分离机理、优化结构提供了理论指导。

针对颗粒的密度、粒度对水力旋流器分离效率的影响，Chu的研究结果表明，在重介质旋流器中，随着颗粒密度的增加，切向速度降低，导致压强降低，分级效率下降[34]；蔡圃通过研究固体颗粒在不同方向上的受力情况发现，不同粒度的颗粒，所受的压强梯度力及离心惯性力基本不变，但随着颗粒粒度的减小，颗粒所受的流体阻力呈指数增长且随机性增加[35]。

关于给料浓度、矿浆黏度、给料压强、给料流量等对旋流器分离效果的影响，Kuang的研究结果表明，随着给料浓度的增加，分离粒度增大，分离效率降低，底流分流比先增加后降低，压降先降低后增加[36]；Minkov的研究结果也表明，给料浓度影响“鱼钩”效应的数量级[37]；Bhaskar通过系统的模拟研究发现，随给料浓度增加，矿浆黏度增大，导致切向速度减小，压降降低，空气柱直径减小，分离粒度增大[38]；Kraipech的研究结果表明，随着给料压强的增大，分离粒度减小，“鱼钩”效应的影响增强，而给料流量的增加则会导致压降增大[39]。

与此同时，Cilliers的研究结果表明，随着矿浆温度升高，分离粒度减小[40]；而许研霞的研究结果表明，随着环境压强的降低，旋流器消耗的能量增加，细粒级的分离效率下降[41]。此外，Narasimha利用CFD技术模拟了φ75 mm水力旋流器内颗粒的粒度分布，并依据模拟结果对旋流器的分离粒度进行了较为准确的预测[42]。

针对给料方向、给料管尺寸、溢流管和底流口直径以及圆柱段、圆锥段尺寸等旋流器结构参数对分离效果的影响，Zhang对阿基米德螺旋入料和切向入料的水力旋流器进行了数值试验研究[43]，结果表明，采用阿基米德螺旋入料时，水力旋流器内的压力场分布均匀，流场稳定，短路流量减少，分离效率提高；而Romanus和Hwang的研究结果则表明，增加入料口个数及减小入料口尺寸都能获得更小的分离粒度及更高的分离效率，同时安装圆锥形顶板能明显提高细粒级的分离效率[44-45]。

由于溢流管的结构对短路流、循环流的存在及水力旋流器的能量消耗均有影响，因此，Ghodrat及杨强考察了溢流管直径、形状及插入深度对水力旋流器分离效率的影响，研究发现，与圆柱形及圆锥形溢流管相比，反锥形溢流管的分离效率最佳；随着溢流管直径增大，分离作用逐渐减弱；此外，溢流管长度对分离效率的影响较小，在不同给料浓度时呈现出不同的趋势[46-47]；郭雪岩在流场模拟的基础上，通过增加溢流管壁厚、增大溢流管的插入深度、适当增加圆柱部分筒体的高度，提高了内部流场的稳定性及固液分离的分离效率[48]。

Noroozi考察了4种不同入料腔结构(指数型、圆锥形、二次方型及标准型)对脱油用水力旋流器分离效率的影响，发现指数型入料腔具有较高的切向速度、较低的能量消耗，并且能消除循环流的不利影响，从而获得较高的分离效率[49]。M.Ghodrat在给料浓度为4%～30%的范围内，考察了圆柱段直径和底流口直径对旋流器内部流场特性及分离效率的影响，发现小直径旋流器具有相对较小的压降及较高的分离效率，而且当给料浓度比较高时，呈现为绳状排料；过大或过小的底流口直径均会导致分离效率降低，最佳底流口直径与给料浓度密切相关；给料浓度越低流场越稳定[50]。

Ghodrat在给料固体体积分数为4%～30%的范围内，模拟研究了圆锥段的长度及形状对分离效率的影响，发现在不同的给料浓度下，随着锥段长度增加，压降及分离粒度均降低；与凹形锥相比，凸型锥的压降更小[51]。王立阳的模拟研究结果则表明，液固分离主要发生在圆锥段，在一定程度上增加圆锥段高度能提高分级效率[52]。崔瑞通过模拟研究发现，与长锥旋流器相比，上部采用大锥角、下部采用小锥角的变锥角水力旋流器具有更高的最大切向速度和更稳定的轴向及径向流速分布，分离粒度也会相应下降[53]。此外，董连平就旋流器圆锥段结构对分离效果的影响，开展了较为系统的研究，结果表明，与传统的选煤用旋流器相比，具有复杂圆锥结构(两段负锥中间结合一段正锥)的旋流器(CCS)对粗粒煤泥具有更高的分离效率[54]，这再次证明，旋流器的锥角对分选效果具有重要影响。

2.2.3 在水力旋流器结构优化研究中的应用

为了提高水力旋流器的分离效率，降低能耗，扩大水力旋流器的应用范围，近年来，一些研究者基于CFD的模拟计算结果，对水力旋流器的结构参数进行了优化。

杨强基于CFD技术设计的微型水力旋流器，提高了细粒级颗粒的分离效率，进一步的研究发现，入口处颗粒所处位置对颗粒运动轨迹有重要影响[55]。蔡圃在对水力旋流器内部流场分布特征及颗粒受力空间分布的模拟基础上，在内部放置了一套减阻叶片，4个相互垂直的减阻叶片位于锥段，并固定在中心杆上，从而在保持分离效率的同时降低了能耗[35]。

吴磊基于数值模拟结果设计了一台新型水力旋流器[56]，其给料方向与水平方向呈10°夹角、溢流管内壁镶嵌6个梯形木板、锥段中心插入固体棒，这些特殊结构降低了中心空气柱的不利影响，使内部流场的湍流程度降低，流场更加稳定，提高了旋流器的分离效率和处理能力。

此外，赵立新在对流场特性模拟分析基础上，通过在底部增设锥形结构，研制出了一种用于气液分离的水力旋流器，使气液分离的技术指标得到了明显改善[57]。

3 结 语

(1)过去几年间，随着CFD软件的不断完善及湍流模型的改进，数值试验方法在水力旋流器内部流场特性研究方面发挥的作用越来越重要。目前，对于压强、切向速度及轴向速度的分布规律及其影响因素的研究已经比较成熟，但对于径向速度的研究尚有待进一步加强；关于轴向零速包络面(LZVV)的大小及形状的数字化表征，不同学者的观点仍未统一；对于空气柱的大小、形状及形成过程虽然开展了一些数值试验研究，但获得的认识远未达到可以用于指导生产的水平。

(2)在旋流器分离机理的数值试验研究方面，尽管就待分选物料的性质、操作参数及结构参数对水力旋流器分离效率及分离粒度的影响，已经开展了大量的研究工作，但这些研究主要是在低浓度矿浆中针对牛顿流体、球形颗粒开展的，并没有考虑颗粒形状及颗粒与颗粒、颗粒与器壁之间相互作用对分离效率的影响，这些方面应该是今后一个时期的研究工作重点。

(3)关于水力旋流器的数值试验研究亟需建立一套系统的工作模式，确定适用于旋流器内各向异性湍流流场和高浓度矿浆流场的计算模型，以便使相应的数值试验结果更符合生产实际，为高效能旋流器的设计和应用提供理论支持。

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(责任编辑 王亚琴)

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

国家自然科学基金项目(编号：51474054，51104035，50974033)。

魏德洲(1956—)，男，教授，博士生导师。通讯作者 高淑玲(1980—)，女，副教授，博士。

TD922

A

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