基于CFD的水力旋流器并联公共液斗结构研究

敖兴友，刘秀林，康大地，罗蓉，刘宗浩，姚翔

基于CFD的水力旋流器并联公共液斗结构研究

敖兴友，刘秀林＊，康大地，罗蓉，刘宗浩，姚翔

（齐齐哈尔大学 机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

为解决并联水力旋流器分离效率下降的问题，设计了水力旋流器并联新式公共液斗。对于液斗底流口直径的大小，设计了8, 12, 16mm三种不同结构，应用CFD技术分析比较了三种不同结构的流场稳定性。在流量相同的情况下，速度分布的对称性随着底流口增大而变差；而分析相同流量下不同结构的湍流强度，在不同入口流速下，12mm结构的湍流强度平均值要小于16mm与8mm。

水力旋流器；并联公共液斗；CFD；湍流强度

水力旋流器是一种利用密度差进行不同相离心分离的设备，广泛应用于采矿、石油、化工、环保等领域[1]。但在水力旋流器的应用中，有时会遇到分离效率和处理能力相互制约的问题。对于单体旋流器来说，处理量与公称直径的大小正相关，但其分离效率会随着公称直径的增加而降低[2]。故小直径水力旋流器并联成为增大处理量的一种解决方法[3]。但是并联水力旋流器相对于同样的单体旋流器，效率会有所下降，这是主要是由于流量分配不均匀导致的旋流稳定性下降造成的[4]。对于并联水力旋流器分离效率下降的问题，可以采用增加新式公共液斗的方式来解决[5]。这是因为液斗对底流口区域的流场特性、下行颗粒的返混有影响，增加新式公共液斗可以使得并联旋流器有分离效率高、稳定性能高[4-5]。本文通过数值模拟的方法，研究了不同出口尺寸的公共液斗结构对液斗内部并联流场稳定性的影响。为水力旋流器的并联设计与应用提供了指导。

1 公共液斗几何模型的建立

单体水力旋流器选用D50的FX型水力旋流器，并联结构采用4个相同结构旋流器同向并联[6]，整体的并联形式如图1所示。

图1 水力旋流器组并联形式

故根据Obermair等[7]的研究，设计并联公共液斗的尺寸结构如图2所示。

图2 公共液斗的尺寸结构

本文将研究比较三种结构的公共液斗的性能，根据液斗4个入口的直径以及液斗流量平衡的限制[7-8]，设计其底流口直径不同，分别为8mm, 12mm和16mm，相应的锥段倾斜角度也有差异。

2 计算模型的选取与设置

2.1 湍流模型

采用雷诺应力模型（RSM）求解公共液斗的液相湍流流场。假定公共液斗内进行的是一个等温、不可压过程，则流动满足不可压缩流体的连续方程和N-S方程，即：

N-S方程为

且在RSM模型中，考虑到湍流的复杂异向性，需要对动量方程中Re应力项写出输运方程。采用二阶封闭法对上式里面的未知三阶关联项进行处理，对于与压力脉动有关的关联项用相应的方法计算，从而使雷诺应力方程组形成闭合。描述湍流应力方程组如下：

2.2 公共液斗模型网格划分

图3为并联公共液斗的网格生成图。本文将计算3种不同入口流速（4, 6, 8m/s）下公共液斗的液相流场。本数值计算建模和网格生成由ICEM软件实现，生成以六面体结构网格。所有网格的Determinant值全部大于0.45，网格质量满足计算要求。进行网格无关性验证，确定网格数为196058个。

图3 公共液斗网格

2.3 边界条件及计算方法

常温水作为连续相，3种不同入口流速（4, 6, 8m/s），出口压力为0，壁面边界条件为出口截面法向方向梯度为0，且壁面为无滑移。

计算基于原始变量的有限差分方法，采用SIMPLE方法计算压力与速度的耦合，数值离散以QUICK差分格式进行计算。

3 公共液斗出口结构模拟计算结果

3.1 不同流量下公共液斗内部流场特性分析

速度分布是与水力旋流器公共液斗中流体运动有关的重要参照。对于公共液斗的结构来说，首要的目的是保证并行旋流之间的稳定性，而速度的分布[9-10]是能够充分反应这一指标的变量。所以，在流场分析时本文主要集中在速度的分析上。选取入口下方15mm位置截面，查看3种结构在不同流量下的速度的分布，如图4所示。

