碟片式離心機內(nèi)流動的數(shù)值模擬

袁惠新，侯新瑞，付雙成

（常州大學分離工程研究所，江蘇 常州 213016）

碟式離心機是應用比較廣泛的分離機械，通過其轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的多層碟片的高速旋轉(zhuǎn)帶動碟片間的非均相混合物產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。利用“離心沉降”和“淺池沉降”原理不但具有較高的分離因數(shù)，可以高效地分離微細顆粒，而且由于沉降面積大，其生產(chǎn)能力大[1-3]。碟片式離心機按分離方式可分為澄清式和分離式，兩者的區(qū)別是分離式離心機碟片開孔，液體從小孔進入蝶片間隙。本文將研究分離式碟片式離心機的內(nèi)部流場，此外，碟式離心分離可實現(xiàn)連續(xù)操作，可用于凈化、澄清和濃縮等分離過程，因而被廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥、輕工、船舶、食品等行業(yè)[4-5]。

由于碟片式離心機內(nèi)的流場難以直接測量，人們對其內(nèi)部流動的認識往往停留在經(jīng)驗或想象上，有些想象甚至是錯誤的，因此，難以對其進行客觀的分析和優(yōu)化。近年來，隨著計算流體力學（CFD）技術的迅速發(fā)展，為流體機械的研究提供了重要研究途徑[6-8]。趙志國等[9]采用 CFD技術對碟片式離心機內(nèi)部流場進行二維數(shù)值模擬，并對液相油滴的軌跡進行了追蹤，得出油水分離形成穩(wěn)定的分層界面。針對潤滑油碟片式分離機，趙志國等[10]采用VOF多相流模型并結(jié)合RNG k-ε湍流模型和離散相模型對其內(nèi)部油水固分離過程和分離效率進行了數(shù)值模擬。但迄今為止，對碟片式離心機的內(nèi)部流場的研究報道較少，碟片式離心機分離理論大部分基于單層碟片空間的研究，而多層碟片間的流量分配還沒有研究報道，且其對設計影響非常大。所見報道模擬也多為簡化的二維流場，不能很好地反映其空間流場特征。因此，本文將基于CFD技術，采用Fluent軟件對DRS 2304-00-99型碟片式離心機內(nèi)部流場進行三維數(shù)值模擬。

1 物理模型、網(wǎng)格劃分及計算方法

1.1 物理模型和網(wǎng)格劃分

表1 碟片基本尺寸

計算采用的碟片式離心機物理模型的碟片結(jié)構如圖1所示，尺寸見表1。以11層碟片的空間為模型（共11層碟片，從下往上方向10個碟片間隙分別定義為第1～10層），利用Gambit軟件創(chuàng)建幾何模型并劃分網(wǎng)格。為保證網(wǎng)格的質(zhì)量及計算精度，采用六面體結(jié)構化網(wǎng)格劃分和局部加密技術，網(wǎng)格數(shù)為1014880個，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 碟片結(jié)構圖

圖2 11層碟片六面體結(jié)構化網(wǎng)格

1.2 控制方程和湍流模型

本文采用標準k-ε模型和多重參考系（MRF）模型，標準k-ε模型自從被Launder及Spalding提出后，就成為工程流場計算中的主要工具。它是個半經(jīng)驗公式，是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的，所以有適用范圍廣、經(jīng)濟、精度合理的特點。標準k-ε 雙方程模型假定湍動黏度是各向同性的，其湍動能 k和耗散率ε方程為如式（1）、式（2）所示[11]。

在 Fluent中，作為默認值常數(shù)，C1ε=1.44， C2ε=1.92，Cμ=0.09湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。

1.3 邊界條件設定及計算方法

計算采用速度進口邊界條件和壓力出口邊界條件。入口速度為0.32m/s（即處理量為0.72m3/h），入口湍流強度為5%，出口壓力為表壓0Pa。在多重參考系中，設置碟片轉(zhuǎn)速為1000r/min，方向為順時針方向（沿著 Z軸向正方向看）。壁面采用標準壁面方程處理，離散控制方程時，對壓力項采用二階中心差分格式，對動量方程、湍動能、湍耗散方程采用二階迎風差分格式，壓力修正法采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE算法）。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 速度分布

2.1.1 周向速度

圖3 縱截面處的周向速度分布云圖

周向速度反映了流體在碟片式離心機內(nèi)旋轉(zhuǎn)的快慢，決定了離心力的大小。由圖3周向速度分布可以看出，單層碟片間隙內(nèi)的周向速度由內(nèi)至外逐漸增大，從而由上至下逐漸增大。從多層碟片來看，周向速度由內(nèi)至外逐漸增大，符合vt=ωr的基本規(guī)律。在Z=10mm截面處取X=0上的一條直線定義為line10，周向速度的模擬曲線與理論曲線的比較如圖4所示。理論曲線根據(jù)經(jīng)典的理論公式vt=ωr計算。由圖4可以看出，幾乎在所有徑向位置，周向速度模擬小于理論值。像螺旋卸料離心機一樣，流體的轉(zhuǎn)動滯后于碟片。其中，第3～5層旋轉(zhuǎn)滯后較為明顯。但由于碟片間隙較小，所以滯后較小。由此可以得出，碟片間隙小不僅可以減小沉降距離，還可以減小流體旋轉(zhuǎn)的滯后，這有利于提高顆粒的分離效率[12]。實際應用中，每層碟片上沿碟片母線都有筋條（本文為簡化模型，已省去），流體的轉(zhuǎn)動滯后可以更小。

