双给料口结构对旋流器流场特性和分级性能的影响

张彩娥，潘程尧，冉金城，陆帅帅，王丽娟，孙 伟，董鸿良，宋宝旭

（1.山东理工大学 资源与环境工程学院，山东淄博 255000；2.威海市海王旋流器有限公司，山东威海 264200；3.山东烟台鑫泰黄金矿业有限责任公司，山东烟台 265147；4.辽宁科技大学 矿业工程学院，辽宁鞍山 114001）

0 引言

水力旋流器是一种利用离心力与重力实现不同粒度颗粒分级的典型复合力场分级设备，具有结构简单、处理量大、操作维护方便等优点，广泛应用于选矿厂磨矿分级作业［1-3］。料浆在水力旋流器给料口的导流作用下，进入旋流腔体，不同性质固体颗粒在不同径向作用力下，粗细颗粒沿径向实现规则排列，粗颗粒在外，细颗粒在内，分别随外旋流和内旋流运动成为沉砂产品和溢流产品［4-5］。水力旋流器给料口结构配置直接决定内部流场特性，进而影响分级性能，传统旋流器均采用单一给料口结构，致使内部流场对称性较差，流场稳定性降低，分级精度较低。增加水力旋流器给料口个数可以获得更小的分级粒度及更高的分级效率，其内在机理尚需深入研究［6-10］。深入分析对称双给料口结构对流场特性和分级性能的影响，可为水力旋流器的高效分级提供理论指导。

近年来，随着计算流体力学（CFD）理论和高速计算技术的发展，基于CFD 的数值试验方法以其高效、省时、可视化等优点被广泛应用于水力旋流器内部流场特性和分级性能的研究［11-12］。水力旋流器内部为三维强湍流流场，雷诺应力湍流模型（RSM）仅需较短的计算时间即可得到准确的湍流计算结果［13］。流体体积模型（VOF）可以用于描述两种或多种互不相融流体间的交界面，用于准确追踪中心空气柱的气液交界面的瞬时变化［14］。基于欧拉法的混合物模型（Mixture）是一种简化的欧拉模型（Eulerian），可以在较少计算量的条件下，准确描述各离散相颗粒之间有相对运动的情况［15-16］。

本文利用数值试验方法，系统地考察了单一给料口和对称双给料口对水力旋流器内部流场特性和分级性能的影响，从速度分布、轴向零速包络面、压强分布、空气柱直径、湍流强度等角度考察了给料口结构对内部流场稳定性的影响，并从颗粒沉砂分配率、分级精度、分级粒度、固体颗粒空间分布等方面进一步阐明了流场稳定性对固体颗粒分配行为的影响。

1 试验方法

1.1 试验用水力旋流器

本研究选用直径为50 mm 水力旋流器作为研究对象，坐标原点位于柱锥交界面的圆心，其结构尺寸见表1。

表1 试验用水力旋流器结构参数Tab.1 Geometrical parameters of the hydrocyclone used in this test

单给料口与对称双给料口的给料口截面总面积相等，给料速度相等，给料总流量相同。对称双给料口中任一给料口的给料截面面积、给料流量均相同，是单给料口总流量的1/2。

1.2 数值试验方法

根据水力旋流器结构参数，利用ProE 软件绘制水力旋流器的三维立体模型，将几何文件导入ICEM 软件，利用六面体结构网格对计算域进行离散，同时对器壁及溢流管底部处的网格进行局部加密，综合考虑计算时间和计算精度，确定的网格总数量为4.0×105个。考虑到水力旋流器内部流场的复杂性，本文分两步开展数值试验，第一步，利用RSM 模型计算湍流，利用VOF 模型追踪气液界面，获得稳定的气液两相流场；第二步，在稳定气液两相流场的基础上，利用RSM 模型计算湍流，利用Mixture 模型描述气相和颗粒相的运动，Mixture 模型中空气相的气泡直径设置为1×10-5mm，具体模拟策略如图1 所示。

