结构参数对双溢流旋流器内空气柱性能的影响

张悦刊，杨 猛，刘培坤，姜兰越，王 辉

(山东科技大学机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

0 引 言

旋流器是利用离心沉降原理，将密度差或粒度差的颗粒进行有效分级分选的代表性装置[1-3]。传统旋流器一次分级只能将给料分成两种产品：细颗粒的溢流和粗颗粒的底流。除了细颗粒的溢流和粗颗粒的底流外，必然存在介于细颗粒和粗颗粒之间的中间产物，若中间产物进入底流，造成精矿损失；若中间产物进入溢流，造成精矿污染。为了解决粒级范围过宽的问题，得到多个窄粒级的产品，传统的做法是将两个旋流器串联，尽管该工艺可以得到三种不同的粒级产品，但增设了旋流器、渣浆泵和大量管线，造成工艺流程长、设备投资大、能源消耗高等问题。

本文提出了一种具有双溢流管结构的多产品旋流分离技术。最细的颗粒从内溢流管排出，中间粒度的颗粒从外溢流管排出，这样一次分级可以得到底流、内溢流、外溢流三种窄粒级产品。

针对三产品旋流器，目前一些学者进行了矿物颗粒分级试验研究[4-6]。但几乎所有研究大都集中在三维速度场性能和分离特性上[7-10]，忽视了旋流器内空气柱形成演化机理研究[11-15]，而空气柱是旋流分离的固有特征，是旋流离心力场趋于稳定的重要标志，直接影响分离精度和分级效率。本文针对具有双溢流管多产品旋流器，采用数值模拟方法研究空气柱形成发展演化机理，探讨结构参数对空气柱的性能影响规律。研究成果将为旋转流离心分离领域提供理论和技术支撑，为多产品旋流分离装置在工业中的进一步完善设计提供理论及技术指导。

1 双溢流多产品旋流器建模

1.1 双溢流旋流器流场模型构建

旋流器设计成直径不同的同轴双溢流管结构，如图1所示。结构参数见表1。采用ICEM软件进行结构网格划分，整个流场计算域共划分节点数140 577个。

图1 双溢流管旋流器结构示意图Fig.1 Hydrocyclone with double vortex finder

表1 双溢流管旋流器结构参数Table 1 Structure parameters of hydrocyclone with double vortex finder

1.2 初始条件与边界条件

采用VOF两相流模型来捕捉旋流器内空气与水的界面，主相设置为水，次相为空气，湍流模型采用适合高速旋转的RSM雷诺应力模型，求解控制参数选择压力-速度耦合SIMPLE数值方法，控制方程的压力离散格式采用具有三阶精度的QUICK格式。设置进口为速度入口，流体速度为5 m/s，方向垂直入口断面切向进入旋流器。旋流器初始状态为空气，溢流口和底流口均为压力出口，旋流器壁面采用“标准壁面函数”法进行近壁处理。求解器采用基于压力隐式瞬态三维求解器，压力梯度采用基于单元的格林高斯方法。两相体积分数采用几何重建(geo-reconstruct)离散格式。瞬态计算采用显示时间离散格式。湍动能、湍流耗散率以及雷诺应力离散格式均采用一阶迎风格式。

2 模拟结果及讨论

2.1 双溢流管旋流器内流场分布形式

模拟仿真时，设置残差为10-4，时间步长为1×10-4s，采用非稳态计算，初始化后进入计算求解过程，计算结果得到双溢流管内截面流场矢量图，见图2。

图2 旋流器内截面流场分布图Fig.2 Flow field distribution in hydrocyclone with double vortex finder

由图2可以看出，当流体以一定速度切向进入旋流器后，流体形成沿器壁向下运动的外旋流，同时沿程有部分流体逐渐脱离外旋流，箭头由器壁指向轴心，转而向上形成指向溢流口的内旋流，其中一部分进入外溢流管，从外溢流口排出，一部分进入内溢流管，从内溢流口排出。从而一次分级可以在内溢流口、外溢流口和底流口得到三种不同粒级产品。图2还可以明显地观察到，有少量向下运动的流体在溢流管底端直接进入溢流管，未参与分离作用，从而形成短路流。在溢流管外壁与旋流器器壁之间有少部分流体始终在做循环运动，形成循环流。

2.2 底流口直径对双溢流管旋流器内空气柱性能的影响

旋流器底流口是影响旋流器分离指标的重要因素之一，是产品设计和制造过程中需加以严格控制的结构参数，底流口直径的大小对旋流器分离粒度和产物分配影响非常显著，因此考察底流口直径对流场的影响显得尤为重要。分别选取底流口直径为6 mm、8 mm、10 mm、12 mm和14 mm等5种工况，选取内溢流管直径为6 mm，插入深度85 mm，探讨底流口直径对旋流器流场性能的影响。

