具有溢流帽結(jié)構(gòu)的旋流器流場特征及分離性能研究

（山東科技大學(xué)，山東青島 266590）

0 引言

水力旋流器主要是依靠內(nèi)部流體高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力分離出具有粒度、密度差的混合物［1］。但在實際生產(chǎn)過程中，一部分礦漿進入旋流器后先環(huán)繞蓋下表面向內(nèi)運動，再沿溢流管方向向下運動，到溢流管周圍直接通過溢流管排出，即短路流，該部分流體未參與分離，直接影響旋流器分離效果［2-3］。

為了減少溢流跑粗，提高分離性能，許多國內(nèi)外學(xué)者對旋流器溢流管結(jié)構(gòu)進行了改進。劉培坤等［4］針對溢流跑粗，研發(fā)一種弧形溢流管旋流器，這種弧形溢流管結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)部分短路流重新參與分離，改善了溢流跑粗。徐冬林等［5］研究溢流管直徑對短路流和空氣柱的影響，發(fā)現(xiàn)溢流管直徑越大，短路流流量越大，空氣柱直徑越大，分離效果降低。樊玉光等［6］提出了W式溢流管水力旋流器，發(fā)現(xiàn)分離效率受不同傾斜角度的干擾，使用W式溢流管旋流器后分離效率有所提高，W式溢流管結(jié)構(gòu)能有效減小溢流跑粗。劉琳等［7］針對短路流和分離效率低等問題，研發(fā)一種溢流循環(huán)水力旋流器，并進行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，溢流循環(huán)結(jié)構(gòu)可以改善短路流和循環(huán)流現(xiàn)象，使分離效率得到提高。Hwang等［8］提出一種在溢流底部增加圓錐的溢流管旋流器來抑制短路流，通過模擬表明對于-10 μm顆粒，倒錐形溢流管比直筒溢流管分離效率高出10%。Vakamalla等［9］改進了錐角溢流管，改進后切向速度提高，分離時間充足，分離精度提升。上述對于溢流管的研究，雖在一定程度上提高分離性能，改善溢流跑粗，但同時存在一些缺陷，不能徹底解決問題。

為了充分證明溢流帽結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以有效改善短路流，提高分離效率，基于數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的手段對溢流帽式旋流器分離性能進行了深入研究和探索。

1 溢流帽式旋流器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

旋流器內(nèi)部流場復(fù)雜，針對短路流導(dǎo)致溢流跑粗，降低分離效率的問題，本文設(shè)計一種溢流帽式旋流器，在普通旋流器的溢流管頂部增設(shè)一溢流帽，圖1為溢流帽式旋流器結(jié)構(gòu)示意，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

由于溢流帽的存在阻礙了從溢流口進入旋流器內(nèi)部的空氣強度，可以起到減小旋流器內(nèi)空氣柱直徑的作用，從而增大有效分離空間，降低能耗，提高旋流器分離性能［10-12］。

圖1 溢流帽式旋流器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of over flow cap type hydrocyclone

2 數(shù)值模擬研究

2.1 網(wǎng)格劃分

為對比研究普通旋流器和溢流帽式旋流器的流場特性，采用SolidWorks軟件建立2種旋流器流場區(qū)域三維模型，建模時旋流器底流口中心與坐標(biāo)原點重合，旋流器軸線沿Z軸正方向，其具體參數(shù)與表1一致，將其導(dǎo)入ICEM CFD軟件進行四面體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Divide of meshing

2.2 邊界條件設(shè)置

將四面體網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent進行模擬計算，多相流模型采用Mixture模型，主相設(shè)置為液體相水，次相為固體相石英砂，石英砂粒徑見表2。進料口設(shè)置為速度入口，速度值為5.26 m/s，溢流口和底流口邊界均設(shè)置為壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。湍流模型為RSM模型，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，選擇壓力和速度耦合SIMPLE算法求解控制參數(shù)，壓力離散格式為PRESTO，動量離散格式選用QUICK格式。

表2 顆粒粒徑分布Tab.2 Particle size distribution

2.3 結(jié)果分析

為分析溢流帽式旋流器內(nèi)壓力和速度矢量變化，選取溢流管下端面Z=261 mm和柱段主分離區(qū)Z=231 mm處進行研究，具體位置見圖1，根據(jù)兩截面的模擬結(jié)果分析兩種旋流器內(nèi)流場規(guī)律。

