基于新給料方式的重介質(zhì)旋流器流場的研究

徐 磊

（天地 （唐山）礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山063000）

重介質(zhì)旋流器作為目前應(yīng)用最廣泛的煤炭分選設(shè)備，盡管已經(jīng)系列化生產(chǎn)，但仍存在旋流器的給料壓力高、磨損不均衡以及介質(zhì)循環(huán)量大等問題，這說明旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)還有進(jìn)一步優(yōu)化的必要。旋流器的給料方式是影響其分選效果的因素之一，目前給料方式主要有切線形、漸開線形等。然而上述給料方式引導(dǎo)的方向均垂直于旋流器軸向，與旋流器內(nèi)流場的螺旋角度不一致，因此需要在后續(xù)給料的推動下不斷進(jìn)行轉(zhuǎn)向，這無疑要消耗一定的能量[1]。由此筆者制作了入口向底流端傾斜5°的旋流器模型，并配合該傾斜角度制作了螺旋形的溢流頂板，其螺旋角度也為5°，緊貼給料管布置，通過新的給料方式以期達(dá)到降低能耗和穩(wěn)定旋流器內(nèi)部流場的目的。傳統(tǒng)給料方式和新給料方式重介質(zhì)旋流器的幾何模型如圖1～2所示。本文在利用粒子圖像測速技術(shù)（PIV）進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在流場數(shù)值模擬軟件FLUENT中采用RSM模型對重介質(zhì)旋流器的流場進(jìn)行了模擬，在相同給料壓力條件下，對給料方式改變后旋流器流場的變化進(jìn)行了初步分析。

1 試驗(yàn)研究

1.1 測試方法

試驗(yàn)采用PIV技術(shù)對旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行測試。近年來，PIV技術(shù)作為研究各種復(fù)雜流場的一種基本手段，已獲得廣大科研工作者的認(rèn)同，尤其適用于渦流、湍流等復(fù)雜的流動形式。

1.2 旋流器模型參數(shù)

旋流器的主要結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)如下：旋流器直

圖1 傳統(tǒng)給料方式旋流器

圖2 新給料方式旋流器

徑200mm；筒體長度630mm；給料管直徑40mm；溢流管直徑80mm；溢流管插入深度100mm；底流管直徑50mm；給料壓力0.03MPa。

1.3 PIV試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由旋流器、管路系統(tǒng)以及PIV測速系統(tǒng)組成，設(shè)備安裝簡圖如圖3所示。

2 FLUENT數(shù)值模擬

在FLUENT中所建立的旋流器模型與PIV試驗(yàn)的旋流器模型保持一致；對于新給料方式旋流器，溢流頂板為螺旋角為5°的螺旋板，從而保證給料方向與頂板走向一致。在前處理軟件GAMBIT中建立傳統(tǒng)給料方式和新給料方式旋流器的物理模型，然后對物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成非均勻的六面體網(wǎng)格，選擇Reynolds應(yīng)力模型（RSM）并對旋流器設(shè)定邊界條件后進(jìn)行求解。

圖3 PIV試驗(yàn)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果分析

分別距離旋流器底端500mm、300mm取兩個(gè)徑向截面記為z＝500mm、z＝300mm截面，過筒體中心線取軸向截面記為x＝0mm截面，本文對這幾個(gè)截面進(jìn)行分析。

3.1 切向速度分布

3.1.1 PIV試驗(yàn)結(jié)果

切向速度決定著礦粒在重介質(zhì)旋流器中所受離心力的大小，它是旋流器三維速度中最重要的一維[2]。圖4、圖5為旋流器兩個(gè)徑向截面的切向速度分布，橫坐標(biāo)0表示旋流器中心，100表示旋流器內(nèi)壁位置。

圖4 z＝500mm截面切向速度分布

由圖4、圖5可見，兩種給料方式旋流器的切向速度沿器壁向中心方向逐漸增大，與半徑成反比例，達(dá)到最大值后便迅速減??；而在相同徑向位置，特別是在主要分選區(qū)域（50～80mm），新給料方式旋流器的切向速度要比傳統(tǒng)旋流器高，所以礦粒受到的離心力更大。

