碟式分離機(jī)模型轉(zhuǎn)鼓壓力場(chǎng)速度場(chǎng)數(shù)值模擬*

牛 杰，薛曉寧

(廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088)

0 引 言

碟式分離機(jī)在各行業(yè)及工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用，轉(zhuǎn)鼓是利用離心加速度和薄層分離原理，實(shí)現(xiàn)液-液、液-固和液-液-固的高效分離，離心分離性能好[1-3]。由于功能部件轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速高，碟片間隙小等結(jié)構(gòu)原因，內(nèi)流場(chǎng)非常復(fù)雜，內(nèi)流場(chǎng)參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試不論從檢測(cè)手段和可實(shí)現(xiàn)性上均存在困難，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)及其在相關(guān)流體機(jī)械上的應(yīng)用，為研究碟式分離機(jī)內(nèi)流場(chǎng)提供了有效的技術(shù)手段和借鑒。筆者以LX-460膠乳分離機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)特性。

關(guān)于碟式分離機(jī)流場(chǎng)的研究文獻(xiàn)很少，前蘇聯(lián)學(xué)者文獻(xiàn)用理論解析法描述轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)，鑒于內(nèi)流場(chǎng)的復(fù)雜性，解析描述做了大量的簡(jiǎn)化與假設(shè)[1-2]，其結(jié)論存在很大的局限性；近年，趙志國(guó)、薛曉寧等分別對(duì)油水分離機(jī)、膠乳分離機(jī)利用CFD二維模型流場(chǎng)特性了進(jìn)行了研究[4-7]，取得了階段性成果；由于轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)中存在不完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用三維模型流場(chǎng)能更好地反映流體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流動(dòng)特性，袁惠新、范鳳山采用三維模型對(duì)碟片分離區(qū)進(jìn)行了流場(chǎng)分析[8-9]，但所建模型只涉及碟片組，未見(jiàn)到包含有進(jìn)料、輕相/重相出流通道的整體轉(zhuǎn)鼓流場(chǎng)模型及說(shuō)明，而這些部分對(duì)碟片內(nèi)的流場(chǎng)特性具有直接影響。

由于膠乳分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓實(shí)際內(nèi)徑達(dá)到400 mm，碟片數(shù)近120張，模型網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算量特別巨大，甚至工作站難以勝任。因此，本研究取30張碟片按實(shí)際結(jié)構(gòu)建立三維物理模型，并將模型尺寸成比例縮小成實(shí)際轉(zhuǎn)鼓尺寸的1/4，然后應(yīng)用FLUENT軟件進(jìn)行了流場(chǎng)壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)數(shù)值模擬。

1 流體域模型建立和仿真設(shè)置

1.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

膠乳分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓如圖1，依據(jù)轉(zhuǎn)鼓實(shí)際結(jié)構(gòu)確定轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體域，在Pro-E中建立流體域物理模型，得到碟片間隙為0.5 mm、碟片數(shù)為30張的流體計(jì)算域模型如圖2所示，將該模型導(dǎo)入Workbench，在Meshing中對(duì)模型定義進(jìn)出口、壁面和網(wǎng)格尺寸，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，選擇非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3。

圖1 轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 流體計(jì)算域模型 圖3 計(jì)算域非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格1.鮮膠乳進(jìn)口 2.八個(gè)濃縮膠乳出口 3.膠清出口

1.2 流體控制方程

碟片分離機(jī)通過(guò)一系列碟片實(shí)現(xiàn)薄層分離，碟片間隙內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為層流，而在中性孔入口、碟片外邊緣等處可能存在一定的湍流，故對(duì)整體流體域計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[4，5，8]，湍動(dòng)能k和耗散率ε是兩個(gè)基本未知量，其控制方程為[10]：

Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk，σε為分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的參數(shù)；Sk和Sε為是用戶根據(jù)計(jì)算工況定義的源項(xiàng)。

1.3 分離物料特性

天然橡膠是高分子多相膠體體系，相對(duì)密度為0.96～0.98，橡膠烴(干膠含量)占25%～41%，，其余的主要為水。濃乳密度為950 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.038 48 pa·s，表面張力系數(shù)為0.034 N/m；橡膠粒子大小一般為0.02～3 μm的球形粒子[11,12]，考慮離心絮凝效應(yīng)作用，取平均粒子為5 μm[6,7]；膠清為水，設(shè)置密度為1 020 kg/m3。

1.4 邊界條件定義和流場(chǎng)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)分離物料與流場(chǎng)特性，從FLUENT軟件提供的三種多相流模型中選用混合模型(Mixture)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型。膠清除含微量細(xì)小的橡膠粒子外主要是水，因此按水處理，故直接在材料庫(kù)中選擇液態(tài)水，濃乳則按其實(shí)際的參數(shù)進(jìn)行定義；設(shè)置第一相為水，第二相為濃乳。原料膠乳中橡膠的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.33；設(shè)置入口類型為速度入口，依據(jù)計(jì)算當(dāng)量沉降面積和處理量，膠清和濃乳的入口速度均定為0.08 m/s，輕、重相出口為自由出口(outflow)，重相出口出流比為0.67，8個(gè)輕相出口出流比0.33。流體區(qū)域轉(zhuǎn)速為7 250 r/min，壁面為Moving Wall。求解控制方程采用SIMPLE方法[9-10]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 壓力場(chǎng)

圖4和圖5所示為在7 250 r/min轉(zhuǎn)速下流體區(qū)域壁面的壓力。

(1) 由模擬結(jié)果可知，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)各處的壓力隨半徑增加而增大，轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁最大半徑處壓力最大，模擬值為6.5×105Pa，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)壓力與半徑呈二次型關(guān)系，在同半徑處沿圓周方向各處具有相同的壓力，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體壓力有較明顯的分層現(xiàn)象。