2.3.1 壓力分布與壓力降對比

圖3示出2種旋流器壓力分布對比。

圖3 溢流管下端面壓力分布對比Pig.3 Comparison of pressure distribution on the lower end of the over flow pipe

由圖可知，溢流帽式旋流器內(nèi)部壓力高于普通旋流器，沿徑向由外向內(nèi)壓差逐漸減小，徑向壓力降較大，壓力梯度變化明顯，分離過程能量的利用效率高。壓力在旋流器壁面處壓力值最大，隨徑向位置向內(nèi)，壓力值在強制渦某一點之后降為負值，所以在旋流器軸心附近出現(xiàn)空氣柱，且就徑向位置而言，溢流帽式旋流器內(nèi)負壓區(qū)明顯窄于普通旋流器。由于空氣柱是外界氣體通過溢流口和底流口進入中心負壓區(qū)而形成的，由此可以判斷，采用溢流帽后，旋流器內(nèi)的空氣柱直徑減小，有利于增大有效分離空間，提高分離效率。在溢流管下端面體現(xiàn)了這一特點。此外，溢流帽式旋流器負壓區(qū)壓力值絕對值小，旋轉(zhuǎn)流強度弱，能量損失相對較少，有利于降低能耗。

圖4示出2種旋流器壓力降對比，壓力降是進料口與溢流口之間的壓力差，旋流器的分離過程是依靠壓力的損失來獲取能量的。兩種旋流器壓力降分別為67 911，53 642 Pa，溢流帽式旋流器壓力降相比于普通旋流器降低了21%。這說明空氣柱直徑的減小，導(dǎo)致了旋流器能耗降低，分離效率提高。

圖4 壓力降對比Pig.4 Comparison of pressure drop

2.3.2 切向速度對比

圖 5（a）（b）分別示出截面高度 Z=231 mm、Z=261 mm處的切向速度對比結(jié)果。

圖5 不同截面的切向速度分布Fig.5 Comparison of tangential velocity of different sections

從圖5可以看出，不同截面的切向速度分布趨勢基本是一致的，由壁面向軸心沿著半徑的減小先增大到最大值再減小，符合組合渦分布規(guī)律，最大切向速度出現(xiàn)在強制渦和自由渦的交界處。溢流帽式旋流器的切向速度大于普通旋流器的切向速度，Z=231 mm處溢流帽式旋流器和普通旋流器最大切向速度分別為8.67 m/s和7.36 m/s，前者的最大切向速度提升了17.80%，說明溢流帽的存在能提升流體的切向速度，增加了速度變化的梯度，離心力場強度更大，旋流器分離能力強，有利于改善溢流跑粗，提升分離效率。對比圖5（a）（b）可發(fā)現(xiàn)，越靠近溢流管底端，切向速度越大，靠近溢流管處分級效果較好，因為流體本身具有黏性，器壁對流體的摩擦力降低了切線速度。

2.3.3 軸向速度對比

圖6示出溢流管下端面軸向速度對比結(jié)果。由圖6可以看出，兩種旋流器內(nèi)軸向速度分布規(guī)律相似，軸向速度先為負值后變?yōu)檎?，靠近外旋流區(qū)域軸向速度方向向下，為負值，靠近內(nèi)旋流區(qū)域軸向速度方向由下變上，為正值。從圖中還可以看出，溢流帽式旋流器和普通旋流器的內(nèi)旋流流體軸向速度幾乎沒有差別，但是在外旋流區(qū)域，溢流帽式旋流器內(nèi)流體的軸向速度絕對值明顯小于普通旋流器，圖6中普通旋流器和溢流帽式旋流器的軸向速度的最大絕對值分別為1.31 m/s和0.58 m/s，后者降低了55.73%。軸向速度減小，顆粒參與分離時間長，能使外旋流中粗顆粒充分得到分離，減少外旋流中粗顆粒再次進入內(nèi)旋流的幾率，改善溢流跑粗現(xiàn)象。

圖6 溢流管下端面軸向速度對比Fig.6 Comparison of axial velocity of the lower end face of the over flow pipe

