上悬离心机沉渣堆积的流场仿真分析

阚 琛 郭明超

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

上悬离心机广泛用于制糖工业中的甲糖膏分离，也适用于乙糖膏、葡萄糖膏、维生素VC、味精或类似的高黏度和高浓度的晶体物料的固液分离[1]。上悬离心机是通过电机带动转鼓高速转动，在离心力作用下去除溶液中不溶性残渣的关键设备。上悬离心机在运转过程中的振动对其使用寿命和安全运转有较大的影响，尤其是在启停阶段过临界转速时的振动对关键零部件损害较大[2]。上悬离心机的振动是难以避免的，但振动超过限度时，轻则造成零部件损坏，影响机器使用寿命；重则造成重大安全事故，酿成严重恶果。振动由多种因素造成，主要来自转子本身的加工、平衡精度以及装配关系所造成的残余不平衡量以及物料分散不均匀所引发的转子临界转速和振型的改变。

上悬离心机运行过程中，待处理料液在离心力作用下沿鼓壁形成环状液层，其中密度较大的不溶性固体颗粒沿径向沉降到转鼓内壁上，形成沉渣并始终附着于转鼓内部直至停车。沉降不均匀的沉渣会导致转鼓质量分布不均匀，在转鼓高速旋转的情况下，极大地影响上悬离心机的转子动平衡，引起振动，产生噪声，加速上悬离心机轴承磨损，缩短机械寿命。同时，沉渣的分布位置直接影响了排渣用高压喷嘴的分布及冲洗参数。

本文采用多种求解方法和多重网格加速收敛等技术，进行固液两相流场分析，从而获取转鼓沉渣堆积状态[3]。

1 上悬离心机工作原理

如图1所示，料液从料液入口经过高速旋转的散液盘，高速旋转进入转鼓内的沉降层，当不溶性颗粒的浓度很低时，颗粒之间的距离比较大，相互间的作用与影响极小，颗粒密度和大小不同的粒子由于离心力的作用各自以不同的速度沉降，形成自由沉降状态。颗粒在液体中的沉降规律是颗粒沿着离心力的径向方向在转鼓内壁上沉降，颗粒沉降速度随着颗粒粒径以及固液密度差的增大而增大。

2 数值方法与物理模型

在图1沉降离心机的基础上，对离心机性能影响比较小的因素进行了简化，建立了图2所示的简化模型，该简化模型可以表征沉降离心机的主要特征，简化了一些对离心机整体性能影响不大的结构（如排渣口、清液入口和动力输入轴等）。以该简化模型为基础，建立了对应的网格模型。网格模型整体采用结构网格，分为三部分：散液盘区域、转鼓区域和分相口及外部区域。三部分的网格数量分别约为600万、1 000万和400万，总网格数约为2 000万。

计算过程中，首先将三部分网格通过Interface组合在一起，形成离心机的整体计算网格。通过计算稳定工况，对离心机计算域内的网格进行整体分析，获得三部分交界区域的稳定流场、多相流分布特征。之后在针对散液盘、转鼓、分相口进行局部性能分析和几何结构优化时，分别以赋值交界区域的流场和多相流分布特征为边界条件，进行单部分的计算和分析。这样可以大大降低计算量，提高分析和计算效率[4-5]。

本模型采用ANSYS FLUENT 19.0作为计算软件，先进行定常计算，获得相对稳定流动特征后，再根据需要进行非定常特征计算和分析，最终获得离心机内瞬态流动特征。

3 结果分析

3.1 转鼓内沉渣堆积状态分析

如图3所示，在转鼓上部液面附近初始化为固体颗粒，同时以稳态时的流量、颗粒浓度与转速运行。这种分析方法更贴近实际情况，相当于固体颗粒在离心力的作用下，由散液盘进入到转鼓内料液液面附近，然后开始沉降。

