跳汰机供水均匀性的数值模拟研究

史冰森

(1.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063010；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063000)

我国的能源消耗中煤炭仍占有比较高的比例，煤炭入洗率近年来也有较大的提升，2019年原煤的入洗率达到了73.2%[1]，煤炭洗选比例的不断提高对保护环境做出了重要的贡献。跳汰选煤以其工艺流程简单、资金投入少、生产成本低等优点在选煤厂中得到了广泛的应用。近年来，复振技术、跳汰机大型化技术的开发应用满足了市场对较难选煤洗选、大处理量的要求，跳汰选煤技术在选煤工艺中占有比较重要的地位[2-3]。

跳汰机尤其是大型跳汰机在生产中增加供水压力，有时会出现床层“翻花”的现象，这可能是由于供水不均匀使远离入水管一侧的水流过大形成的，会导致机体内按密度分层的床层紊乱，影响设备的分选精度。现场为控制床层稳定只能降低跳汰机的供水量，但水量减小会降低跳汰机的处理能力。为探究上述问题的原因，进一步优化跳汰机供水的均匀性，提高大型跳汰机的处理能力，本文利用计算流体动力学软件(以下简称“CFD软件”)对跳汰机供水管入水压力、出口流量等进行研究，当前和跳汰机相关的研究主要是对床层分层过程中机理的研究，如王振翀等利用随机过程中马尔科夫链理论建立了跳汰分层过程的数学模型，并在该模型的基础上对分层过程进行了模拟[3]，匡亚莉等人利用高速摄像机和动态分析软件建立了颗粒运动的振动微分方程，得出颗粒运动的相关参数与跳汰机风压有直接的线性关系，与跳汰周期等参数有明确的非线性关系[4]等，对跳汰机供水均匀性的相关研究较少。

1 跳汰机的工作原理

跳汰选煤主要是利用垂直升降的变速水流，使物料按照自身密度的差异进行分选的过程。跳汰机主要由机体、风阀、排料装置、供水管等部分组成，如图1所示。物料从入料口给入，经过多个上升、下降周期的作用后物料按密度进行分层，重产物在床层下部经排料机构排出，轻产物分布在床层上层，在水流的作用下通过溢流口排出，从而实现轻、重产物的分离[6]。

1—低压风入口；2—总入水口；3—入料口；4—机体；5—溢流口；6—入水管；7—排料机构图1 跳汰机结构示意

跳汰机机体由各个单独的室相互连接共同组成，相邻室之间的低压风、水流互不干扰，这有利于各个室内部流场的稳定。跳汰机供水管的入水口位于机体的外部，在机体内部有一根横向布置的管道为跳汰机提供洗选所需用水，单室结构如图2所示。模拟所选模型的水管在机体内的长度为3 m，管路上均匀分布有6个面积相等的椭圆形出水口，单个椭圆形出口的面积为9.5×10-3m2，相邻出水口之间的距离为486 mm，洗选过程中这些出水口为机体提供洗选用水。

图2 跳汰机单室外形

2 跳汰机模型的建立

CFD软件在研究流体动力学相关问题上得到了较为广泛的应用，选煤设备的内部流场分布也越来越多的借助于CFD软件研究。本文主要是研究筛下水管出口流量与入水口压力的关系，加上跳汰机各室之间供水影响较小，为便于后续网格划分与计算研究模拟，只对单个室进行模拟研究，并将单室的外部简化成一个槽型结构，如图3所示。但内部筛下水管的结构保持不变，所以对管道内部的流场影响较小。

图3 模型简化后的剖视

此次模拟所用机体的单室外形结构尺寸为3000 mm×1070 mm×2580 mm，为方便后文表示，将距离供水管入水口最近的出水口记为outlet1，依照远离入水口的方向依次将出水口编号为outlet2、outlet3、outlet4、outlet5、outlet6。将简化后的模型利用CFD前处理软件进行网格划分，划分完成后对网格质量进行检查，网格数量为1 546 413个，网格质量采用行列式Determinant2x2x2作为衡量指标，比值取值均在0.25以上，可用于后续求解器计算。

筛下水管内的流动为湍流流动，应选取相对应的湍流模型。本次模拟选用工业流动计算中应用最广泛的k-epsilon模型中的Standard k-epsilon模型，筛下水管入水口边界条件设置为pressure-inlet，槽体上方出口边界调节设置为pressure-outlet，压力修正方程、动量方程及湍动能方程离散格式采用一阶迎风，体积率方程离散格式采取quick，松弛因子及其他参数保持默认设置不变。

3 模拟结果与分析

跳汰机在煤炭洗选过程中总水管进水的压力在0.1 MPa(10 m水柱)左右，在此次模拟中分别设置入水压力为0.10 MPa、0.08 MPa、0.06 MPa、0.04 MPa、0.02 MPa、0.01 MPa 6组不同参数，观察不同压力时水管内的压力和流量情况。模拟采用稳态计算，各个条件下迭代计算至流场稳定后分别对6个出水口设置观察面，以对每个出水口的流量进行数据统计，在计算过程中每迭代计算5次保存导出1次数据，横坐标为计算次数，纵坐标为流量，利用制图软件对保存的数据进行分析，不同进水压力下各出水口的流量变化如图4所示。

图4 不同进水压力下各出水口的流量变化

通过图4看出，水管在刚开始时内部流场较为紊乱，随着计算的进行，波动幅度逐渐趋于稳定，在迭代次数到300步左右，各出口的流量开始有较为明显的差别，迭代次数到400步时，各出口处流量变化的幅度已经较小，400～500步时各个出口的流量基本保持稳定。从图4 (a)中6条曲线可以看出，虽然入水压力一定，但各个出水口的流量相互之间存在差值，这说明供水管内部流场稳定时各出口的流量并不相同，且outlet1至outlet6的流量依次增大，即进水压力一定时，出口与入水口距离越远，则出口处流量越大，这与现场出现的远离入水口一侧出现翻花的现象相吻合。且图4(b)～图4(f)也表明，若进水压力一定，筛下水管流场稳定时各出口流量的变化规律也与上述一致。对比图4 (a)与图4(f)，为进一步探究流量变化的规律，将各入水压力下稳定后的平均值作为每个出口的流量大小，以进一步对比6组数据中流场稳定时各出口流量的变化趋势，具体如表1所示。

对表1数据进行分析可以看出，入水压力变大时同一出水口的流量也随之增加。并且随着压力的增加，outlet6和outlet1之间的流量差值也随之增加，说明入水压力的增加会导致机体两侧供水均匀性差异增加。为进一步对比相邻出口处的关系，列出相邻出口的流量比，如表2所示。

表1 不同进水压力下各出水口流量

表2 不同压力下相邻出口流量的比值

由表2可知，进水压力不同时，相邻出口流量的比值基本上相同，这表明相邻出口的流量比并不随进水压力的增加而改变，这为后续的筛下水管的供水更加均匀可以提供一定的参考。

4 结 语

利用CFD软件对跳汰机筛下水管各出口流量随入水压力的变化进行了研究，研究表明：

(1)跳汰机供水管各出口开孔面积相同、进水压力一定时各出口流量并不均匀，流量差值随着进水压力的增加而增加，这对跳汰机均匀给水是不利的。

(2)在相同入水压力下，跳汰机供水管出口位置距离入水口越远，出口处的流量越大。

(3)跳汰机供水管各相邻出口之间流量的比值不随进水压力增加而改变。