跳汰機(jī)供水均勻性的數(shù)值模擬研究

史冰森

(1.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063010；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063000)

我國的能源消耗中煤炭仍占有比較高的比例，煤炭入洗率近年來也有較大的提升，2019年原煤的入洗率達(dá)到了73.2%[1]，煤炭洗選比例的不斷提高對(duì)保護(hù)環(huán)境做出了重要的貢獻(xiàn)。跳汰選煤以其工藝流程簡單、資金投入少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)在選煤廠中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，復(fù)振技術(shù)、跳汰機(jī)大型化技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用滿足了市場對(duì)較難選煤洗選、大處理量的要求，跳汰選煤技術(shù)在選煤工藝中占有比較重要的地位[2-3]。

跳汰機(jī)尤其是大型跳汰機(jī)在生產(chǎn)中增加供水壓力，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)床層“翻花”的現(xiàn)象，這可能是由于供水不均勻使遠(yuǎn)離入水管一側(cè)的水流過大形成的，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)按密度分層的床層紊亂，影響設(shè)備的分選精度?，F(xiàn)場為控制床層穩(wěn)定只能降低跳汰機(jī)的供水量，但水量減小會(huì)降低跳汰機(jī)的處理能力。為探究上述問題的原因，進(jìn)一步優(yōu)化跳汰機(jī)供水的均勻性，提高大型跳汰機(jī)的處理能力，本文利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件(以下簡稱“CFD軟件”)對(duì)跳汰機(jī)供水管入水壓力、出口流量等進(jìn)行研究，當(dāng)前和跳汰機(jī)相關(guān)的研究主要是對(duì)床層分層過程中機(jī)理的研究，如王振翀等利用隨機(jī)過程中馬爾科夫鏈理論建立了跳汰分層過程的數(shù)學(xué)模型，并在該模型的基礎(chǔ)上對(duì)分層過程進(jìn)行了模擬[3]，匡亞莉等人利用高速攝像機(jī)和動(dòng)態(tài)分析軟件建立了顆粒運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)微分方程，得出顆粒運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)與跳汰機(jī)風(fēng)壓有直接的線性關(guān)系，與跳汰周期等參數(shù)有明確的非線性關(guān)系[4]等，對(duì)跳汰機(jī)供水均勻性的相關(guān)研究較少。

1 跳汰機(jī)的工作原理

跳汰選煤主要是利用垂直升降的變速水流，使物料按照自身密度的差異進(jìn)行分選的過程。跳汰機(jī)主要由機(jī)體、風(fēng)閥、排料裝置、供水管等部分組成，如圖1所示。物料從入料口給入，經(jīng)過多個(gè)上升、下降周期的作用后物料按密度進(jìn)行分層，重產(chǎn)物在床層下部經(jīng)排料機(jī)構(gòu)排出，輕產(chǎn)物分布在床層上層，在水流的作用下通過溢流口排出，從而實(shí)現(xiàn)輕、重產(chǎn)物的分離[6]。

1—低壓風(fēng)入口；2—總?cè)胨冢?—入料口；4—機(jī)體；5—溢流口；6—入水管；7—排料機(jī)構(gòu)圖1 跳汰機(jī)結(jié)構(gòu)示意

跳汰機(jī)機(jī)體由各個(gè)單獨(dú)的室相互連接共同組成，相鄰室之間的低壓風(fēng)、水流互不干擾，這有利于各個(gè)室內(nèi)部流場的穩(wěn)定。跳汰機(jī)供水管的入水口位于機(jī)體的外部，在機(jī)體內(nèi)部有一根橫向布置的管道為跳汰機(jī)提供洗選所需用水，單室結(jié)構(gòu)如圖2所示。模擬所選模型的水管在機(jī)體內(nèi)的長度為3 m，管路上均勻分布有6個(gè)面積相等的橢圓形出水口，單個(gè)橢圓形出口的面積為9.5×10-3m2，相鄰出水口之間的距離為486 mm，洗選過程中這些出水口為機(jī)體提供洗選用水。

圖2 跳汰機(jī)單室外形

2 跳汰機(jī)模型的建立

CFD軟件在研究流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)問題上得到了較為廣泛的應(yīng)用，選煤設(shè)備的內(nèi)部流場分布也越來越多的借助于CFD軟件研究。本文主要是研究篩下水管出口流量與入水口壓力的關(guān)系，加上跳汰機(jī)各室之間供水影響較小，為便于后續(xù)網(wǎng)格劃分與計(jì)算研究模擬，只對(duì)單個(gè)室進(jìn)行模擬研究，并將單室的外部簡化成一個(gè)槽型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。但內(nèi)部篩下水管的結(jié)構(gòu)保持不變，所以對(duì)管道內(nèi)部的流場影響較小。