图3(a)～(d)展示了不同底流口直径空气柱的形成及发展过程，浅色部分代表空气，深色部分代表水，初始时旋流器内充满空气，随着时间的推移，旋流器内空气相所占比例逐渐减少，水相所占比例逐渐增加，之后水相占据了整个旋流器内部空间，随着流场的不断发展，空气柱首先在溢流口处出现，随后空气柱在底流口处产生；随着时间的推移，空气柱开始贯通。由图3可以看出，空气柱贯通开始阶段，呈波动不稳定状态，随着分离过程的进行，最终形成完整稳定的空气柱。迄今为止，对于空气柱的形成和发展机理的看法不尽相同，从模拟的情况可以证明，空气柱确实由与大气相通的溢流口和底流口贡献而成。从旋流器内流场发展过程可以观察到，液体充满整个旋流器空间是形成空气柱的必要条件。从图3中还发现，空气柱轴线与旋流器轴线基本重合，空气柱的大小和形状是随流场发展而变化的，即使在流场稳定后，在不同的轴向位置处空气柱直径大小也并不完全相同，空气柱最大直径发生在大约溢流管最底端，之后空气柱直径变小，在此阶段空气柱的直径较为平稳，变化不大，直到底流管与锥段的交界处，空气柱直径产生明显的突变。空气柱的大小和形状不断变化的原因，通过分析认为，一方面是流场的不稳定造成的；另一方面也是旋流器本身的结构变化造成的。

从不同底流口旋流器内空气柱的形成时间来看，底流口直径分别为6 mm、8 mm、10 mm和12 mm时，空气柱形成所需要的时间分别为1.9 s、1.8 s、1.65 s和1.6 s。说明底流口越大，充满水的时间越短，空气柱形成时间越短，也说明在同等条件下，底流口作为空气柱的主要贡献者，底流口直径越大，会有更多的空气从底流口进入旋流器。从另外一个角度来说，由于旋流器锥角不变，底流口越大，则使得底流口与溢流口之间的距离越短，从而使空气柱在底流口与溢流口之间的贯通时间越短，空气柱越容易形成。

2.3 溢流口直径对双溢流管旋流器内空气柱性能的影响

本文不做特殊说明的情况下，溢流口直径均指内溢流口直径。为探讨不同溢流口直径对空气柱性能的影响，选取底流口直径6 mm，溢流管插入深度85 mm，分别对溢流口直径为5 mm、7 mm、9 mm和10 mm等4种工况进行对比模拟研究，以期获得内溢流管直径对对旋流器内空气柱性能的影响规律。

图4(a)～(d)展示了不同溢流口直径旋流器流场的形成及发展过程。由图4可以看出，溢流管直径对空气柱的直径影响较大，总体来看，除溢流管直径为5mm外，空气柱直径随着溢流口直径增大而增大。同时可以看到溢流管直径对流场的发展形成直到稳定有一定的影响，溢流管直径越小，形成稳定的流场时间越短，5 mm直径溢流管形成稳定的流场用时1.8 s，而10 mm直径溢流管形成稳定的流场用时2.2 s。从空气柱的规则程度来说，溢流管直径越小，空气柱的形状越规则。

为了从数值上考察溢流口直径对空气柱直径变化的影响， 将不同溢流管直径(5 mm、 7 mm、9 mm和10 mm)旋流器下空气柱在轴向上的变化放在同一个坐标系下，如图5所示。由图5可以看出，溢流管直径为5 mm时，空气柱直径最大，最大值约为9 mm。这是因为该工况时底流口直径为6 mm，造成内溢流管完全充满空气，而且部分空气进入外溢流管，从而造成整体空气柱直径增大。溢流管直径分别为7 mm、9 mm、10 mm时，空气柱只占据了内溢流管的一部分，且空气柱随着内溢流管直径的增大而增大。

图3 底流口直径对旋流器空气柱的影响规律Fig.3 The effect of the diameter of underflow port on the air core of the hydrocyclone

图4 溢流口直径对旋流器空气柱的影响规律Fig.4 The effect of the diameter of overflow port on the air core of the hydrocyclone

图5 不同溢流口直径旋流器对空气柱直径在轴向上变化的影响Fig.5 Effect of the overflow port diameter on air core diameter in the hydrocyclone at Z axis

因为空气柱内是不参与分离作用的，所以空气柱增大，意味着旋流器有效分离空间缩小，流体在旋流器内停留时间缩短，降低了分离精度。同时由于空气柱增大，造成能耗增加，因此合理的溢流管直径选取是设计旋流器需要考虑的重要工作之一。

3 结 论

1) 提出了一种双溢流多产品旋流器，建立了双溢流管旋流器内流场模型，通过对旋流器内部流场数值模拟，获取了双溢流旋流器内流场分布规律。

2) 得到了空气柱的形成、发展及演化规律，首先在溢流口处出现空气柱，随后空气柱在底流口处产生，随着流场的发展，最终形成完整稳定的空气柱。

3) 底流口直径、溢流管直径对双溢流旋流器流场的形成和发展有重要影响。旋流器内空气柱直径随着底流口和溢流口直径的增大而增大，当内溢流管直径小于底流口直径时，空气柱较为紊乱。

4) 研究结果可以为双溢流旋流器的结构优化，以及影响旋流器分离性能的主次因素提供指导。