入料角對重介質(zhì)旋流器流場影響的數(shù)值模擬研究＊

劉文秋 李海軍

(1.河北能源職業(yè)技術(shù)學院，河北省唐山市，063004；2.煤炭科學研究總院唐山研究院，河北省唐山市，063000)

重介質(zhì)旋流器作為目前選煤技術(shù)中應用最廣泛的分選設備，盡管已經(jīng)系列化并定型生產(chǎn)，但仍然存在旋流器的入料壓力高和磨損不均衡等問題，旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)還有進一步優(yōu)化的必要。入料管的結(jié)構(gòu)和布置方式是影響重介質(zhì)旋流器分選效果的因素之一，在試圖改變旋流器入料管結(jié)構(gòu)以降低進口湍流及轉(zhuǎn)向突變帶來的轉(zhuǎn)向損失和渦流損失等方面，相關專家進行了大量的研究，取得了一定的成效。

目前的入料形式主要有切線形和漸開線形等幾種形式。研究表明，直線切線形入料過渡突然，易導致湍流和材料的磨損；曲線形入料過渡平緩，可以有效減小紊流區(qū)域，改善分離性能，其中以漸開線形入料最為常見。

然而上述入料形式對物料引導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)給料的推動下進行轉(zhuǎn)向，這無疑要消耗一定的能量。因此，通過改變?nèi)肓辖?(即筒體中心軸線與入料管中心軸線的水平投影夾角)并配合螺旋形溢流頂板來改善對入料的導向作用，以達到降低能耗和穩(wěn)定旋流器內(nèi)部流場的目的。本文在前期PIV試驗的基礎上，在FLUENT中采用RSM模型對多個不同入料角的重介質(zhì)旋流器進行了模擬，重點分析了旋流器三維速度的變化趨勢。

1 模型的建立

在FLUENT模擬過程中所使用的有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器模型與前期PIV試驗的旋流器模型保持一致，具體結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)如下:旋流器直徑為200mm、筒體長度為630mm、入料管直徑為40 mm、溢流管直徑為80mm、溢流管插入深度為100 mm、底流管直徑為50mm、入料壓力0.03MPa，溢流頂板的螺旋角與旋流器入料角互余并緊貼入料管布置以保證入料方向與頂板走向一致。在前處理軟件GAMBIT中建立傳統(tǒng)90°入料角以及85°入料角旋流器的幾何模型如圖1和圖2所示。

圖1 90°入料角重介質(zhì)旋流器

圖2 85°入料角重介質(zhì)旋流器

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

分別距離旋流器底端取兩個徑向截面，記為z＝500mm和z＝300mm截面，對這兩個截面上的三維速度進行分析，其示意圖見圖3。

圖3 分析截面示意圖

2.1 數(shù)值模擬與PIV試驗結(jié)果的比較

采用RSM模型模擬得到的重介質(zhì)旋流器z＝300mm在不同入料角度的截面切向速度和軸向速度的預測值與PIV試驗結(jié)果的比較，見圖4-圖7。

圖4 z＝300mm截面切向速度 (90°入料角)

圖5 z＝300mm截面切向速度 (85°入料角)

由圖4、圖5、圖6和圖7可見，預測值與試驗結(jié)果吻合性較好，證明采用FLUENT提供的RSM模型在模擬計算重介質(zhì)旋流器強旋流場上的可行性，通過模擬可以對設備設計和改進起到一定的指導作用。

圖6 z＝300mm截面軸向速度 (90°入料角)

圖7 z＝300mm截面軸向速度 (85°入料角)

2.2 多個不同入料角重介質(zhì)旋流器三維速度的比較分析

在GAMBIT和FLUENT中進行具體模型的建立、網(wǎng)格的劃分、湍流模擬模型的選擇及迭代計算和結(jié)果的處理等一系列的過程，在其它參數(shù)不變的情況下，采用相同的數(shù)值模擬方法，對入料角分別為83°和87°的重介質(zhì)旋流器流場進行計算分析，并對多個不同入料角重介質(zhì)旋流器的三維速度進行綜合比較。

2.2.1 切向速度分布

在重介質(zhì)旋流器內(nèi)，流體的切向速度帶動礦粒做高速旋轉(zhuǎn)運動，在強離心力場的作用下將輕重礦物分離開來。因此，流體的切向速度直接影響礦物的分離效率 (切向速度越大，離心力場越強，分離效率也就越高)，同時切向速度的大小也反映了流體旋轉(zhuǎn)動能損失的多少，F(xiàn)LUENT模擬的不同入料角重介質(zhì)旋流器的切向速度沿徑向的分布及變化如圖8和圖9所示。

圖8 z＝500mm截面切向速度分布

圖9 z＝300mm截面切向速度分布

由圖8和圖9可見，在旋流器分選空間內(nèi)，切向速度分布曲線呈 “駝峰”形，軸對稱性較好，這表現(xiàn)了旋流器內(nèi)強旋流的特點。旋流器內(nèi)的流場具有組合渦的特點，所有最大切向速度點 (即 “駝峰”最高點)形成一分界面，該分界面基本上為圓柱面，它將旋流器內(nèi)流場分為中心準強制渦區(qū)和外部準自由渦區(qū)。從圖8和圖9中還可知，z＝500mm截面切向速度與z＝300mm截面相比較切向速度大，這是因為流體在粘性作用以及各種摩擦阻力下，切向速度會隨著能量的損失逐漸降低，到底流端達到最小值。