图1 模拟策略Fig.1 Simulation strategy

水力旋流器给料口采用速度入口边界，单给料口与对称双给料口结构中任一给料口的给料速度均相同，水力直径设置为与给料口等面积圆的直径；溢流口和沉砂口采用压力出口边界条件，空气相的回流系数设置均为1；器壁采用无滑移边界条件。在开展系统数值试验之前需要对所选用的数值试验方法进行验证，通过将激光多普勒测速仪（LDA）物理试验得到的速度分布与数值试验得到的速度分布进行对比，发现物理测试结果与数值试验结果吻合很好，验证了所选用湍流模型的可靠性（见图2（a））；通过将某矿业现场物理试验数据与多相流数值模拟数据进行对比，发现沉砂分配曲线高度吻合，验证了所用多相流模型的可靠性（见图2（b））［17］；在早期研究中作者已给出详细的模型介绍，为了简化分析，此处不再进行赘述［17］。本文以石英固体颗粒为研究对象，石英的密度为2 673 kg/m3，石英颗粒的累积粒度分布如图3 所示，将石英颗粒分为12 个粒级，在Mixture 模型中，每个粒级用平均粒度来表示，基础相为水相，第二相依次为气相和不同粒度颗粒相。

图2 模型验证Fig. 2 Model verification

图3 石英组分、磁铁矿组分和混合矿的累积粒度曲线Fig.3 Cumulative particle size curves of quartz component,magnetite component and mixture ore

2 结果与讨论

2.1 双给料口结构对流场特性的影响

水力旋流器内部流场是固体颗粒运动的载体，内部流场特性直接决定颗粒的运移行为，影响颗粒的空间分布，进而决定颗粒的分配性能［5］。

2.1.1 对压强分布的影响

给料口结构对压强分布的影响如图4 所示。不同给料口条件下，压强均随着旋转半径减小而降低，在中心区域出现负压区，水力旋流器是一种将压力能转换为流体动能的设备，当采用对称双给料口结构时，压强值较大，说明此时更多的压力能转换为了动能，对应流体速度增大（见图5）。

图4 不同给料口结构对压强分布的影响Fig.4 Effects of different inlet structures on the pressure distribution

图5 不同给料口结构对水力旋流器切向速度影响Fig.5 Effects of different inlet structures on the tangential velocity in the hydrocyclone

2.1.2 对切向速度分布的影响

切向速度直接决定颗粒所受离心力大小，给料口结构对切向速度影响如图5 所示。从图中可以看出，不同给料口时，切向速度均呈组合涡分布，采用对称双给料口时，流体切向速度值增大，切向速度分布对称性增强，颗粒所受离心力将增大。

2.1.3 对轴向速度分布的影响

不同给料口结构对水力旋流器内轴向速度影响如图6 所示。由器壁向中心，当采用不同给料口结构时，轴向速度均由负值逐渐转变为正值，外部对应外旋流，速度方向沿轴向向下，该区域流体将由底流口排出，内部对应内旋流，速度方向沿轴向向上，该区域流体将由溢流口排出。当采用对称双给料口结构时，轴向速度值略有增加，对应的分流比降低，轴向速度对称分布增强。

图6 不同给料口结构对水力旋流器轴向速度影响Fig.6 Effects of different inlet structures on the axial velocity in the hydrocyclone

内旋流与外旋流交界面即为轴向零速包络面（LZVV），不同给料口结构时，水力旋流器纵截面处LZVV 分布单给料口如图7（a）和对称双给料口如图7（b）所示，图7（c）可以更好地展示不同给料口结构对LZVV 的影响。

图7 不同给料口结构对水力旋流器LZVV 影响Fig.7 Effects of different inlet structures on LZVV in the hydrocyclone

从图中可以看出，采用对称双给料口时，LZVV 的对称性显著增强，因而内旋流与外旋流的分界面形状更加规则，内旋流中所携带固体颗粒与外旋流中所携带固体颗粒的分级更加精准；当采用对称双给料口结构时，水力旋流器内中心空气柱对称性明显增强，采用单给料口时的空气柱将沿径向产生大幅度偏摆，特别是在锥段区域，空气柱的不对称偏摆会造成内部流场的波动及速度分布的不对称，进而影响不同粒度固体颗粒沿径向的规则排列。

空气柱是因为旋流器内中心负压区的出现形成的，图8 示出给料口结构对中心空气柱直径的影响。可以看出，采用双给料口时的空气柱直径略大于采用单给料口时的空气柱直径，这主要是由于采用双给料口时水力旋流器内更多压力能转换为动能，中心负压较低（图4），从外界吸入的空气量增多。

图8 不同给料口结构对空气柱直径的影响Fig.8 Effects of different inlet structures on the air core diameter

2.1.4 对湍流强度的影响

不同给料口结构时，水力旋流器内部流场湍流强度如图9 所示，图9（a）示出了水力旋流器纵截面处湍流强度分布，图9（b）示出了给料口横截面处湍流强度分布。从图9（a）中可以看出，当采用对称双给料口时，水力旋流器内湍流强度的对称分布增强。从图9（b）可以看出，当采用对称双给料口结构时，给料口横截面处湍流强度大大降低，能耗减小，流场对称性显著增强，颗粒的错配现象将会得到缓解。

