大型礦漿攪拌槽不同擋板結(jié)構(gòu)對礦漿云密度的影響

劉利寶，趙 晶，王世杰(沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

大型礦漿攪拌槽不同擋板結(jié)構(gòu)對礦漿云密度的影響

劉利寶，趙 晶，王世杰
(沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

以遼寧某公司在建的φ16 m攪拌槽為研究對象，采用CFD中k-ε湍流模型和多重參考坐標(biāo)系法(MRF)，對攪拌槽內(nèi)的多相流場進行了數(shù)值模擬分析，并研究了擋板不同形狀結(jié)構(gòu)、安裝方式對攪拌效果的影響。結(jié)果表明，前傾直擋板比標(biāo)準(zhǔn)直擋板結(jié)構(gòu)對多相流攪拌更有利；采用前傾直擋板結(jié)構(gòu)攪拌后的理想混合區(qū)(濃度58%～62%)比例最高，當(dāng)其前傾角為45°時理想混合區(qū)比例高達到88.48%，達到最優(yōu)攪拌效果。

大型礦漿攪拌槽；擋板結(jié)構(gòu)；濃度分布；云密度

礦漿攪拌槽是浮選工藝必要的調(diào)漿攪拌設(shè)備。大型浮選機的成功研制及工業(yè)應(yīng)用，推進了調(diào)漿攪拌槽的大型化[1]，其攪拌效果的好壞除與攪拌葉輪密切相關(guān)外還與流體介質(zhì)的種類、攪拌槽及附件擋板等有關(guān)[2]。擋板系數(shù)、形狀結(jié)構(gòu)、安裝方式的不同均會影響內(nèi)部流場，從而影響礦漿濃度[3]。近年來，CFD軟件的快速發(fā)展給準(zhǔn)確模擬流體機械內(nèi)部流場提供了很大方便。國內(nèi)外關(guān)于攪拌槽擋板對流場分布的研究取得諸多成果，李鵬等[4]分析了攪拌槳所受壓力以及攪拌介質(zhì)在攪拌槽中停留時間，指出擋板結(jié)構(gòu)能有效改善攪拌效果。房關(guān)考等[5]基于SC/Tetra方法對攪拌槽擋板數(shù)目進行優(yōu)化，得出擋板數(shù)目愈多，湍動能的變化愈復(fù)雜，進而內(nèi)部攪拌效果愈好，但實際工程中擋板數(shù)目取4片或6片為宜。佟立軍[6]研究了通過改變擋板截面結(jié)構(gòu)以改善葉輪的動力特性，提高攪拌體系的混合效率。蔣展志等[7]對底部不同結(jié)構(gòu)尺寸對數(shù)螺線擋板的攪拌釜內(nèi)流場特性進行了數(shù)值模擬。MH Vakili等[8]研究了擋板寬度對湍流流場的影響。FL Yang等[9]研究了具有非標(biāo)準(zhǔn)擋板攪拌槽內(nèi)的流場，表明擋板布置方式對整個流場的影響不大，但它會改變?nèi)~輪的流量方向，功耗隨擋板不對稱度增大而增加。Q Liu等[10]研究了全擋板條件下不同導(dǎo)流擋板對攪拌槽內(nèi)流場的影響，表明擋板可以有效地消除渦流，增強湍流效應(yīng)和混合特性，全擋板條件下的4個擋板安裝方式攪拌效果最好。

雖然目前擋板系數(shù)對攪拌效果影響的研究較多，但對擋板形狀結(jié)構(gòu)、安裝方式的研究較少。豎直擋板攪拌槽已作為一種經(jīng)典的攪拌設(shè)備[11]，而對傾斜擋板等特殊擋板結(jié)構(gòu)研究相對較少。本文利用CFD有限元計算方法中的多重參考坐標(biāo)系法(MRF)對攪拌槽內(nèi)的流場進行模擬，從擋板形狀結(jié)構(gòu)、安裝方式2個因素對攪拌槽內(nèi)的多相流流場進行分析，以提高葉輪的剪切性能，避免攪拌渦流，促進礦漿顆粒充分混合，以改善流場分布。

1 兩相流模型與計算方法

基于歐拉兩相流理論建立攪拌槽內(nèi)流體的數(shù)學(xué)模型，歐拉模型的特點是把彌散相和連續(xù)流體相看作是連續(xù)介質(zhì)[12]，把分散相當(dāng)做擬流體,兩相在空間共存和相互滲透,兩相都在歐拉坐標(biāo)系下加以描述。攪拌槽內(nèi)部的歐拉兩相流模型采用多重參考坐標(biāo)系法(MRF)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，旋轉(zhuǎn)域為攪拌槽的葉輪及葉輪附近區(qū)域；在靜止坐標(biāo)系中，靜止域為旋轉(zhuǎn)域以外的其它區(qū)域，兩個參考系之間通過交界面進行速度和濃度等相關(guān)參數(shù)的轉(zhuǎn)換與匹配，使得計算簡化。

