對稱雙進(jìn)口旋流器流場特征及分離性能

張悅刊 葛江波 劉培坤 楊興華 魏慶施

（1.山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號煤礦，山東 濟(jì)寧 272072）

水力旋流器作為一種占地面積小、分離效率高、經(jīng)濟(jì)高效的分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用于礦物分選、石油化工、煤炭、環(huán)保等領(lǐng)域［1-5］。隨著旋流器應(yīng)用領(lǐng)域不斷深入，對旋流器的分級效率要求不斷提高，需要進(jìn)一步優(yōu)化操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到更高的分級效率。

改善進(jìn)口結(jié)構(gòu)參數(shù)是提高旋流器分級效率行之有效的方法之一。大量研究表明：進(jìn)料口當(dāng)量直徑［6-7］、進(jìn)料口截面傾角［8-9］、進(jìn)料結(jié)構(gòu)形狀［10-11］、進(jìn)料口數(shù)量等均對旋流器內(nèi)部流場和分級效率有顯著影響。Tang Bo等［12］利用CFD軟件分析了進(jìn)料口直徑對旋流分離效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)料口當(dāng)量直徑影響流場循環(huán)流流量。張彩娥等［8］通過改變進(jìn)料口夾角大小，發(fā)現(xiàn)入口夾角為20°時，旋流器分離效率較高，但能量損耗也較大。人為改變流體軌跡，強化流場運動特性可以達(dá)到優(yōu)化分離效果的目的，相關(guān)專家和學(xué)者通過改變進(jìn)料體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化顆粒運動，強化分選效果。Duan Shuiqiang等［13］在旋流器內(nèi)添加了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)體并將其運用于油水分離，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu)有利于消除油滴破碎，并通過實驗進(jìn)行了相互驗證。Zhang Caie等［14］對比模擬分析了螺線進(jìn)料口和切向進(jìn)料口對旋流器流場和分離效率的影響，通過實驗和模擬結(jié)果驗證，發(fā)現(xiàn)減小螺線曲率可以實現(xiàn)流場切向速度的增加和流體湍流動能的降低。Li Ji等［15］利用CFD軟件對比分析螺旋線、漸近線進(jìn)料口旋流器對分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋進(jìn)料口旋流器分離微細(xì)顆粒比漸近線旋流器效果好，可以抑制溢流跑粗問題。但進(jìn)口結(jié)構(gòu)復(fù)雜化不利于相關(guān)旋流器的工程應(yīng)用，部分研究人員通過增加切向進(jìn)口數(shù)量優(yōu)化旋流器結(jié)構(gòu)，以達(dá)到預(yù)計分離效率。Romanus KTN［16］進(jìn)行了單、雙進(jìn)口旋流器分離泥漿實驗，實驗結(jié)果表明：相比于單進(jìn)口旋流器，雙進(jìn)料口旋流器對不同粒度泥漿的分級效率更高。David Winfield等［17］通過單進(jìn)口、三進(jìn)口旋流器對高爐廢棄顆粒回收分析研究發(fā)現(xiàn)，采用3個切向進(jìn)口旋流器對穩(wěn)定空氣柱流場、減少能量損耗有重要作用；王軍等［18］將雙進(jìn)口切向旋流器應(yīng)用于油水分離，通過CFD軟件模擬發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)在犧牲能耗基礎(chǔ)上可以強化油水分離效果。

為了進(jìn)一步探明雙進(jìn)口旋流器流場特征及分離性能，本文擬采用數(shù)值模擬方法，對單、雙進(jìn)口結(jié)構(gòu)旋流器速度場、壓力場及分級效率進(jìn)行對比研究，以期為工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 模型構(gòu)建

1.1 結(jié)構(gòu)模型與網(wǎng)格劃分

單進(jìn)口旋流器為75 mm旋流器，雙進(jìn)口旋流器在75 mm單進(jìn)口旋流器基礎(chǔ)上，將單進(jìn)口旋流器進(jìn)料口橫截面積減半，增加對稱進(jìn)料口。結(jié)構(gòu)示意圖和參數(shù)表分別如圖1、表1所示。

通過ICEM19.0軟件對旋流器流體腔進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元塊采用正六面體結(jié)構(gòu)，并對溢流管和底流口處進(jìn)行加密處理。為確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和高效性，對旋流器進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗后，確定單進(jìn)口結(jié)構(gòu)旋流器網(wǎng)格數(shù)為113 795個、對稱雙進(jìn)口結(jié)構(gòu)旋流器網(wǎng)格數(shù)為115 717個，圖2為兩種旋流器網(wǎng)格劃分圖。