图9 不同给料口结构对湍流强度的影响Fig.9 Effects of different inlet structures on the turbulence intensity

2.2 双给料口结构对分级性能的影响

2.2.1 对沉砂分配曲线的影响

不同给料口结构对固体颗粒沉砂分配率的影响如图10 所示。从图中可以看出，随着颗粒粒度增大，颗粒在沉砂中的分配率逐渐增加。与单给料口相比，当采用对称双给料口结构时，细颗粒在沉砂中的分配率降低，这主要是由于分流比减小造成的。同时粗颗粒在沉砂中的分配率增加，d=12.5 μm 粗颗粒沉砂分配率提高了7.87%，对应粗细颗粒在溢流产品或沉砂产品中的混配现象减弱。分配曲线的斜率表征分级精度Ep，Ep=（d75-d25）/2，其中d75和d25分别表示沉砂分配率为75%和25%时对应的颗粒粒度，Ep 值越小表征分级精度越高，双给料口与单给料口的Ep 值分别为2.74，2.97，Ep 值降低了0.23，对应双给料口的分级精度提高。此外，当采用对称双给料口时，水力旋流器可以获得更小的分级粒度。

图10 不同给料口结构对沉砂分配率的影响Fig.10 Effects of different inlet structures on the recovery to underflow

2.2.2 对颗粒空间分布的影响

本节从固体颗粒空间分布的角度，进一步解释不同给料口结构对颗粒分配行为的影响机制，如图11 所示，此处用颗粒的平衡回转半径分布表征颗粒的空间分布。为了简化分析，从沉砂分配曲线（图10）中选取了5 个有代表性的颗粒。从图可见，不同粒度固体颗粒在沿径向规则排列后，会以螺旋运动形式在水力旋流器内向下、向上运动。从图中可以看出，不同给料口结构时，随着颗粒粒度增大，颗粒的平衡回转半径均沿径向向器壁移动，从LZVV 内侧逐渐移动到外侧，因此细颗粒主要由内旋流携带经溢流口排出，而粗颗粒主要由外旋流携带经沉砂口排出，对应沉砂分配率逐渐增加。从图中还可以看出，采用对称双给料口时，固体颗粒空间分布更加规则，这是因为此时旋流器内部流场更加稳定，对称性更强，颗粒的规则分布不易被破坏；同时，采用对称双给料口时，粗颗粒（d=12.5 μm）的平衡回转半径略大于使用单给料口时的颗粒平衡回转半径，这是因为此时流场切向速度更大，更多压力能转化为颗粒动能，颗粒所受的离心力更大，因此对称双给料口时粗颗粒的沉砂分配率大于单一给料口时对应颗粒的沉砂分配率。由于对称双给料口的加工精度要求较高且对给料流量分配要求严格，尚未得到广泛应用。

图11 不同给料口结构对颗粒平衡回转半径的影响Fig.11 Effects of different inlet structures on the particle equilibrium radius

3 结论

（1）采用对称双给料口结构时，水力旋流器内压强值增大，更多的压力能转换为了动能，对应流体切向速度值增大，切向速度分布对称性增强，轴向速度值略有增加，对应的分流比降低，轴向速度对称分布增强，LZVV 的对称性显著增强，空气柱沿径向不对称偏摆程度减弱。

（2）采用对称双给料口时，中心负压较低，中心空气柱直径增大，水力旋流器内湍流强度的对称分布增强，在颗粒运动过程中，颗粒沿径向的规则分布不易被破坏，给料口横截面处湍流强度大大降低，流场对称性显著增强，颗粒的错配现象将会得到缓解。

（3）随着颗粒粒度增大，颗粒在沉砂中的分配率逐渐增加。当采用对称双给料口结构时，细颗粒在沉砂中的分配率降低，粗颗粒（d=12.5 μm）在沉砂中的分配率提高了7.87%，颗粒混配现象减弱，分级精度提高，对应水力旋流器分级精度提高。

（4）随着颗粒粒度增大，颗粒平衡回转半径沿着径向向器壁移动，细颗粒平衡回转半径位于LZVV 内侧，经内旋流携带排出，粗颗粒平衡回转半径位于LZVV 外侧，经外旋流携带排出。采用对称双给料口时，固体颗粒空间分布更加规则，粗颗粒（d=12.5 μm）平衡回转半径略大。