中心曲面锥型旋流器分离性能的数值模拟

2021-01-18刘培坤李子硕杨兴华张悦刊

金属矿山 2020年12期

刘培坤李子硕杨兴华张悦刊

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590）

水力旋流器是一种利用离心沉降原理进行多相分离的有效设备，具有结构简单、占地面积小、操作方便、效率高等优点，被广泛应用于石油、化工、采矿等行业［1-4］。但是由于旋流器的工作原理独特，导致其中心处形成低于外部空间压力的负压区，而外部空气则会通过溢流管和底流口进入负压区形成空气柱，对旋流器的分离精度和分离效率造成影响［5-6］。

研究表明，因压力波动引起的空气柱形状的变化以及界面浮动都要消耗旋流器内的能量［7］，为减少这部分能量消耗，国内外众多学者对旋流器提出了改进。方勇等［8］通过提升旋流器的底流背压来防止空气从底流口进入旋流器形成空气柱，提升了流场稳定性。刘培坤等［9］提出一种带中心固棒的钟形溢流管旋流器，通过设置中心固棒来抑制空气柱的形成，提升了分离效率，并且采用钟形溢流管结构，减小了短路流。张恒等［10］在中心固棒的基础上增加固体双锥，提出中心锥型旋流器，该中心锥结构迫使内旋流中的粗颗粒重新进入外旋流，强化了分离效果，但该结构的存在导致旋流器有效分离空间减小，同时中心锥下锥面处速度方向变化率大，破坏了流场稳定性。

为进一步提升旋流器分离性能，笔者对中心固体双锥的下锥面进行改进，提出一种带有中心曲面锥型插入物的水力旋流器（下文称：中心曲面锥型旋流器）。为探究两种中心插入物对旋流器流场及分离性能的影响，利用流体力学软件FLUENT19.0对两种旋流器进行数值模拟分析。

1 中心曲面锥型旋流器的结构及参数

中心锥型旋流器在中心固棒的基础上增加固体双锥，抑制了空气柱的形成［11］，同时旋流器中的内旋流在沿中心轴线向上运动流经中心锥型插入物的下锥段时被迫向壁面运动，从而使得内旋流中夹带的粗颗粒能够重新进入外旋流，强化颗粒的离心分离；中心锥的上锥段则起到导流的作用，减缓由于添加了中心锥结构而导致的湍流。中心曲面锥则是将中心锥的下锥段改进为与中心锥大端面半径相同的圆角曲面，该曲面结构减小了锥体体积，增加了旋流器内的有效分离空间，使内旋流在速度方向改变的过程中过渡更加平缓；并且由于内旋流中的粗颗粒在离开曲面锥时的速度方向与水平面的夹角接近于零，因此颗粒更容易进入外旋流。

中心锥型旋流器和中心曲面锥型旋流器的结构如图1所示。两种插入物的固棒直径d=3 mm，锥体大端面均位于旋流器柱锥交界面，且半径r1=20 mm；上锥段锥角均为α=90°；常规中心锥下锥段锥角β=60°；中心曲面锥曲面倒角圆半径r2=20 mm。

为方便中心插入物的安装，旋流器采用分段组装，其主要结构参数见表1。

2 数值模拟

2.1 网格划分

以旋流器底流口中心作为坐标原点，以入口方向作为X轴正向，以底流口指向溢流管方向为Z轴正向，利用SOLIDWORKS软件分别建立中心锥型和中心曲面锥型旋流器流体域三维模型，然后将模型导入ICEM CFD软件，利用分块结构化六面体网格生成技术对其进行网格划分，如图2所示，两种旋流器网格单元数量均在39万左右。

2.2 湍流模型及边界条件设置

为对比两种旋流器的分离性能，采用FLU⁃ENT19.0软件进行模拟计算，多相流模型采用Mixture混合模型，湍流模型选用RSM模型。模拟中，主相为液体相水，次相为固体相石英砂，进料质量浓度为10%，体积浓度为4.02%。根据不同的石英砂粒径，设为不同的次相，石英砂粒径具体分布情况如表2所示。

水力旋流器入口设置为速度入口（velocity inlet），固液两相速度均设置为4 m/s；溢流口和底流口均设置为压力出口（pressure outlet），压力为标准大气压；壁面边界条件设置为No-Slip-Wall；压力-速度耦合方式采用SIMPLE算法，压力离散格式为PRESTO，其它采用QUICK格式。

2.3 可靠性验证

在进一步模拟分析之前，首先建立了常规100 mm旋流器模型，并采用Mixture+RSM模型进行模拟，将模拟得到的分级效率与文献进行对比（模拟时旋流器结构参数和边界条件设置与文献［12］保持一致），结果如图3所示，可以看出模拟预测和实验测试的分级效率曲线的整体分布趋势基本吻合，说明本研究的数值模拟满足可靠性要求。

3 试验结果与讨论

为方便比较两种旋流器的流场变化，分别选取位于旋流器柱锥交界面的特征面Z-Ⅰ=490 mm，位于旋流器的锥段特征面Z-Ⅱ=350 mm和Z-Ⅲ=200 mm，取旋流器锥段最下端为坐标原点，特征面位置如图4所示。