礦物在重介質(zhì)旋流器中的分選效果跟離心系數(shù)有直接關(guān)系，離心系數(shù)可由式（1）計(jì)算。

圖5 z＝300mm截面切向速度分布

式中：a為離心加速度，m／s2；g為重力加速度，m／s2。

離心加速度a可表達(dá)為式（2）。

式中：Vt為重介質(zhì)懸浮液流的切向速度，m／s；R為旋流器半徑，m；D為旋流器直徑，m。

將式（2）代入式（1）得式（3）。

由式（3）同時(shí)結(jié)合圖4、圖5，那么在相同給料壓力下，新給料方式旋流器的離心系數(shù)較大，則當(dāng)離心系數(shù)相同時(shí)，新給料方式旋流器的給料壓力可比傳統(tǒng)旋流器的小，因而其能耗較小，這可能是由于給料方向改變后減少了流體轉(zhuǎn)向的能量損失和局部湍流所導(dǎo)致的。

3.1.2 數(shù)值模擬與PIV試驗(yàn)結(jié)果的比較

圖6、圖7示出了采用RSM模型模擬得到的旋流器z＝300mm截面上切向速度的預(yù)測值與PIV試驗(yàn)結(jié)果的比較，二者吻合較好，表明了FLUENT提供的RSM模型在模擬計(jì)算重介質(zhì)旋流器強(qiáng)旋流場上的可行性，通過模擬可以對設(shè)備設(shè)計(jì)、改進(jìn)起到一定的指導(dǎo)作用。

圖6 z＝300mm截面切向速度（傳統(tǒng)）

圖7 z＝300mm截面切向速度（新型）

3.2 壓力分布

旋流器內(nèi)的壓力損失主要用于為有效的離心力場提供能量，對分選過程起積極作用，同時(shí)要克服空氣柱等引起的各種能量損失。兩種給料方式旋流器在x＝0截面上的靜壓云圖如圖8、圖9所示，在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)離心力場的作用下，同一截面上壓力場的分布基本上是隨著旋流器半徑的減小而降低，靜壓在中心處出現(xiàn)最低值，在旋流器中心存在一個(gè)負(fù)壓區(qū)，即空氣柱。通過對靜壓云圖讀取數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)給料方式和新給料方式旋流器在z＝500mm截面上中心負(fù)壓區(qū)最低壓強(qiáng)分別約為－650Pa、－912Pa，新給料方式旋流器中心負(fù)壓明顯較強(qiáng)，說明其旋渦強(qiáng)度較大，給料能力也相對較大。

圖8 傳統(tǒng)給料方式旋流器x＝0截面靜壓云圖

3.3 給料方式流線圖

圖9 新給料方式旋流器x＝0截面靜壓云圖

圖10 傳統(tǒng)給料方式旋流器流線圖

圖11 新給料方式旋流器流線圖

圖10 、圖11分別給出了兩種給料方式旋流器的流線圖。對于傳統(tǒng)旋流器，由于給料方向垂直于旋流器軸向，因此物料進(jìn)入旋流器后需要在后續(xù)給料的推動下不斷地進(jìn)行轉(zhuǎn)向，故需要更長的一段筒體距離來進(jìn)行流場的調(diào)整，這無疑要消耗更多的靜壓能；而對于新給料方式旋流器，由于物料在進(jìn)入旋流器之初便存在軸向的分速度，其給料方向與流場的螺旋角度比較接近，因此可以使流體迅速地進(jìn)入螺旋狀態(tài)，也節(jié)省了部分靜壓能。

4 結(jié)論

1）重介質(zhì)旋流器流場的PIV試驗(yàn)測試和FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果較為接近，證明基于RSM模型的數(shù)值模擬方法對于重介質(zhì)旋流器流場是可行的研究手段。

2）在相同給料壓力下，新給料方式旋流器相比傳統(tǒng)給料方式旋流器，在相同橫截面處切向速度增大，中心負(fù)壓減小，這表明該給料方式可以有效降低旋流器內(nèi)的能耗，有利于增大旋流器的離心系數(shù)，提高分選效率。

[1]齊正義.旋流器選煤技術(shù)現(xiàn)狀[J].選煤技術(shù)，2006（2）：52－54.

[2]彭榮任，等.重介質(zhì)旋流器選煤理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.