內(nèi)螺旋道式旋流器流場特征及分離性能

劉培坤，杜啟隆，張悅刊

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590）

0 引言

旋流器作為一種典型的分級設(shè)備，因其優(yōu)異的分離性能而被廣泛應(yīng)用于礦物加工、冶金、能源、食品工程、材料及廢水處理等諸多領(lǐng)域[1-4]。雖然水力旋流器的幾何結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但旋流腔內(nèi)的多相流動復(fù)雜多變[5]，其內(nèi)部的流動狀況取決于操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等給定條件。在水力旋流器中，較輕的細(xì)顆粒流向內(nèi)旋流自溢流中流出，較重的粗顆粒則通過外旋流向水力旋流器器壁移動并從底流流出。在此過程中，不可避免的存在溢流跑粗和底流夾細(xì)，導(dǎo)致顆粒分級效率降低。

很多研究人員對水力旋流器進(jìn)行了改進(jìn)，以提高其分級效率。CHU等[6]將渦流探測器與水力旋流器相連，以獲得更好的分離性能。GHODRAT等[7]通過設(shè)計不同類型的錐段截面，提出了一種新型的具有長凸錐的水力旋流器，其具有較大的分離區(qū)域及相對較小的切向速度。宋民航[8]提出了一種新型導(dǎo)葉式水力旋流器，設(shè)定了入口導(dǎo)流葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低了壓力損失的同時具有良好的分級效率。周嘉鈺等[9]通過在水力旋流器中心軸處引入中心插入物以代替空氣柱，通過改變水力旋流器內(nèi)部流場流動情況來影響水力旋流器的性能。劉培坤等[10]通過在中心軸處引入中心曲面錐型插入物，引導(dǎo)內(nèi)旋流中一部分粗顆粒到外旋流中再次參與分離，使溢流≥35 μm的顆粒含量相對于原本的旋流器減小了11.08%，≥35 μm顆粒的分級效率提高了4.04%。此外，也有一些研究提出在旋流腔內(nèi)設(shè)置螺旋道，GAYATREE等[11]的研究表明內(nèi)螺旋道對于細(xì)顆粒來說分級效率更高。馮鈺潤[12]設(shè)計了一種錐段外螺道式旋流分離器，將錐體旋流腔設(shè)計為螺道式結(jié)構(gòu)，降低了摩擦損耗，提高了水力旋流器的分級效率。李峰等[13]設(shè)計了一種雙漸擴(kuò)出口旋流器，一定程度上降低了能耗。劉鶴等[14]通過改變溢流管結(jié)構(gòu)參數(shù)某種程度上達(dá)到了升效減阻的目的。但是，目前關(guān)于螺旋道對水力旋流器分離性能和流場狀態(tài)的影響方向所做的研究還不夠清晰。綜上所述，眾多學(xué)者已經(jīng)研發(fā)了形式多樣的水力旋流器來提高分級精度，但能源消耗高、分級效率低等問題仍然存在，本文探究了一種帶有內(nèi)螺旋道的水力旋流器，研究不同結(jié)構(gòu)尺寸的內(nèi)螺旋道對其流場特征及分級效率的影響，借助流體動力學(xué)軟件CFD對其流場進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)螺旋道對旋流器內(nèi)部流場規(guī)律及分級效率的影響，并通過對比試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。

1 內(nèi)螺旋道水力旋流器數(shù)值模擬

1.1 幾何建模

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 The structural parameters of cyclone mm

圖1示出50 mm內(nèi)螺旋道旋流器結(jié)構(gòu)，主要包括進(jìn)料口、溢流口、底流口、內(nèi)螺旋道等。由圖可知，相對于常規(guī)旋流器，新結(jié)構(gòu)旋流器在柱段區(qū)域增設(shè)了沿器壁螺旋下行的內(nèi)螺旋道，其目的主要包括對外旋流流體產(chǎn)生一定的造旋作用，并減少外旋流在螺旋下行過程中的速度衰減及壁面摩擦所產(chǎn)生的能量損耗。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of cyclone