图4 不同结构速度分布云图对比

(a)8mm-4m/s (b)8mm-6m/s (c)8mm-8m/s (d)12mm-4m/s(e)12mm-6m/s (f)12mm-8m/s (g)16mm-4m/s (h)16mm-6m/s(i)16mm-8m/s

一方面，相同结构，速度分布均匀性和对称性随着流量增大而变差，流量越大，分布越不均匀；在入口正下方区域速度较低，而在4个入口交界处速度较大，这是因为流体是通过环形喷射进入液斗，入口正下方为负压区，入口下方交界处则是流动发展充分的区域。另一方面，在流量相同的情况下，速度分布的对称性随着底流口增大而变差，这是因为随着出口变小，液斗底部流速会更大，且液斗本身锥度也更大，更容易产生底部湍流从而影响整个流场的速度分布。

3.2 不同流量下公共液斗内部旋流稳定性分析

对于公共液斗的结构来说，首要的目的是保证并行旋流之间的稳定性，故湍流强度[11]是另一个能够直观反应这一指标的量。本文选取出口下方15mm处，分析3种结构在不同流量下的湍流强度的分布如图5所示。

如图5所示，每种结构的湍流强度都随流量增大而变大，这是因为流动速度越大，越容易产生湍流。但值得注意的是，比较相同流量下不同结构的湍流强度，可以发现平均下来底流口直径8mm的结构最强，16mm的次之，12mm的最弱；具体的对比如表1所示。

图5 不同结构湍流强度分布对比

分析其原因，是因为8mm结构的液斗的锥角太大，压强和压强梯度均增加快速，器壁对流体的反作用力强，流体所受阻力更大[12]；而16mm结构的液斗底流出口大，形成的旋流自稳定性效果反而小，故两者的湍流强度都高于12mm结构。

4 结论

本文对水力旋流器并联公共液斗流量行进了模拟研究，结论如下：

（1）速度分布均匀性和对称性随着流量增大而变差，流量越大，分布越不均匀；在入口正下方区域速度较低，而在4个入口交界处速度较大。另一方面，在流量相同的情况下，速度分布的对称性随着底流口增大而变差。

（2）每种结构的湍流强度都随流量增大而变大。比较相同流量下不同结果的湍流强度，底流口直径8mm的结构最强，16mm的次之，12mm的最弱。

（3）综合模拟计算的结果，底流口直径为12mm的液斗性能最佳，可作为水力旋流器并联公共液斗。

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Study on flow rate of parallel common liquid bucket of hydrocyclone based on CFD

AO Xing-you，LIU Xiu-lin＊，KANG Da-di，LUO Rong，LIU Zong-hao，YAO Xiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

In order to solve the problem of decreasing separation efficiency of parallel hydrocyclones, a new bin structure of parallel hydrocyclones is designed. For the diameter of the underflow port of the bin structure, three different structures of 8mm, 12mm and 16mm are designed, and the flow field stability for the three structures is analyzed and compared with CFD. Under the same flow rate, the symmetry of velocity distribution becomes worse with the increase of underflow port; and the average turbulence intensity of 12mm structure is less than 16mm and 8mm under different inlet velocities.

hydrocyclone；parallel common liquid bucket；CFD；turbulence intensity

2021-09-16

黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目（135509209）；齐齐哈尔市科技计划创新激励项目（CGYGG-2020002）；黑龙江省大学生创新训练项目（202110232054）

敖兴友（1999-），男，贵州铜仁人，本科，主要从事过程装备与控制应用研究，1474248095@qq.com。

刘秀林（1990-），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士，主要从事化工流体机械研究，18810987535@163.com。

S277.9;TQ021.1

A

1007-984X(2022)02-0011-04