攪拌槽內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的流體運動也是湍流，湍流流動是隨時間和空間呈現(xiàn)出不規(guī)則的脈動，由許多大小不同的旋渦組成的。常用湍流模型包括：單方程模型、雙方程模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化群k-ε模型、可實現(xiàn)k-ε模型)及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬[13]。本文模擬過程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其方程為見(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍流產(chǎn)生率；Ut為湍動黏度；C1=1.44，C2=1.92，σk=1.0，σ1=1.3,為經(jīng)驗常數(shù)[14-15]。

2 大型攪拌槽模型

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1 攪拌槽結(jié)構(gòu)示意圖

本文選用大型攪拌槽結(jié)構(gòu)尺寸來自遼寧弓長嶺區(qū)某礦業(yè)公司的在建攪拌槽，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)尺寸為：①整體槽體為圓柱形，直徑T為φ16 m，高度H為16 m；②葉輪為六斜葉開啟渦輪式葉輪，葉輪圓盤直徑D為φ6.50 m，寬度b為1.20 m，安裝高度距離槽底C為3.00 m；③葉片規(guī)格長×寬×高為3.50 m×1.20 m×0.15 m；④轉(zhuǎn)軸直徑d為φ0.60 m。

2.2 擋板形狀結(jié)構(gòu)

攪拌槽選用3種不同的形狀結(jié)構(gòu)擋板，尺寸均相同，長×寬×高為16 m×1.60 m×0.24 m，均在槽壁圓周放置4塊。如圖2所示，其中圖2(a)俯視圖為標(biāo)準(zhǔn)直擋板；圖2(b)俯視圖為與壁面法線成40°夾角的前傾直擋板；圖2(c)俯視圖為擋板高線與葉輪軸線成9°夾角的前傾螺旋擋板，見圖2(d)。

圖2 3種擋板形狀結(jié)構(gòu)

3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.1 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分主要分為兩大類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。當(dāng)計算區(qū)域比較復(fù)雜時，宜采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，它的節(jié)點編號命名是無規(guī)則的，甚至是完全隨意的，并且每一個節(jié)點的鄰點個數(shù)也不相同，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對于網(wǎng)格的自動生成、自適應(yīng)處理及平行計算的實施帶來不少方便[16]。故攪拌槽的網(wǎng)格劃分采用不同尺寸非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法：槳葉區(qū)(即旋轉(zhuǎn)區(qū))結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為提高網(wǎng)格質(zhì)量和計算的精確性，采用局部加密方法設(shè)定較細密的六面體網(wǎng)格；槽內(nèi)其它區(qū)域(即靜止區(qū)域)采用尺寸稍大的六面體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖3所示，靜止區(qū)域節(jié)點數(shù)197 535個，網(wǎng)格單元數(shù)為230 955個；如圖4所示，旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格節(jié)點數(shù)54 677個，單元數(shù)為71 179個。

圖3 靜止區(qū)網(wǎng)格劃分

圖4 六斜葉開啟渦輪式葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

通過給定合理的邊界條件，才能模擬出準(zhǔn)確流場得以計算求解，故設(shè)置邊界條件為：將旋轉(zhuǎn)區(qū)域(fluid-move)內(nèi)的流體設(shè)定與攪拌槳相同轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，靜止區(qū)域(fluid-static)內(nèi)的流體通過旋轉(zhuǎn)域和靜止域分界面的數(shù)據(jù)傳遞隨著旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；攪拌槽的進口選擇為速度進口，出口選擇為壓力出口；擋板外表面和攪拌槽壁面定義為靜止壁面邊界條件(stationary wall)；攪拌軸和攪拌葉輪表面定義為動壁面邊界條件(moving wall)，其中攪拌軸處于靜止流體區(qū)域內(nèi)，相對于區(qū)域內(nèi)流體是運動的；攪拌葉輪處于旋轉(zhuǎn)區(qū)域，和周圍的流體以相同轉(zhuǎn)速繞y軸轉(zhuǎn)動，因此相對于區(qū)域內(nèi)流體是靜止的；攪拌槽的頂層液面運動幅度小可視為自由液面，定義為對稱邊界條件(symmetry)，從而忽略其對整個攪拌過程的影響；槽內(nèi)旋轉(zhuǎn)區(qū)與靜止區(qū)域的分界面，定義為內(nèi)部界面(interior)，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞與轉(zhuǎn)換。