3.1 压力分布

旋流器压力分布规律对其分离性能有很大的影响，是计算能量损耗的重要依据。图5为两种旋流器不同截面处的静压力分布曲线。

从图5可以看出：两种旋流器在不同截面压力分布规律相似，均大致呈轴对称分布，旋流器内壁附近压力最大，沿径向压力值随半径的减小而逐渐降低。图5（a）表明，在旋流器轴心附近中心曲面锥型旋流器的压力分布范围和压力值都大于中心锥型旋流器。这是因为中心曲面锥的体积小于中心锥，锥体附近的流动空间变大，不会因流体流动空间减小引起的流速增大而导致压强减小。因此，相比于中心锥型旋流器，中心曲面锥型旋流器的压力损失更小，实际参与分离的内部流场区域更大，更有利于颗粒的分离；图5（b）、（c）则表明，随着截面高度的降低，两压力曲线差值逐渐减小。

3.2 切向速度分布

切向速度是影响水力旋流器分级效率的重要因素，图6是两种旋流器在不同截面的切向速度分布曲线。

从图6可以发现：两种旋流器的切向速度都大致呈“M”型分布，随着半径的增加，由轴心向壁面切向速度呈现先增大后减小的趋势，并在壁面处速度减小为零。由图6（a）可以看出，中心曲面锥型旋流器在锥体边缘附近的最大切向速度要大于中心锥型旋流器。因为中心曲面锥型插入物的体积更小，流体在该处受到的粘滞阻力也就更小，故切向速度更大。切向速度大，颗粒受到的离心力大，更有利于颗粒的离心分离；而图6（b）、（c）表明，越靠近底流口，两切向速度差值越不明显。

3.3 轴向速度分布

轴向速度的大小决定了颗粒在旋流器内的滞留时间，直接影响了颗粒分离的充分程度。图7是两种旋流器在不同截面的轴向速度分布曲线。

从图7可以发现：靠近壁面的区域为外旋流，轴向速度向下，是粗颗粒聚集的区域；随着半径的减小，流体开始向内旋流过渡，轴向速度转而向上。需要指出的是，由于锥体中心插入物的存在，会迫使沿轴向向上的内旋流中的部分流体转而沿轴向向下运动，在Z-Ⅰ、Z-Ⅱ、Z-Ⅲ平面，分别在半径小于22 mm、18 mm、8 mm的区域内，轴向速度为负值。同时从图中（a）、（b）还可看出，中心曲面锥型旋流器的轴向速度小于中心锥型旋流器，轴向速度越小，颗粒在旋流器内的滞留时间就越长，分离就越充分。

3.4 径向速度分布

图8是两种旋流器在3个截面上的径向速度分布曲线。径向速度影响颗粒的内迁，其绝对值在三个速度分量中最小，并且规律性差。

由图8可知：两旋流器径向速度基本呈中心对称分布。如图（a）所示，在半径小于25 mm的区域内，两旋流器径向速度方向与外围径向速度方向相反，这是由于中心锥型插入物的添加，迫使锥体附近内旋流中的流体改变流向转而向壁面运动。可以看出，图（b）、（c）所示截面位置两旋流器径向速度数值差异不大，而图8（a）中，在半径小于25 mm的区域内，中心曲面锥型旋流器的径向速度则高于中心锥型旋流器。这是因为，流体在沿曲面锥向上运动而后离开锥体时，其速度方向与水平面的夹角更小，因此可以获得更大的径向速度，从而使得内旋流中更多的颗粒运动至外旋流强化分离，有利于减小粗颗粒伴随内旋流进入溢流管的概率。

3.5 湍动能分布

湍动能是衡量流场稳定性的重要指标之一，湍动能越小，流场就愈发稳定，分离活动就更精确。图9为两种旋流器的湍动能曲线分布。

从图9（a）可以看出，中心曲面锥型旋流器湍动能略小于中心锥型旋流器，且在插入物锥体结构附近最为明显。原因在于流向向上的内旋流在沿常规锥面被迫向壁面运动时与流向向下的外旋流之间冲击力较大，而沿曲面锥体运动过程中由于离开锥面时的速度方向大致为水平而不是斜向上，故与外旋流的冲击力较小；同时内旋流在沿曲面流动的过程中，速度方向的改变更加平缓，湍动能也就更小。湍动能小，则不会破坏流场稳定性，可以避免造成分离困难，有助于改善分离效果。图9（b）、（c）中两分布曲线差值不大，在壁面附近湍动能较大，随着半径的减小湍动能先是呈现逐渐减小的趋势，到轴心固棒附近又出现轻微增大。

3.6 分级效率

根据模拟结果得≥35 μm颗粒在旋流器两个出口的分布情况，并计算得两种旋流器分级效率如表3所示。由表3可知，相比于中心锥型旋流器，中心曲面锥型旋流器溢流中≥35 μm颗粒含量相对减少11.08%，底流中≥35 μm颗粒含量相对增加2.33%，分级效率提高了4.04个百分点。该数据表明，中心曲面锥型插入物能够使内旋流中更多的粗颗粒向壁面运动，重新进入外旋流强化分离，减小了粗颗粒进入溢流管的概率，提高了分级效率；同时，曲面锥结构使得流体流向的变化更加平滑，锥体附近的流场更加稳定，有利于分级效率的提高。