1.2 網(wǎng)格劃分及獨(dú)立性驗(yàn)證

研究表明，網(wǎng)格數(shù)目直接影響模擬運(yùn)行時間，對結(jié)果精度也有一定程度上的影響，網(wǎng)格數(shù)較少時會降低模擬精度，太多的網(wǎng)格數(shù)目則會提高舍入誤差，對模擬精度也會造成影響，因此對網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證可以有效排除網(wǎng)格數(shù)目對模擬結(jié)果的影響。首先用ICEM18.0對水力旋流器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。通過對網(wǎng)格平均尺寸的調(diào)整來設(shè)置4種不同的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)，分別為135 764，251 996，359 152，465 491，將壓降作為檢查網(wǎng)格質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，壓降變化如圖3所示。

圖2 旋流器網(wǎng)格劃分Fig.2 Cyclone meshing

圖3 壓降隨網(wǎng)格劃分水平變化曲線Fig.3 Change curve of pressure drop with grid division level

隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加呈現(xiàn)先增大后趨于平穩(wěn)的趨勢，網(wǎng)格數(shù)目為359 152與465 491時，壓降相差很小，說明網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到359 152時，模擬結(jié)果不會隨著網(wǎng)格數(shù)目的增長產(chǎn)生明顯變化，此時增加網(wǎng)格數(shù)目無法提高模擬精度，反而會大幅增加模擬計算時間，因此本文選用的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)在359 152～465 491之間，常規(guī)旋流器和4種不同結(jié)構(gòu)尺寸的內(nèi)螺旋道旋流器其網(wǎng)格數(shù)分別為435 731，415 698，4534 86，423 521，426 244。

1.3 邊界條件和求解方法

采用FLUENT18.0軟件進(jìn)行模擬計算，設(shè)置邊界條件：采用Mixture模型進(jìn)行顆粒混合相模擬，混合相共兩相，主相為水，固相為不同粒徑的CaCO3顆粒，使用穩(wěn)態(tài)方法模擬。重力加速度取為9.81 m/s2，進(jìn)口設(shè)置為Velocity-inlet，進(jìn)口速度為2.5 m/s，溢流出口和底流出口設(shè)置為Pressureoutlet，設(shè)置壁面條件為No-Slip-Wall；采 用Pressure-Based和Steady求解器，湍流計算采用RSM雷諾應(yīng)力模型，壓力速度耦合采用Simple算法，離散格式采用Quick。

1.4 結(jié)果與分析

通過改變內(nèi)螺旋道的結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究其對水力旋流器內(nèi)部流場影響規(guī)律。在水力旋流器柱段和錐段處分別選取 Z1＝100 mm，Z2＝180 mm 截面進(jìn)行對比研究，如圖1所示。通過分析對比壓降、切向速度、軸向速度、顆粒分布來分析其對流場的影響。

1.4.1 內(nèi)螺旋道尺寸對靜壓的影響

靜壓力是水力旋流器運(yùn)行的重要參數(shù)之一，本次模擬選取常規(guī)旋流器及4種不同結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)螺旋道的旋流器分別研究其壓力輪廓，其中常規(guī)旋流器除內(nèi)部沒有內(nèi)螺旋道外，其余尺寸同圖1所示。從圖4可以看出，靜壓力由旋流器器壁至中心軸沿徑向方向減小。在流場中心，由于流體的高速旋轉(zhuǎn)形成了空心區(qū)域，水力旋流器的高速渦流在中心區(qū)域產(chǎn)生了低壓軸向的柱狀區(qū)域。從圖5可以看出，內(nèi)螺旋道旋流器其溢流口處低壓柱狀區(qū)域更大，壓力更低。低壓軸向的柱狀區(qū)域與外界接通時會將空氣吸入，并且從水力旋流器的頂部到底流出口處形成柱狀空芯，因此，器壁周圍的壓力最大，而中心軸處的壓力最小。引入內(nèi)螺旋道后，靜壓力曲線趨勢與常規(guī)旋流器趨勢相近。

圖4 靜壓力分布云圖Fig.4 Static pressure distribution nephogram

圖5 溢流口處靜壓力分布云圖Fig.5 Nephogram of static pressure distribution at overflow port

從圖6可以看出，內(nèi)螺旋道旋流器壓降均低于常規(guī)水力旋流器，其中內(nèi)螺旋道截面長寬為5 mm×3 mm時，其壓降在所選工況中最低，當(dāng)繼續(xù)增大內(nèi)螺旋道尺寸時，壓降開始增大。常規(guī)旋流器和壓降最低的5 mm×3 mm旋流器，其壓降分別為18.04，16.41 kPa，壓降降低了9.04%，這表明通過引入適當(dāng)大小的內(nèi)螺旋道可以降低壓降，流場壓降降低意味著能量損失降低，有效節(jié)省泵送成本。通過引入內(nèi)螺旋道，可以更流暢的引導(dǎo)流體在旋流器流場內(nèi)進(jìn)行渦流運(yùn)動，水力旋流器中的流體在某些位置類似于流線，比平常更平滑，這可能是壓降產(chǎn)生變化的原因。