3 試驗研究

3.1 試驗裝置及試驗方法

為了進一步驗證溢流帽式旋流器能改善分離性能，對普通旋流器和溢流帽式旋流器進行分離性能試驗研究，旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)與表1相同，試驗系統(tǒng)主要由旋流器、壓力表、渣漿泵、攪拌裝置等組成，試驗系統(tǒng)如圖7所示。試驗時，物料為石英砂，給料壓力為0.08 MPa，進料濃度為22%，試驗中物料進入旋流器，旋流分離后被分為溢流和底流2種不同產(chǎn)品，分離過后的2種物料最終重新回到攪拌桶，形成一個閉路循環(huán)系統(tǒng)。

圖7 試驗系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of test system

3.2 普通旋流器與溢流帽式旋流器分離性能對比

表3為普通旋流器與溢流帽旋流器試驗結(jié)果對比。旋流器的分離效率是指給料中指定粒級的物料進入溢流和底流的數(shù)量，它是衡量旋流器分離過程進行完善程度的指標(biāo)，分離效率通常有兩種算法E1量效率和E2質(zhì)效率，其表達式為：

式中 β——溢流中計算顆粒百分含量；

α——進料中計算顆粒百分含量；

θ——底流中計算顆粒百分含量。

表3 2種旋流器試驗結(jié)果對比Tab.3 Comparison of test results of two kinds of hydrocyclones

表3試驗結(jié)果顯示，在溢流管頂端增加溢流帽后，濃度變化不大，從分級效率上來看，相比于普通旋流器，溢流帽式旋流器-20 μm分級質(zhì)效率從36.97%增加到42.17%，增加了5.2%；分級量效率由39.68%增長為45.90%，增加了6.22%。

對2種旋流器中-80 μm溢流和底流粒度進行分析，結(jié)果見圖8。對比于普通旋流器，溢流帽式旋流器底流中-5 μm顆粒含量減少了13.30%，-20 μm 含量減少了8.6%，且+60 μm 粗顆粒含量增加了5.38%，底流中粗顆粒含量增加，細顆粒含量減少，底流夾細問題得到改善。溢流帽式旋流器溢流產(chǎn)物的累計含量始終高于普通旋流器，溢流中-5 μm顆粒從31.57%增加到35.15%，-20 μm顆粒從84.12%增加到86.47%，且+60 μm粗顆粒從0.22%減少到0.04%，溢流中粗顆粒含量減少，細顆粒含量增加，有效解決了溢流跑粗的問題，使用溢流帽式旋流器后分離效率明顯提高。

圖8 2種旋流器產(chǎn)物粒度分布Fig.8 Particle size distribution of products of two kinds of hydrocyclones

3.3 溢流帽大小對分離性能的影響

為更好地了解溢流帽大小對旋流器分離性能的影響，在給料濃度為20.24%，給料壓力為0.08 MPa的情況下，分別對直徑為50，70，100 mm溢流帽進行試驗研究，試驗物料為石英砂，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同溢流帽直徑試驗結(jié)果對比Fig.9 Comparison of test results of different over flow cap diameters

試驗結(jié)果表明，隨著溢流帽直徑的增加，溢流濃度從5.88%減少到5.69%，底流濃度從53.57%增加到54.88%。溢流帽直徑增大后，-20 μm分級質(zhì)效率從39.97%增加到45.33%，分級量效率從45.14%增加為51.63%。三者中溢流帽直徑為100 mm時分離效果最佳，這是因為溢流帽增大，物料無法及時排出溢流帽，部分粗顆粒由于重力原因，有充足時間沉降入旋流器內(nèi)繼續(xù)進行分離，同時溢流帽增大，進入旋流器內(nèi)部空氣強度減弱，空氣柱直徑減小，能耗降低，因而分離性能得到明顯提升。

4 結(jié)論

（1）溢流帽式旋流器和普通旋流器數(shù)值模擬結(jié)果表明，溢流帽的存在，使得空氣柱直徑減小，壓力降降低，能耗降低；切向速度增大，離心力場強增加，分離更徹底；軸向速度降低，有利于減小溢流中粗粒級含量，提高分離效率。

（2）試驗結(jié)果表明采用溢流帽式旋流器后，底流固相產(chǎn)率得到提升，分級效率顯著提高，-20 μm顆粒的分級質(zhì)效率從36.97%增長為42.17%，分級量效率由39.68%增長為45.90%，且分析溢流和底流產(chǎn)物粒度組成看出溢流跑粗得以改善。溢流帽式旋流器中隨著溢流帽直徑的增大，-20 μm分級質(zhì)效率和量效率均升高，溢流帽直徑為100 mm時分離性能最佳。