4 多相流流場的分布

攪拌槽的工作介質(zhì)為鐵礦礦漿，礦漿的濃度為60.0%，密度為5 000 kg/m3，黏度為0.002 04 kg·s/m2，取現(xiàn)場物料進行顆粒直徑分析得出平均粒度為50 nm?，F(xiàn)以轉(zhuǎn)速35 r/min為例，選取X軸截面對攪拌槽內(nèi)流場進行分析。

圖5為前傾直擋板攪拌槽在X=0截面壓力勻圖，與其它兩種擋板壓力分布規(guī)律一致。圖6為3種擋板結(jié)構(gòu)在X=0截面速度矢量圖?？芍跀嚢柽^程中，葉輪上方形成的負壓區(qū)迫使周圍漿液產(chǎn)生下壓流，與六斜葉渦輪槳產(chǎn)生的上壓流共同使流體形成兩個旋轉(zhuǎn)相反的渦流，從而使攪拌槽的底部也會形成一個渦流，流體環(huán)流到攪拌槽上半部分因勢能增大動能減小，故流動緩慢。葉輪下方形成兩個渦流區(qū)，不參與主循環(huán)，流速較小，漿液易形成沉降。圖6(a)中因標(biāo)準(zhǔn)直擋板與流體垂直碰撞損失能量，使環(huán)流到達頂部時流場分散紊亂，能夠形成整體循環(huán)但不明顯，攪拌效果一般；圖6(b)中由于擋板結(jié)構(gòu)傾斜，有效避免了擋板與流體直接迎合碰撞，導(dǎo)致主循環(huán)渦流更明顯，使礦漿攪拌整體混合更均勻，二次循環(huán)區(qū)域少，能量損耗小，攪拌效果最好；圖6(c)中因前傾螺旋擋板結(jié)構(gòu)向上傾斜，迎合流體使其順勢向上匯聚，導(dǎo)致流體在上部產(chǎn)生線性集中現(xiàn)象，上部分混合紊亂，不能形成主循環(huán)，槽體下部混合效果同前傾直擋板，故前傾螺旋擋板攪拌效果欠佳。

圖7為3種擋板結(jié)構(gòu)在Y=3.6 m截面的速度勻圖，可知3種流場均是對稱分布，最大速度均出現(xiàn)在葉片邊緣，葉輪附近的流動比較劇烈，由于擋板的作用使葉輪周圍都形成一個等值速度環(huán)流。圖7(a)中標(biāo)準(zhǔn)直擋板流場紊亂，最大速度為14 m/s，高于其他兩種擋板結(jié)果(11.9 m/s)，攪拌效果不好；圖7(b)中前傾直擋板因存在傾角提高了葉輪的剪切性能，使速度分布均勻，在3～5 m/s的區(qū)域最大，流場穩(wěn)定，攪拌效果最好；圖7(c)中前傾螺旋擋板周圍速度分布不均，其他區(qū)域攪拌效果與前傾直擋板基本一致，攪拌效果僅次于前傾直擋板。

由分析可知，前傾直擋板攪拌效果最好；其他兩種擋板欠佳，各有缺陷，標(biāo)準(zhǔn)直擋板在葉輪附近流場紊亂，前傾螺旋擋板在攪拌槽上部分流場分布不均。

圖5 前傾直擋板攪拌槽在X=0截面壓力勻圖(單位：Pa)

圖6 3種擋板結(jié)構(gòu)在X=0截面速度矢量圖(單位：m/s)

圖7 3種擋板結(jié)構(gòu)在Y=3.6 m截面速度勻圖(單位：m/s)

5 擋板結(jié)構(gòu)對礦漿濃度分布的影響

5.1 擋板形狀結(jié)構(gòu)對礦漿濃度分布的影響

仍以轉(zhuǎn)速35 r/min為例，選取相同體積濃度區(qū)間30%～64%以便比較。如圖8所示，直擋板葉輪下方存在高濃度區(qū)，兩種傾斜擋板底部只存在少許沉淀，直擋板和前傾螺旋擋板葉輪軸周圍均有少許高濃度區(qū)域，前傾螺旋擋板較為明顯，這與其擋板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致環(huán)流在負壓區(qū)產(chǎn)生的集中效應(yīng)有關(guān)。由于流體在槽體上方流速小，流場分布相對紊亂，故槽頂均存在少量懸浮漿液和低濃度區(qū)。