圖6 不同結(jié)構(gòu)對壓力降的影響Fig.6 The influence of different structures on pressure drop

1.4.2 內(nèi)螺旋道尺寸對切向速度的影響

旋流器柱段及錐段2個不同水平位置的切線速度如圖7所示。圖7（a）示出了不同型號內(nèi)螺旋道水力旋流器距離底部0.1 m處的切向速度曲線，圖7（b）示出了不同型號內(nèi)螺旋道水力旋流器距離底部0.18 m處的切向速度曲線。從圖7看出，不同結(jié)構(gòu)尺寸的切向速度其徑向輪廓是相似的，其中內(nèi)螺旋道截面長寬為5 mm×3 mm時，切向速度略高于常規(guī)旋流器，其最大切向速度增大3.06%，增強(qiáng)了離心強(qiáng)度，提高了分離效果，除5 mm×3 mm外，其余切向速度均減小。切向速度在中心軸線處最小，在距離中心軸線5～10 mm處最大。

圖7 不同截面處切向速度分布Fig.7 Distribution of tangential velocity at different sections

1.4.3 內(nèi)螺旋道尺寸對軸向速度的影響

圖8示出了旋流器軸向速度輪廓，由圖可以看出，軸向速度軌跡線上存在零軸向速度點(diǎn)，說明該點(diǎn)所在的徑向位置為軸向速度為零的點(diǎn)所組成的零速包絡(luò)面。

圖8 軸向速度分布Fig.8 Axial velocity distribution

以零速包絡(luò)面為界限可以劃分出內(nèi)旋流區(qū)域和外旋流區(qū)域。與常規(guī)旋流器相比，5 mm×3 mm內(nèi)螺旋道的水力旋流器其內(nèi)旋流中軸向速度小于常規(guī)水力旋流器，軸向速度降低導(dǎo)致顆粒在旋流器中的停留時間增加，說明添加內(nèi)螺旋道結(jié)構(gòu)可以通過增加顆粒停留時間來提高水力旋流器分離效果。相比之內(nèi)旋流來說，外旋流軸向速度變化不明顯。軸向速度的徑向分布表明，內(nèi)旋流在中心軸附近有一個向上的流動，螺旋向上至溢流口排出。水力旋流器器壁附近有一個向下的流動，螺旋向下至底流口排出，中心軸附近的軸向速度最大。

1.4.4 內(nèi)螺旋道尺寸對顆粒分布的影響

圖9示出了10 μm顆粒在旋流器內(nèi)的分布云圖。由圖可知，10 μm的顆粒彌散在流場內(nèi)，內(nèi)螺旋道旋流器與常規(guī)旋流器相比較則在流場柱段聚集的更加充分，由于引入內(nèi)螺旋道，流體在旋流器流場內(nèi)更流暢的進(jìn)行渦流運(yùn)動，導(dǎo)致溢流管兩端的流場也充分聚集了10 μm細(xì)顆粒，且當(dāng)內(nèi)螺旋道截面長寬為5 mm×3 mm時，10 μm的細(xì)顆粒含量明顯減小，底流夾細(xì)現(xiàn)象減弱。

圖9 10 μm顆粒分布云圖Fig.9 10 μm particle distribution nephogram

圖10示出30 μm顆粒在旋流器內(nèi)的分布云圖，由圖可以看出，30 μm的顆粒在徑向方向上更趨于聚集在旋流器器壁上，沿軸向方向則更趨向于在底流口方向聚集，并且常規(guī)旋流器與內(nèi)螺旋道水力旋流器其顆粒分布規(guī)律比較相似。相較于常規(guī)旋流器，帶有內(nèi)螺旋道的水力旋流器底流出口區(qū)域顆粒濃度普遍低于常規(guī)旋流器，底流口軸心處顆粒聚集程度降低，更傾向于緊貼底流口器壁，改善了底流夾細(xì)的狀況，降低了旋流器底流口堵塞的可能性。