1.2 數(shù)學(xué)模型

固液分離旋流器分離流場內(nèi)包含有空氣、水和固體顆粒，使用Fluent軟件中不同的模型可以實現(xiàn)不同相的追蹤捕捉［19-21］。RSM湍流模型綜合了流體流動的各向湍流異性，可以高效預(yù)測流場運動速度，其輸運方程如公式（1）所示；瞬態(tài)VOF模型通過連續(xù)性方程（2）求解水相容積比率可以成功抓取氣液交界面，進(jìn)而捕捉到整個空氣柱壁；Mixture模型通過動量方程來預(yù)測各相運動情況，其混合相動量方程如公式（3）所示。

式中，t是時間，ρ是流體密度，是二維雷諾應(yīng)力，是速度脈動分量，Dij為擴(kuò)散項，?ij為壓力應(yīng)變項，Gij為產(chǎn)生項，εij為耗散項，xk表示位置長度。

式中，aq是流體單元內(nèi)單一相流體容積含量，V是該相流體速度。

式中，ρm是混合相密度，Vm是混合相速度，P是流體壓力，μm是混合相粘度系數(shù)，g是重力加速度，n是相數(shù)，αkρk是單一相粘度，vdr,k是第k相固體顆粒漂移速度，是顆粒所受體積力。

1.3 模擬參數(shù)設(shè)置

通過Fluent19.0軟件進(jìn)行兩種旋流器數(shù)值模擬計算。分別采用VOF模型、Mixture模型進(jìn)行清水模擬和混合相模擬。VOF模型中主相為水，次相為空氣，其中空氣相回流系數(shù)為1，采用瞬態(tài)方法模擬，時間步長為10-4。采用Mixture模型進(jìn)行顆?；旌舷嗄M，混合相共6相，主相為水，其余相均為不同粒徑的CaCO3顆粒，顆粒具體參數(shù)如表2所示。湍流模型均為RSM雷諾應(yīng)力模型，入口邊界條件均為速度入口，出口條件均為壓力出口。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，離散格式為PRESTO，其他采用QUICK格式。其中，清水入口速度設(shè)置為2.58 m/s，混合相模擬入口速度為7.5 m/s。文獻(xiàn)［12］已驗證了本文模擬方法的正確性，本文不再論述。

2 結(jié)果對比分析

數(shù)值模擬計算模型和求解方案的合理性和可靠性已在文獻(xiàn)［22-24］中得到了驗證。

分別取兩旋流器柱段（z=90）、錐段（z=150）處為特征分析截面，如圖3所示。通過不同截面位置的流場特性和分級特性，對比研究單、雙進(jìn)口旋流器性能差異。

2.1 壓力分布

空氣柱形成標(biāo)志著旋流場的穩(wěn)定。圖4顯示了兩種旋流器流場靜壓云圖，中心深色貫通負(fù)壓區(qū)域為空氣柱。

從圖4可以看出，相比于單進(jìn)口旋流器的空氣柱，雙進(jìn)口旋流器產(chǎn)生的空氣柱對稱性更強，空氣柱受流場湍流影響更小，表明對稱進(jìn)料可以抑制空氣柱偏移，有益于流場穩(wěn)定。

圖5為旋流器不同截面處靜壓分布曲線，旋流器內(nèi)靜壓呈對稱形狀，隨徑向半徑減小而降低，在中心處產(chǎn)生負(fù)壓。

從圖5可以看出，在z=90 mm和z=150 mm兩個截面處，對稱雙進(jìn)口旋流器壓力梯度明顯大于單進(jìn)口旋流器，在器壁處兩種結(jié)構(gòu)壓力差達(dá)0.018 MPa，這是因為雙進(jìn)口旋流器進(jìn)口截面寬度較窄。因此，在入料壓力不變的情況下，流體進(jìn)入對稱雙進(jìn)口旋流器分離腔的壓力比單進(jìn)口結(jié)構(gòu)大，表明對稱雙進(jìn)口旋流器較單進(jìn)口旋流器的分離能力更強，有利于分級效率和分級精度的提高。

2.2 切向速度

切向速度影響固體顆粒從內(nèi)旋流向外旋流移動的能力，是影響分離效果的重要因素。圖6是旋流器對應(yīng)截面切向速度分布圖。

從圖6可以看出：切向速度分布曲線均成“M”型分布；切向速度從壁面向軸心逐漸增大，在半自由渦與強制渦交界處達(dá)到極值；強制渦內(nèi)，隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小切向速度逐漸降低。相比于單進(jìn)口型旋流器，對稱雙進(jìn)口旋流器流場內(nèi)切向速度最大值提高了16.9%，強化了流場分離特性。