從不同入料角旋流器的切向速度對比來看，當入料角為83°和85°時，旋流器的切向速度明顯較大，最大切向速度達到近5m／s(z＝500mm截面)。在同一截面上，切向速度隨著入料角的減小而增大，而83°入料角旋流器相比85°入料角旋流器，其切向速度并沒有繼續(xù)增大的趨勢。在外旋流中83°與85°入料角旋流器切向速度相當，但在內(nèi)旋流外圍區(qū)域 (30～60mm)，83°入料角旋流器切向速度普遍較低。這說明旋流器的入料角在一定范圍內(nèi)減小，有利于降低能耗，使得離心作用加強；同時旋流器的入料存在一臨界角度，當入料角小于該臨界角度時，由于入料在旋流器軸向的分速度較大，從而使得流場切向速度不再繼續(xù)增大。

2.2.2 軸向速度分布

不同橫截面上軸向速度分布類似，從中心向器壁方向軸向速度隨半徑的減小而減小，約在旋流器半徑的中部位置，速度值由正變?yōu)樨?。所有軸向速度為零的點共同形成了軸向零速包絡面 (LZVV)，其內(nèi)部流體向溢流口流動形成內(nèi)旋流，而外部流體則向底流端流動形成外旋流。就軸向速度的絕對值而言，內(nèi)旋流要遠大于外旋流，不同入料角重介質(zhì)旋流器的軸向速度沿徑向的分布如圖10和圖11所示。

圖10 z＝500mm截面軸向速度分布

圖11 z＝300mm截面軸向速度分布

由圖10和圖11可見，在相同的入料壓力下，在內(nèi)螺旋上升流區(qū)域內(nèi)，尤其是空氣柱附近范圍內(nèi)，入料角的減小有利于增大流體的軸向速度，這使得空氣柱附近的流體可以從溢流口盡快排出，從而增大了旋流器的處理量；另一方面，當入料角減小后，軸向零速點距離中心較遠，這說明內(nèi)螺旋流區(qū)域增大，LZVV界面也相應外擴。由于LZVV界面上的懸浮液密度，一般等于礦物的實際分選密度，那么LZVV界面的外擴，也必然使得旋流器的實際分選密度有所提高，在入料懸浮液密度一定時，可以獲得更高的分選密度，對礦物分選起到積極作用。

2.2.3 徑向速度分布

徑向速度與其它兩維速度相比要小一個數(shù)量級，長期以來Kelsall的研究結(jié)果主導了人們的思想，通過連續(xù)性方程得出旋流器內(nèi)液流徑向速度在近壁處取得最大，趨向空氣柱時逐漸減小，在數(shù)值上與半徑成正比。而從本次數(shù)值模擬結(jié)果來看，旋流器的徑向速度從器壁趨向軸心方向逐漸增大，在溢流管管壁位置附近又急劇減小；徑向速度的方向幾乎始終由器壁指向軸心方向，僅在器壁附近有向器壁運動的趨勢，這與Kelsall的結(jié)論相左，同時有關學者通過激光測速儀器以及數(shù)值模擬方法得出的結(jié)論與本文較為一致，這說明Kelsall關于徑向速度的結(jié)論至少對于這種圓筒形有壓入料重介質(zhì)旋流器是不適合的，不同入料角重介質(zhì)旅流器的徑向速度分布圖見圖12和圖13。

圖12 z＝500mm截面徑向速度分布

由圖12和圖13可見，在相同入料壓力下，隨著旋流器入料角的減小，其徑向速度亦有增大的趨勢，尤其是在遠離空氣柱至旋流器內(nèi)壁的范圍內(nèi)。相比其它入料角，當入料角為83°時，徑向速度有較大的改變，說明此時旋流器內(nèi)部流場發(fā)生了較大的變化，結(jié)合對切向速度的比較分析可知，這種流場的變化對物料的分選是不利的。

圖13 z＝300mm截面徑向速度分布

3 結(jié)論

在相同邊界和入料壓力下，與傳統(tǒng)90°入料角重介質(zhì)旋流器相比，入料角在小范圍內(nèi)減小后旋流器的流場發(fā)生了一定的變化；相同橫截面處的切向速度增大，這可以增大離心系數(shù)，提高分選效率；內(nèi)旋流的軸向速度增大可以加快空氣柱附近流體從溢流口排出速度，減少部分流體在旋流器內(nèi)的停留時間可以增大處理量；而且入料角減小后，內(nèi)旋流區(qū)域增大，LZVV界面外擴，從而使得礦物的實際分選密度有所提高。

旋流器的入料存在一臨界角度，當入料角小于該臨界角度時，盡管降低了旋流器內(nèi)的能耗，但由于入料在旋流器軸向的分速度較大，從而使得流場切向速度不再繼續(xù)增大，旋流器的流場也發(fā)生了較大的變化，這對物料的分選是不利的。對有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器而言，由數(shù)值模擬結(jié)果推測該臨界角度在83°～85°之間。

[1]沈麗娟，趙勇，陳建中.三產(chǎn)品重介旋流器分選構(gòu)造煤的試驗研究[J].中國煤炭，2013(9)

[2]李玉星，張勁松，馮叔初等.CFD在液液水力旋流器入口結(jié)構(gòu)及尺寸優(yōu)化中的應用[J].化工機械，2002 (1)

[3]齊正義.旋流器選煤技術(shù)現(xiàn)狀[J].選煤技術(shù)，2006(2)

[4]栗超，劉文秋，李海軍.基于新入料形式的圓筒形重介質(zhì)旋流器流場的研究[J].煤炭工程，2013(4)

[5]謝廣元.選礦學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2001

[6]Kelsall D F.A study of the motion of solid particles in a hydraulic cyclone[J].Transactions of the Institution of Chemical Engineers，1952 (30)

[7]劉峰，郭秀軍.DWP重介質(zhì)旋流器流場計算流體力學數(shù)值模擬[J].選煤技術(shù)，2005(5)