圖10 30 μm顆粒分布云圖Fig.10 30 μm particle distribution nephogram

2 試驗(yàn)研究

選取數(shù)值模擬中效果最好的5 mm × 3 mm內(nèi)螺旋道旋流器與常規(guī)旋流器進(jìn)行對比試驗(yàn)，配置質(zhì)量濃度約為6%的礦漿，設(shè)置入口壓力為0.1 MPa，石英砂密度為2 650 kg/m3，進(jìn)料粒級組成見表2。

表2 石英砂粒度組成Tab.2 Composition of quartz sand particle sizes

圖11示出試驗(yàn)系統(tǒng)，清水混合石英砂物料倒入攪拌桶8配制礦漿，攪拌器7均勻攪拌后由離心泵1提供動力將礦漿打入水力旋流器，受到離心力的作用，礦漿切向進(jìn)入旋流器，高濃度礦漿從底流口5排出，低濃度產(chǎn)物受到內(nèi)旋流向上流動的作用，經(jīng)溢流口6排出。常規(guī)旋流器和內(nèi)螺旋道旋流器的溢流產(chǎn)物粒度分布及分級效率如圖12，13 所示。

圖11 試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.11 Schematic diagram of experimental system

圖12 顆粒累積對比Fig.12 Particle accumulation comparison

從圖12可以看出，常規(guī)旋流器溢流產(chǎn)物其中位粒徑為8.93 μm，帶有內(nèi)螺旋道的旋流器其溢流產(chǎn)物中位粒徑為7.62 μm，其原因在于顆粒和內(nèi)螺旋道接觸時會更快的降低湍動能，對于流體具有一定的引導(dǎo)作用。這說明與相同尺寸的常規(guī)水力旋流器相比，帶有內(nèi)螺旋道的水力旋流器細(xì)顆粒在其溢流產(chǎn)物中占比更多。

圖13示出分級效率曲線。由圖可知，相比于常規(guī)旋流器而言，內(nèi)螺旋道旋流器中小于10 μm的顆粒在底流中的回收率明顯降低，大于10 μm的顆?；厥章试黾?。

圖13 分級效率對比Fig.13 Classification efficiency comparison

根據(jù)旋流器進(jìn)料顆粒的累積分布可知，10 μm近似于旋流器的分離粒度，本文以該粒級進(jìn)行計算，表3為-10 μm顆粒在在內(nèi)螺旋道和常規(guī)旋流器溢流、底流的累積含量，將表3數(shù)據(jù)代入綜合分級效率公式進(jìn)行計算，可得出常規(guī)旋流器綜合分級效率為56.13%，帶有內(nèi)螺旋道的旋流器綜合分級效率為60.24%，表明進(jìn)行內(nèi)螺旋道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，旋流器內(nèi)-10 μm顆粒從溢流流出的更多，改善了底流夾細(xì)情況。其中，綜合分級效率計算式為：

表3 2種旋流器的-10 μm累積含量Tab.3 Cumulative content of 10 μm particles for two types of cyclone

式中 E——指定粒級的綜合分級效率，%；

α——進(jìn)料中該粒級累積含量，%；

γ——底流中該粒級累積含量，%；

β——溢流中該粒級累積含量，%。

3 結(jié)論

（1）本文提出了一種帶有內(nèi)螺旋道的水力旋流器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為在旋流器柱段內(nèi)壁處增加了內(nèi)螺旋道結(jié)構(gòu)。

（2）利用FLUENT18.0對常規(guī)水力旋流器和帶有內(nèi)螺旋道的水力旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：相較于常規(guī)旋流器，內(nèi)螺旋道橫截面大小為5 mm×3 mm的旋流器切向速度增大，分級能力強(qiáng)，軸向速度減小，顆粒在旋流器內(nèi)部流場停留的時間增加，顆粒分離更加充分；壓降降低，能量損失減少，有效節(jié)省泵送成本。

（3）進(jìn)料在經(jīng)過常規(guī)旋流器和內(nèi)螺旋道旋流器分級后分別得到了8.93，7.62 μm的細(xì)粒級產(chǎn)品，相對于常規(guī)旋流器，帶有內(nèi)螺旋道的旋流器中位粒徑減小了1.31 μm，對-10 μm顆粒，內(nèi)螺旋道旋流器的綜合分級效率較之常規(guī)旋流器提高了4.09%，分級效果更好。