為得到多相流流體中固相體積濃度的分布，現(xiàn)對3種擋板結(jié)構(gòu)的攪拌槽在常規(guī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)選取25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min進行流場模擬分析，分別將X軸截面的16 892組離散數(shù)據(jù)導(dǎo)出。以2%的浮動范圍擬定礦漿濃度在區(qū)間58%～62%內(nèi)為理想礦漿濃度，用理想礦漿區(qū)體積占總體流體區(qū)的百分比檢驗3種擋板攪拌效果。如圖9所示，得知前傾直擋板理想濃度區(qū)體積百分比最高，主要分布在85%左右，受速度的影響不大，攪拌最均勻，更符合復(fù)雜工況的需求；前傾螺旋擋板因擋板結(jié)構(gòu)向上傾斜促進了流體的主循環(huán)，使理想濃度區(qū)受速度的影響較大，攪拌效果次之；直擋板攪拌效果較差，在50 r/min的高轉(zhuǎn)速時理想礦漿濃度區(qū)的百分比僅為74.41%，但3種攪拌結(jié)果均在74%～85%之間。上述分析可知，在25～50 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，前傾直擋板結(jié)構(gòu)攪拌效果最好；3種擋板理想濃度區(qū)百分比隨著轉(zhuǎn)速的增高均有小幅度降低，有待擴大轉(zhuǎn)速區(qū)間，進一步研究。

圖8 3種擋板結(jié)構(gòu)的礦漿濃度分布圖

圖9 3種擋板結(jié)構(gòu)的理想礦漿濃度區(qū)(58%～62%)分布圖

5.2 擋板安裝方式對礦漿濃度分布的影響

將前傾直擋板的傾角分別設(shè)置為：25°、30°、35°、40°、45°、50°，其他條件不變，得出攪拌流場的模擬結(jié)果。如圖10和圖11所示，可知理想礦漿濃度區(qū)(58%～62%)的比例隨擋板傾角增大先增高后降低，在25～35°傾角時礦漿濃度變化不明顯，在傾角為40°時槽頂部低濃度區(qū)擴大，底部高濃度區(qū)減少，在傾角為45°時底部高濃度區(qū)最少，頂部低濃度區(qū)開始收縮，理想礦漿濃度區(qū)比例高達到88.48%。故該擋板在傾角為45°時攪拌效果最好。

圖10 前傾直擋板不同傾角的礦漿濃度分布圖

圖11 前傾直擋板不同傾角的理想礦漿濃度區(qū)(58%～62%)分布圖

6 結(jié) 論

通過考察大型礦漿攪拌槽多種擋板結(jié)構(gòu)對礦漿勻密度的影響，表明在礦漿濃度、擋板尺寸和葉輪結(jié)構(gòu)相同的條件下，相對壁面傾斜角度為45°的前傾直擋板礦漿攪拌效果最好。

1)從多相流場的分布來看，前傾直擋板(b)結(jié)構(gòu)最優(yōu)。前傾直擋板使礦漿攪拌主循環(huán)渦流更明顯，礦漿循環(huán)范圍更大，能使礦漿攪拌整體混合更均勻；攪拌二次循環(huán)區(qū)域小，能量損耗小，攪拌效果最好。

2)從擋板結(jié)構(gòu)對礦漿濃度分布的影響來看，前傾直擋板結(jié)構(gòu)最優(yōu)。前傾直擋板攪拌所得的理想礦漿濃度處在58%～62%區(qū)間的百分比最高，攪拌效果受速度的影響不大，攪拌最均勻，更符合復(fù)雜工況的需求。

3)從擋板傾斜角度對礦漿濃度分布的影響來看，在傾角為45°時攪拌槽底部高濃度區(qū)和頂部低濃度區(qū)最少，理想礦漿濃度區(qū)百分比高達到88.48%，攪拌效果最好。

綜上所述，在礦漿濃度、擋板尺寸和葉輪結(jié)構(gòu)相同的條件下，相對壁面傾斜角度為45°的前傾直擋板礦漿攪拌效果最好。

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Influence of different baffle structures on pulp cloud density in a large pulp stirred tank

LIU Libao，ZHAO Jing，WANG Shijie

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to study the construction of φ16 m stirring tank under construction by a mining company in Liaoning province, the multiphase flow field in the stirred tank was numerically simulated and analyzed by usingk-εturbulence model and multiple reference coordinate system (MRF) in CFD software. The effects of different shapes and installation modes of the baffles on the stirring performance were studied. The results show that the forward baffle is more beneficial to the multiphase flow mixing than the straight baffle structure, and the ideal mixed zone (58%～62%) is the highest when the forward baffle is used. When the angle of inclination is 45°, the proportion of the ideal mixing zone reaches 88.48%, and the optimal stirring effect is achieved.

large slurry stirred tank; baffle plate construction; concentration distribution; cloud density

2016-11-06 責(zé)任編輯：趙奎濤

劉利寶(1991-)，男，河北省邢臺人，碩士研究生，主要從事大型礦漿攪拌槽方面的研究工作，E-mail：921168467@qq.com。

TF351.5；TQ027.2；TD456

A

1004-4051(2017)06-0131-06