对称双进口旋流器流场特征及分离性能

2020-09-19张悦刊葛江波刘培坤杨兴华魏庆施

金属矿山 2020年8期

张悦刊葛江波刘培坤杨兴华魏庆施

（1.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590；2.兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东济宁 272072）

水力旋流器作为一种占地面积小、分离效率高、经济高效的分离设备，广泛应用于矿物分选、石油化工、煤炭、环保等领域［1-5］。随着旋流器应用领域不断深入，对旋流器的分级效率要求不断提高，需要进一步优化操作参数和结构参数以达到更高的分级效率。

改善进口结构参数是提高旋流器分级效率行之有效的方法之一。大量研究表明：进料口当量直径［6-7］、进料口截面倾角［8-9］、进料结构形状［10-11］、进料口数量等均对旋流器内部流场和分级效率有显著影响。Tang Bo等［12］利用CFD软件分析了进料口直径对旋流分离效果的影响，研究发现进料口当量直径影响流场循环流流量。张彩娥等［8］通过改变进料口夹角大小，发现入口夹角为20°时，旋流器分离效率较高，但能量损耗也较大。人为改变流体轨迹，强化流场运动特性可以达到优化分离效果的目的，相关专家和学者通过改变进料体结构，优化颗粒运动，强化分选效果。Duan Shuiqiang等［13］在旋流器内添加了导流结构体并将其运用于油水分离，通过数值模拟发现，增加导流结构有利于消除油滴破碎，并通过实验进行了相互验证。Zhang Caie等［14］对比模拟分析了螺线进料口和切向进料口对旋流器流场和分离效率的影响，通过实验和模拟结果验证，发现减小螺线曲率可以实现流场切向速度的增加和流体湍流动能的降低。Li Ji等［15］利用CFD软件对比分析螺旋线、渐近线进料口旋流器对分离效率的影响，发现螺旋进料口旋流器分离微细颗粒比渐近线旋流器效果好，可以抑制溢流跑粗问题。但进口结构复杂化不利于相关旋流器的工程应用，部分研究人员通过增加切向进口数量优化旋流器结构，以达到预计分离效率。Romanus KTN［16］进行了单、双进口旋流器分离泥浆实验，实验结果表明：相比于单进口旋流器，双进料口旋流器对不同粒度泥浆的分级效率更高。David Winfield等［17］通过单进口、三进口旋流器对高炉废弃颗粒回收分析研究发现，采用3个切向进口旋流器对稳定空气柱流场、减少能量损耗有重要作用；王军等［18］将双进口切向旋流器应用于油水分离，通过CFD软件模拟发现，新结构在牺牲能耗基础上可以强化油水分离效果。

为了进一步探明双进口旋流器流场特征及分离性能，本文拟采用数值模拟方法，对单、双进口结构旋流器速度场、压力场及分级效率进行对比研究，以期为工业应用提供理论依据。

1 模型构建

1.1 结构模型与网格划分

单进口旋流器为75 mm旋流器，双进口旋流器在75 mm单进口旋流器基础上，将单进口旋流器进料口横截面积减半，增加对称进料口。结构示意图和参数表分别如图1、表1所示。

通过ICEM19.0软件对旋流器流体腔进行网格划分，划分单元块采用正六面体结构，并对溢流管和底流口处进行加密处理。为确保模拟结果的准确性和高效性，对旋流器进行网格无关性检验后，确定单进口结构旋流器网格数为113 795个、对称双进口结构旋流器网格数为115 717个，图2为两种旋流器网格划分图。

1.2 数学模型

固液分离旋流器分离流场内包含有空气、水和固体颗粒，使用Fluent软件中不同的模型可以实现不同相的追踪捕捉［19-21］。RSM湍流模型综合了流体流动的各向湍流异性，可以高效预测流场运动速度，其输运方程如公式（1）所示；瞬态VOF模型通过连续性方程（2）求解水相容积比率可以成功抓取气液交界面，进而捕捉到整个空气柱壁；Mixture模型通过动量方程来预测各相运动情况，其混合相动量方程如公式（3）所示。

式中，t是时间，ρ是流体密度，是二维雷诺应力，是速度脉动分量，Dij为扩散项，ϕij为压力应变项，Gij为产生项，εij为耗散项，xk表示位置长度。

式中，aq是流体单元内单一相流体容积含量，V是该相流体速度。

式中，ρm是混合相密度，Vm是混合相速度，P是流体压力，μm是混合相粘度系数，g是重力加速度，n是相数，αkρk是单一相粘度，vdr,k是第k相固体颗粒漂移速度，是颗粒所受体积力。