圖7為單、雙進(jìn)口旋流器柱段截面渦流跡線圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，與單進(jìn)口旋流器渦流跡線對比，對稱雙進(jìn)口旋流器渦流疊加耦合十分明顯，這種流型疊加可以有效增強顆粒離心能力，強化分離效果。

2.3 軸向速度

圖8為單、雙進(jìn)口旋流器柱段截面軸向速度分布圖。

從圖8可以看到：存在外側(cè)速度小于0的區(qū)域為外旋流區(qū)域，內(nèi)側(cè)速度大于0的區(qū)域為內(nèi)旋流區(qū)域；雙進(jìn)口旋流器比單進(jìn)口旋流器的軸向速度大，軸向速度大有利于顆粒的快速排出，提高生產(chǎn)效率。

圖9為單、雙進(jìn)口旋流器零軸速包絡(luò)面圖。

從圖9可以看出，對稱雙進(jìn)口旋流器零速包絡(luò)面非常規(guī)則，呈軸對稱分布，且空氣柱非常穩(wěn)定；而單進(jìn)口旋流器的零速包絡(luò)面雜亂無章，且空氣柱波動非常大，這進(jìn)一步表明對稱雙進(jìn)口旋流器在流場穩(wěn)定性和分離特性方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)單進(jìn)口旋流器。

2.4 徑向速度

徑向速度是3個速度方向中數(shù)值最小，也是變化最復(fù)雜的。圖10為旋流器不同截面徑向速度分布情況。

由圖10可以看出：傳統(tǒng)旋流器徑向速度由器壁向旋流中心逐漸增加，達(dá)到極值后迅速下降，在軸心處徑向速度方向出現(xiàn)突變；而雙進(jìn)口旋流器徑向速度接近于0，從旋流器器壁到軸心處變化非常平緩，速度突變現(xiàn)象明顯較小。因此，對稱雙進(jìn)口結(jié)構(gòu)有利于流場的穩(wěn)定，但過小的徑向速度會導(dǎo)致顆粒沉降速度慢，不利于分級效率和分級精度的提升。

2.5 流場流線軌跡與湍動能

循環(huán)流的存在加大了能量消耗，短路流會降低旋流分級效率和分級精度，因此抑制短路流和循環(huán)流對旋流分離有重要意義。圖11是旋流器柱段流場流線圖，相比傳統(tǒng)旋流器，雙進(jìn)口旋流器循環(huán)流、短路流均成對稱分布，且循環(huán)流區(qū)域明顯減少，這有利于減少循環(huán)流流量和強化流場穩(wěn)定性；但雙進(jìn)口流場短路流流量較傳統(tǒng)旋流器略有增加，會增加溢流的錯配率，降低溢流精度。

圖12是流場湍動能分布曲線圖，兩種旋流器湍動能總體變化趨勢類似，湍動能在旋流器壁處最小，在中心處達(dá)到最大值。但與傳統(tǒng)旋流器相比，對稱雙進(jìn)口旋流器錐段軸心處的湍動能明顯要大，而錐段是旋流器的主要分離區(qū)域，湍動能的增大，有利于流場分離。

2.6 分離效率

入口速度為7.5 m/s時，兩種結(jié)構(gòu)旋流器分級效率如圖13、表3所示。相比于傳統(tǒng)單進(jìn)口旋流器，對稱雙進(jìn)口旋流器溢流微細(xì)顆粒明顯增加，其中粒徑為10 μm的顆粒，分級效率增加了4.82個百分點、15 μm粒徑顆粒分級效率增加了11.34個百分點。

3 結(jié)論

（1）相比于單進(jìn)口旋流器，對稱雙進(jìn)口旋流器流場發(fā)生明顯改變，在雙進(jìn)料體耦合疊加影響下，切向速度增加了16.90%，有效強化了離心力場。

（2）對稱雙進(jìn)口旋流器流場更加均勻，軸向速度形成的零速包絡(luò)面更加規(guī)則，表明了對稱雙進(jìn)口結(jié)構(gòu)有利于旋流器流場的穩(wěn)定，為顆粒遷移運動提供了有利條件，進(jìn)而有利于顆粒的分級。

（3）對稱雙進(jìn)口旋流器可以有效減少循環(huán)流量，有利于提升分級效率。與傳統(tǒng)旋流器相比，對稱雙進(jìn)口旋流器10 μm粒徑顆粒溢流分級效率提高了4.82個百分點、15 μm粒徑顆粒溢流分級效率提高了11.34個百分點。