(2) 在碟片大端外圍與轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁之間的空間范圍是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)重相壓力的最大區(qū)域，如圖6所示沿重相出液路徑在1、2、3、4、5位置處的重相壓力，依序分別為 6.099 、5.802 、2.901、-3.064和-0.6613 MPa(負(fù)號(hào)表示為負(fù)壓)，壓力逐漸降低；位于碟片小端及喇叭管上部外壁的輕相出液區(qū)域壓力變化不明顯；結(jié)合圖5～8可看出，喇叭管內(nèi)鮮膠乳壓力在進(jìn)料管之前基本為負(fù)壓且壓力變化不明顯，僅在底部進(jìn)料管附近壓力變大，負(fù)壓有利于原料進(jìn)入。

圖4 Y方向轉(zhuǎn)鼓壁面 圖5 Z方向轉(zhuǎn)鼓進(jìn)料區(qū)域壁 壓力云圖 面壓力云圖

圖6 X=0截面壓力云圖 圖7 Y=0截面壓力云圖

圖8 檢測(cè)線A-B上壓力變化曲線

(3) 在出口處輕相和重相液體受很大離心力作用下被甩出，因此，在出口處形成了一定的負(fù)壓，這有利于已分離液相及時(shí)排出轉(zhuǎn)鼓。

2.2 流場(chǎng)速度

流場(chǎng)速度反映了流體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀況，圖9、10為轉(zhuǎn)鼓在7 250 r/min轉(zhuǎn)速下的流場(chǎng)總速度云圖和周向速度云圖。

(1) 從圖9可看出，鮮膠乳沿喇叭管上部垂直通道以高于入口的流速垂直向下流動(dòng)，而且垂直向下范圍流速變化穩(wěn)定不變，此路段鮮膠乳是靠喇叭管內(nèi)外壓差被吸進(jìn)來(lái)的，在喇叭管下端靠近管壁處速度有所增加，在喇叭管下部區(qū)域，速度隨半徑增加逐漸加大；鮮膠乳從進(jìn)料管進(jìn)入中性孔并分流到各碟片間隙，在碟片間隙內(nèi)物料速度遵循半徑越大則速度越大，轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁處速度最大約37.9 m/s，膠清沿頂?shù)c轉(zhuǎn)鼓蓋形成的重相通道排出轉(zhuǎn)鼓的過(guò)程中速度逐漸下降；濃乳從碟片小端出來(lái)后沿喇叭管外壁向上運(yùn)動(dòng)，沿移動(dòng)路徑速度逐漸略有下降，這主要與沿程損失有關(guān)，另外在濃乳排出區(qū)域沿半徑方向速度明顯分為2個(gè)區(qū)域，靠近碟片上端速度值大，而靠近喇叭管外壁部分速度值小，分界面呈鋸齒狀波動(dòng)，初步判斷這似與輕相從碟片間隙排出時(shí)對(duì)物料速度造成擾動(dòng)有關(guān)。

圖9 總速度云圖

圖10 X=0截面周向速度云圖

(2) 從圖10可看出，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)任一點(diǎn)液體的總速度是牽連速度與相對(duì)速度的矢量之和，此處牽連速度即為周向速度V=ωR；圖10速度云圖反映的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體的周向速度分布規(guī)律與圖9總速度分布規(guī)律總體呈現(xiàn)一致性，說(shuō)明在總速度中周向速度起主導(dǎo)作用；圖10中左側(cè)最大半徑處速度值為負(fù)值，右側(cè)最大半徑處速度值為正值，絕對(duì)值相等，此即意味著，轉(zhuǎn)鼓中心線兩側(cè)對(duì)稱半徑處周向速度大小相等、方向相反，這是與實(shí)際情況相符的。

3 結(jié) 論

(1) 基于FLUENT對(duì)模型轉(zhuǎn)鼓流場(chǎng)的三維流域模型的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得到的壓力云圖和速度云圖清晰地展示了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)料區(qū)域、碟片分離區(qū)域、重相區(qū)域和輕相區(qū)域的壓力和速度分布。

(2) 分析結(jié)果表明：鮮膠乳是在喇叭管內(nèi)負(fù)壓作用下被吸入，重相、輕相在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沿出料路徑壓力逐漸遞減，在出口處又形成了一定的負(fù)壓，這有利于分離物料的順利排出。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)各處的壓力隨半徑增加而增大，最大半徑的轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁處壓力最大，最大壓力仿真值為6.5×105Pa，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)壓力與半徑呈二次型關(guān)系，在同半徑處沿圓周方向各處具有相同的壓力。

(3) 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)鮮膠乳順著喇叭管垂直向下流速穩(wěn)定，液體速度值最小，在碟片間隙內(nèi)速度遵循半徑越大則速度越大，速度最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓體內(nèi)壁處，重相、輕相沿各自出料通道排出轉(zhuǎn)鼓的過(guò)程中速度逐漸下降，在總速度中周向速度起主導(dǎo)作用。

(4)雖然鑒于轉(zhuǎn)鼓流場(chǎng)運(yùn)算量十分巨大，本研究模型尺寸僅相當(dāng)于實(shí)際轉(zhuǎn)鼓的四分之一，轉(zhuǎn)速也未達(dá)到膠乳分離要求的分離因數(shù)，但研究結(jié)果對(duì)研究膠乳離心濃縮的優(yōu)化工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考，研究方法具有借鑒價(jià)值，為進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)一步研究碟式分離機(jī)流場(chǎng)具有借鑒意義。

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