如图4所示，颗粒相逐渐沿着径向开始沉降，直至转鼓内壁面。固体颗粒相在沿着径向沉降的过程中，在重力作用和料液的冲刷作用下也会同时向下移动。固体颗粒相最终沿着转鼓内壁面分布，而且沿轴向分布并不均匀，具有局部堆积现象。可以发现，立板将转鼓分为4个周向区域，固体颗粒相在单个区域内的分布不均匀；在4个区域内分布的相对规律是一致的，并通过提取4个区域颗粒质量参数可知，4个区域内颗粒质量基本相同。

固体颗粒通过转鼓内壁面、立板之间的缝隙时，在离心力和惯性力等的作用下会实现快速沉降。所以，固体颗粒在立板前、后方的转鼓内壁面处沉降后堆积得较多，而在立板之间的转鼓内壁面处堆积得比较少，如图5所示。

为进一步分析固体颗粒相对于转鼓壁面的相对运动情况，进行了VOF+DPM模型的计算，用于追踪单个固体颗粒的运动轨迹和运动速度并进行分析。本文选择了3个典型参考点，分别位于立板后侧、立板中间位置和立板前侧，用于追踪经过3个点的固体颗粒的运动轨迹和运动速度的情况，从而了解固体颗粒在转鼓内运动过程和固体颗粒与转鼓的相对运动情况。

图6给出了转鼓内387个固体颗粒随机进入转鼓后的运动轨迹，可以发现，立板对颗粒的径向沉降具有积极作用，可以促进颗粒径向快速沉降；在重力和料液冲刷作用下，固体颗粒存在自上而下的缓慢运动；颗粒进入转鼓具有一定的随机性，立板沿周向分布造成流场不均匀分布，颗粒在转鼓内分布并不十分均匀，存在局部堆积情况，大部分颗粒沉降在转鼓中上部区域；颗粒沉降过程中，与转鼓内壁面距离越近，固体颗粒相对转鼓内壁面的合速度速率越小，最终实现沉降。

3.2 试验结果

为进一步考察沉渣堆积状态，采用上悬离心机进行分离试验，分离转速、进料流量与料液浓度均与仿真分析一致。

图7所示为沉渣在转鼓内的实际堆积情况，沉渣在立板附近堆积较多且立板分隔的4个区域沉渣量基本相同，最大差值为0.03 kg，如表1所示。因此，可以得出以下结论：大部分沉渣集中在转鼓上部，且立板与立板之间沉渣分布不均匀，立板前后堆积较多，立板与立板之间较少；由立板分隔出的4个区域沉渣堆积规律与沉渣量基本相同。上述实际沉渣堆积情况与仿真分析基本一致。

表1 各区域沉渣质量

4 结论

对上悬离心机在稳定工作状态下的沉渣分布进行流体仿真分析，得出转鼓内部沉渣在高速旋转工况下的运动过程以及沉渣分布状态，其结果与试验情况相一致。

（1）颗粒进入转鼓具有一定的随机性，由于转鼓内分布有立板、环板等，转鼓内流场沿周向是变化的，而且具有一定的周期性。受到流场影响，固体颗粒在转鼓内单个区域分布不均匀，但由立板分隔出的4个区域相对均匀，在立板前后存在局部堆积情况，大部分颗粒最终沉降在转鼓中上部区域。

（2）在离心力的作用下，固体颗粒随着转鼓、料液一起高速旋转时，沿着径向沉降。特别是当固体颗粒运动到立板处时，固体颗粒通过立板跟转鼓内壁面之间的缝隙，实现快速沉降。立板对于固体颗粒的沉降具有积极作用，可以促进颗粒径向快速沉降。沉渣在4个区域的堆积状态与堆积量基本一致，说明了该上悬离心机运行过程中，附着于转鼓壁的沉渣相对均匀，不会由于物料分散增加过多的不平衡量而发生振动异常。

（3）沉渣大部分堆积于转鼓上部，在此位置应布置数量多、流量大、压力高的喷嘴；其他位置沉渣堆积量较少，可减少喷嘴数量，降低喷嘴参数。

本文分析为上悬离心机的清洗提供了指导，能够有效改善清洗效果，节省清洗水量与时间。