圖4 直線line10周向速度分布

2.1.2 軸向速度

軸向速度是影響離心機處理量的一個物理量，流速越大，則離心機處理量越大。但是軸向速度大，物料在碟片間的停留時間短，不利于顆粒的分離。另外，軸向速度太大會擾動已經(jīng)沉降的沉渣，導致分離效果下降。圖5所示為X=0截面軸向速度云圖。從圖5可以直觀地看出，內(nèi)層碟片間隙內(nèi)的軸向速度較大。第1～10層碟片間隙內(nèi)同一半徑不同軸向位置的軸向速度如圖6所示。從總體趨勢來看，由于料液進入每一組碟片的流量不均勻，第1～10層碟片間隙內(nèi)軸向速度大小呈遞減趨勢，到第5層之后速度變化減緩。從單個碟片間隙來看，第 1～2層碟片間隙內(nèi)，軸向速度不同于周向速度，流體靠近碟片壁面的軸向速度小，中間位置速度大。第3～10層呈現(xiàn) M 形駝峰分布，符合普朗特邊界層理論[13]。由此可以得出，由于前兩層軸向速度vZ較大，周向速度vt相近，這就導致了前兩層碟片間隙內(nèi)的流量相差大，說明碟片間的流量分布不均勻。

圖5 X=0截面軸向速度分布云圖

圖6 不同層的軸向速度分布

圖7 各層碟片間出口流量占處理量的百分比

圖8 不同層碟片間壓力降

2.2 不同層碟片間的流量分配

每層碟片間出口流量占總處理量的百分比如圖7所示，每層碟片間出口流量值占處理量的百分比從第1～10層呈下降趨勢，第1～3層急劇下降，到第5層后下降趨勢減緩，其中前3層的出口流量所占比例較大。不同層碟片間的壓力降如圖8所示，從第1～10層碟片間隙內(nèi)（從下往上）壓力降越來越小，進一步說明了出口流量呈減小趨勢的原因。從第1～10層碟片間隙內(nèi)，由于壓力降的減小，料液向上運動的推動力隨著減小，使軸向速度減小，間接導致流量的減小。從結(jié)構上分析，由于入口小孔流通面積較小，阻力較大，導致前幾層碟片內(nèi)液體流量較大，而越往上液體流量越小。由此得出，對于多層碟片式離心機來說，每層碟片間隙內(nèi)的流量是不均等的，且前幾層碟片間隙內(nèi)的流量較大。

2.3 壓力分布

圖9 第11層碟片壁面壓力分布云圖

圖10 X=0mm截面壓力分布云圖

3 結(jié) 論

通過對多層碟片的碟片式離心機內(nèi)三維流場的數(shù)值模擬研究，對碟片式離心機內(nèi)的流動有了更加全面的認識，得出如下主要結(jié)論。

（1）通過三維數(shù)值模擬可直觀地看出，速度分布云圖和壓力分布云圖符合碟片式離心機的內(nèi)部理論基本規(guī)律，說明用Fluent軟件模擬碟片式離心機內(nèi)部流場流動狀況的方法是可行的。

（2）通過模擬發(fā)現(xiàn)，碟片在高速旋轉(zhuǎn)時，碟片間的流體存在旋轉(zhuǎn)滯后現(xiàn)象。減小碟片間隙不僅可以減小沉降距離，還可以減小流體旋轉(zhuǎn)滯后，這將有利于提高顆粒的分離效率。

（3）每層碟片間的出口流量是不均等的，從第1～10層流量呈減小趨勢。其中前3層碟片間的流量約占66%。

[1] 孫啟才，金鼎五.離心機原理結(jié)構與設計計算[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.

[2] 袁惠新，馮骉.分離工程[M].北京：中國石化出版社，2002：108-139.

[3] 戴金河，褚強.高嶺土精制濃縮工藝及設備[J].中國非金屬礦工業(yè)導刊，2012（4）：45-47.

[4] Rushton A，Word A S，Holdich R G.固液兩相過濾及分離技術[M].朱企新等譯.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[5] 劉廣明.碟式分離機分離效果的分析研究[J].過濾與分離，2009，19（1）：27-30.

[6] 翟建華.計算流體力學（CFD）的通用軟件[J].河北科技大學學報，2005，26（2）：160-165.

[7] He P，Salcudean M.A numeirical simulation of hydrocyclones[J].Transation of the Institution of Chemical Engineers，1999，77（A）：429-439.

[8] 姚征，陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報，2002，24（2）：137-144.

[9] Zhao Zhiguo.The influence of structural changes on the interior flow field’s characteristics of dics separator [J].Procedia Engineering，2011，15：5051-5055.

[10] 趙志國，石博強，李宴，等.潤滑油分離機內(nèi)部流場數(shù)值模擬與分離效率分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（8）：163-168.

[11] 吳玉林，曹樹良，葛亮，等.渣漿泵葉輪中固液兩相湍流的計算和實驗[J].清華大學學報：自然科學版，1998（1）：71-74.

[12] Wang Yanm in，F(xiàn)orssberg Eric，Li Jingxian，et al.Continuous ultra-fine classification in a disc-stack nozzle centrifuge-effects of G-forces and disc geometry[J].China Particuology，2003，1（2）：70-75.

[13] 林建忠，阮曉東，陳邦國，等.流體力學[M].北京：清華大學出版社，2005.