1.3 模拟参数设置

通过Fluent19.0软件进行两种旋流器数值模拟计算。分别采用VOF模型、Mixture模型进行清水模拟和混合相模拟。VOF模型中主相为水，次相为空气，其中空气相回流系数为1，采用瞬态方法模拟，时间步长为10-4。采用Mixture模型进行颗粒混合相模拟，混合相共6相，主相为水，其余相均为不同粒径的CaCO3颗粒，颗粒具体参数如表2所示。湍流模型均为RSM雷诺应力模型，入口边界条件均为速度入口，出口条件均为压力出口。压力-速度耦合采用SIMPLE算法，离散格式为PRESTO，其他采用QUICK格式。其中，清水入口速度设置为2.58 m/s，混合相模拟入口速度为7.5 m/s。文献［12］已验证了本文模拟方法的正确性，本文不再论述。

2 结果对比分析

数值模拟计算模型和求解方案的合理性和可靠性已在文献［22-24］中得到了验证。

分别取两旋流器柱段（z=90）、锥段（z=150）处为特征分析截面，如图3所示。通过不同截面位置的流场特性和分级特性，对比研究单、双进口旋流器性能差异。

2.1 压力分布

空气柱形成标志着旋流场的稳定。图4显示了两种旋流器流场静压云图，中心深色贯通负压区域为空气柱。

从图4可以看出，相比于单进口旋流器的空气柱，双进口旋流器产生的空气柱对称性更强，空气柱受流场湍流影响更小，表明对称进料可以抑制空气柱偏移，有益于流场稳定。

图5为旋流器不同截面处静压分布曲线，旋流器内静压呈对称形状，随径向半径减小而降低，在中心处产生负压。

从图5可以看出，在z=90 mm和z=150 mm两个截面处，对称双进口旋流器压力梯度明显大于单进口旋流器，在器壁处两种结构压力差达0.018 MPa，这是因为双进口旋流器进口截面宽度较窄。因此，在入料压力不变的情况下，流体进入对称双进口旋流器分离腔的压力比单进口结构大，表明对称双进口旋流器较单进口旋流器的分离能力更强，有利于分级效率和分级精度的提高。

2.2 切向速度

切向速度影响固体颗粒从内旋流向外旋流移动的能力，是影响分离效果的重要因素。图6是旋流器对应截面切向速度分布图。

从图6可以看出：切向速度分布曲线均成“M”型分布；切向速度从壁面向轴心逐渐增大，在半自由涡与强制涡交界处达到极值；强制涡内，随着旋转半径的减小切向速度逐渐降低。相比于单进口型旋流器，对称双进口旋流器流场内切向速度最大值提高了16.9%，强化了流场分离特性。

图7为单、双进口旋流器柱段截面涡流迹线图。可以发现，与单进口旋流器涡流迹线对比，对称双进口旋流器涡流叠加耦合十分明显，这种流型叠加可以有效增强颗粒离心能力，强化分离效果。

2.3 轴向速度

图8为单、双进口旋流器柱段截面轴向速度分布图。

从图8可以看到：存在外侧速度小于0的区域为外旋流区域，内侧速度大于0的区域为内旋流区域；双进口旋流器比单进口旋流器的轴向速度大，轴向速度大有利于颗粒的快速排出，提高生产效率。

图9为单、双进口旋流器零轴速包络面图。

从图9可以看出，对称双进口旋流器零速包络面非常规则，呈轴对称分布，且空气柱非常稳定；而单进口旋流器的零速包络面杂乱无章，且空气柱波动非常大，这进一步表明对称双进口旋流器在流场稳定性和分离特性方面明显优于传统单进口旋流器。

2.4 径向速度

径向速度是3个速度方向中数值最小，也是变化最复杂的。图10为旋流器不同截面径向速度分布情况。

由图10可以看出：传统旋流器径向速度由器壁向旋流中心逐渐增加，达到极值后迅速下降，在轴心处径向速度方向出现突变；而双进口旋流器径向速度接近于0，从旋流器器壁到轴心处变化非常平缓，速度突变现象明显较小。因此，对称双进口结构有利于流场的稳定，但过小的径向速度会导致颗粒沉降速度慢，不利于分级效率和分级精度的提升。

2.5 流场流线轨迹与湍动能

循环流的存在加大了能量消耗，短路流会降低旋流分级效率和分级精度，因此抑制短路流和循环流对旋流分离有重要意义。图11是旋流器柱段流场流线图，相比传统旋流器，双进口旋流器循环流、短路流均成对称分布，且循环流区域明显减少，这有利于减少循环流流量和强化流场稳定性；但双进口流场短路流流量较传统旋流器略有增加，会增加溢流的错配率，降低溢流精度。

图12是流场湍动能分布曲线图，两种旋流器湍动能总体变化趋势类似，湍动能在旋流器壁处最小，在中心处达到最大值。但与传统旋流器相比，对称双进口旋流器锥段轴心处的湍动能明显要大，而锥段是旋流器的主要分离区域，湍动能的增大，有利于流场分离。