圖3 模型簡化后的剖視

此次模擬所用機(jī)體的單室外形結(jié)構(gòu)尺寸為3000 mm×1070 mm×2580 mm，為方便后文表示，將距離供水管入水口最近的出水口記為outlet1，依照遠(yuǎn)離入水口的方向依次將出水口編號(hào)為outlet2、outlet3、outlet4、outlet5、outlet6。將簡化后的模型利用CFD前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格數(shù)量為1 546 413個(gè)，網(wǎng)格質(zhì)量采用行列式Determinant2x2x2作為衡量指標(biāo)，比值取值均在0.25以上，可用于后續(xù)求解器計(jì)算。

篩下水管內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，應(yīng)選取相對(duì)應(yīng)的湍流模型。本次模擬選用工業(yè)流動(dòng)計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的k-epsilon模型中的Standard k-epsilon模型，篩下水管入水口邊界條件設(shè)置為pressure-inlet，槽體上方出口邊界調(diào)節(jié)設(shè)置為pressure-outlet，壓力修正方程、動(dòng)量方程及湍動(dòng)能方程離散格式采用一階迎風(fēng)，體積率方程離散格式采取quick，松弛因子及其他參數(shù)保持默認(rèn)設(shè)置不變。

3 模擬結(jié)果與分析

跳汰機(jī)在煤炭洗選過程中總水管進(jìn)水的壓力在0.1 MPa(10 m水柱)左右，在此次模擬中分別設(shè)置入水壓力為0.10 MPa、0.08 MPa、0.06 MPa、0.04 MPa、0.02 MPa、0.01 MPa 6組不同參數(shù)，觀察不同壓力時(shí)水管內(nèi)的壓力和流量情況。模擬采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，各個(gè)條件下迭代計(jì)算至流場穩(wěn)定后分別對(duì)6個(gè)出水口設(shè)置觀察面，以對(duì)每個(gè)出水口的流量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算過程中每迭代計(jì)算5次保存導(dǎo)出1次數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)為計(jì)算次數(shù)，縱坐標(biāo)為流量，利用制圖軟件對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同進(jìn)水壓力下各出水口的流量變化如圖4所示。

圖4 不同進(jìn)水壓力下各出水口的流量變化

通過圖4看出，水管在剛開始時(shí)內(nèi)部流場較為紊亂，隨著計(jì)算的進(jìn)行，波動(dòng)幅度逐漸趨于穩(wěn)定，在迭代次數(shù)到300步左右，各出口的流量開始有較為明顯的差別，迭代次數(shù)到400步時(shí)，各出口處流量變化的幅度已經(jīng)較小，400～500步時(shí)各個(gè)出口的流量基本保持穩(wěn)定。從圖4 (a)中6條曲線可以看出，雖然入水壓力一定，但各個(gè)出水口的流量相互之間存在差值，這說明供水管內(nèi)部流場穩(wěn)定時(shí)各出口的流量并不相同，且outlet1至outlet6的流量依次增大，即進(jìn)水壓力一定時(shí)，出口與入水口距離越遠(yuǎn)，則出口處流量越大，這與現(xiàn)場出現(xiàn)的遠(yuǎn)離入水口一側(cè)出現(xiàn)翻花的現(xiàn)象相吻合。且圖4(b)～圖4(f)也表明，若進(jìn)水壓力一定，篩下水管流場穩(wěn)定時(shí)各出口流量的變化規(guī)律也與上述一致。對(duì)比圖4 (a)與圖4(f)，為進(jìn)一步探究流量變化的規(guī)律，將各入水壓力下穩(wěn)定后的平均值作為每個(gè)出口的流量大小，以進(jìn)一步對(duì)比6組數(shù)據(jù)中流場穩(wěn)定時(shí)各出口流量的變化趨勢，具體如表1所示。

對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，入水壓力變大時(shí)同一出水口的流量也隨之增加。并且隨著壓力的增加，outlet6和outlet1之間的流量差值也隨之增加，說明入水壓力的增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)體兩側(cè)供水均勻性差異增加。為進(jìn)一步對(duì)比相鄰出口處的關(guān)系，列出相鄰出口的流量比，如表2所示。

表1 不同進(jìn)水壓力下各出水口流量

表2 不同壓力下相鄰出口流量的比值

由表2可知，進(jìn)水壓力不同時(shí)，相鄰出口流量的比值基本上相同，這表明相鄰出口的流量比并不隨進(jìn)水壓力的增加而改變，這為后續(xù)的篩下水管的供水更加均勻可以提供一定的參考。

4 結(jié) 語

利用CFD軟件對(duì)跳汰機(jī)篩下水管各出口流量隨入水壓力的變化進(jìn)行了研究，研究表明：

(1)跳汰機(jī)供水管各出口開孔面積相同、進(jìn)水壓力一定時(shí)各出口流量并不均勻，流量差值隨著進(jìn)水壓力的增加而增加，這對(duì)跳汰機(jī)均勻給水是不利的。

(2)在相同入水壓力下，跳汰機(jī)供水管出口位置距離入水口越遠(yuǎn)，出口處的流量越大。

(3)跳汰機(jī)供水管各相鄰出口之間流量的比值不隨進(jìn)水壓力增加而改變。