上懸離心機沉渣堆積的流場仿真分析

闞 琛 郭明超

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

上懸離心機廣泛用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離，也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離[1]。上懸離心機是通過電機帶動轉鼓高速轉動，在離心力作用下去除溶液中不溶性殘渣的關鍵設備。上懸離心機在運轉過程中的振動對其使用壽命和安全運轉有較大的影響，尤其是在啟停階段過臨界轉速時的振動對關鍵零部件損害較大[2]。上懸離心機的振動是難以避免的，但振動超過限度時，輕則造成零部件損壞，影響機器使用壽命；重則造成重大安全事故，釀成嚴重惡果。振動由多種因素造成，主要來自轉子本身的加工、平衡精度以及裝配關系所造成的殘余不平衡量以及物料分散不均勻所引發(fā)的轉子臨界轉速和振型的改變。

上懸離心機運行過程中，待處理料液在離心力作用下沿鼓壁形成環(huán)狀液層，其中密度較大的不溶性固體顆粒沿徑向沉降到轉鼓內壁上，形成沉渣并始終附著于轉鼓內部直至停車。沉降不均勻的沉渣會導致轉鼓質量分布不均勻，在轉鼓高速旋轉的情況下，極大地影響上懸離心機的轉子動平衡，引起振動，產生噪聲，加速上懸離心機軸承磨損，縮短機械壽命。同時，沉渣的分布位置直接影響了排渣用高壓噴嘴的分布及沖洗參數。

本文采用多種求解方法和多重網格加速收斂等技術，進行固液兩相流場分析，從而獲取轉鼓沉渣堆積狀態(tài)[3]。

1 上懸離心機工作原理

如圖1所示，料液從料液入口經過高速旋轉的散液盤，高速旋轉進入轉鼓內的沉降層，當不溶性顆粒的濃度很低時，顆粒之間的距離比較大，相互間的作用與影響極小，顆粒密度和大小不同的粒子由于離心力的作用各自以不同的速度沉降，形成自由沉降狀態(tài)。顆粒在液體中的沉降規(guī)律是顆粒沿著離心力的徑向方向在轉鼓內壁上沉降，顆粒沉降速度隨著顆粒粒徑以及固液密度差的增大而增大。

2 數值方法與物理模型

在圖1沉降離心機的基礎上，對離心機性能影響比較小的因素進行了簡化，建立了圖2所示的簡化模型，該簡化模型可以表征沉降離心機的主要特征，簡化了一些對離心機整體性能影響不大的結構（如排渣口、清液入口和動力輸入軸等）。以該簡化模型為基礎，建立了對應的網格模型。網格模型整體采用結構網格，分為三部分：散液盤區(qū)域、轉鼓區(qū)域和分相口及外部區(qū)域。三部分的網格數量分別約為600萬、1 000萬和400萬，總網格數約為2 000萬。

計算過程中，首先將三部分網格通過Interface組合在一起，形成離心機的整體計算網格。通過計算穩(wěn)定工況，對離心機計算域內的網格進行整體分析，獲得三部分交界區(qū)域的穩(wěn)定流場、多相流分布特征。之后在針對散液盤、轉鼓、分相口進行局部性能分析和幾何結構優(yōu)化時，分別以賦值交界區(qū)域的流場和多相流分布特征為邊界條件，進行單部分的計算和分析。這樣可以大大降低計算量，提高分析和計算效率[4-5]。

本模型采用ANSYS FLUENT 19.0作為計算軟件，先進行定常計算，獲得相對穩(wěn)定流動特征后，再根據需要進行非定常特征計算和分析，最終獲得離心機內瞬態(tài)流動特征。

3 結果分析

3.1 轉鼓內沉渣堆積狀態(tài)分析

如圖3所示，在轉鼓上部液面附近初始化為固體顆粒，同時以穩(wěn)態(tài)時的流量、顆粒濃度與轉速運行。這種分析方法更貼近實際情況，相當于固體顆粒在離心力的作用下，由散液盤進入到轉鼓內料液液面附近，然后開始沉降。

如圖4所示，顆粒相逐漸沿著徑向開始沉降，直至轉鼓內壁面。固體顆粒相在沿著徑向沉降的過程中，在重力作用和料液的沖刷作用下也會同時向下移動。固體顆粒相最終沿著轉鼓內壁面分布，而且沿軸向分布并不均勻，具有局部堆積現象?？梢园l(fā)現，立板將轉鼓分為4個周向區(qū)域，固體顆粒相在單個區(qū)域內的分布不均勻；在4個區(qū)域內分布的相對規(guī)律是一致的，并通過提取4個區(qū)域顆粒質量參數可知，4個區(qū)域內顆粒質量基本相同。

固體顆粒通過轉鼓內壁面、立板之間的縫隙時，在離心力和慣性力等的作用下會實現快速沉降。所以，固體顆粒在立板前、后方的轉鼓內壁面處沉降后堆積得較多，而在立板之間的轉鼓內壁面處堆積得比較少，如圖5所示。

為進一步分析固體顆粒相對于轉鼓壁面的相對運動情況，進行了VOF+DPM模型的計算，用于追蹤單個固體顆粒的運動軌跡和運動速度并進行分析。本文選擇了3個典型參考點，分別位于立板后側、立板中間位置和立板前側，用于追蹤經過3個點的固體顆粒的運動軌跡和運動速度的情況，從而了解固體顆粒在轉鼓內運動過程和固體顆粒與轉鼓的相對運動情況。

圖6給出了轉鼓內387個固體顆粒隨機進入轉鼓后的運動軌跡，可以發(fā)現，立板對顆粒的徑向沉降具有積極作用，可以促進顆粒徑向快速沉降；在重力和料液沖刷作用下，固體顆粒存在自上而下的緩慢運動；顆粒進入轉鼓具有一定的隨機性，立板沿周向分布造成流場不均勻分布，顆粒在轉鼓內分布并不十分均勻，存在局部堆積情況，大部分顆粒沉降在轉鼓中上部區(qū)域；顆粒沉降過程中，與轉鼓內壁面距離越近，固體顆粒相對轉鼓內壁面的合速度速率越小，最終實現沉降。

3.2 試驗結果

為進一步考察沉渣堆積狀態(tài)，采用上懸離心機進行分離試驗，分離轉速、進料流量與料液濃度均與仿真分析一致。

圖7所示為沉渣在轉鼓內的實際堆積情況，沉渣在立板附近堆積較多且立板分隔的4個區(qū)域沉渣量基本相同，最大差值為0.03 kg，如表1所示。因此，可以得出以下結論：大部分沉渣集中在轉鼓上部，且立板與立板之間沉渣分布不均勻，立板前后堆積較多，立板與立板之間較少；由立板分隔出的4個區(qū)域沉渣堆積規(guī)律與沉渣量基本相同。上述實際沉渣堆積情況與仿真分析基本一致。

表1 各區(qū)域沉渣質量

4 結論

對上懸離心機在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的沉渣分布進行流體仿真分析，得出轉鼓內部沉渣在高速旋轉工況下的運動過程以及沉渣分布狀態(tài)，其結果與試驗情況相一致。

（1）顆粒進入轉鼓具有一定的隨機性，由于轉鼓內分布有立板、環(huán)板等，轉鼓內流場沿周向是變化的，而且具有一定的周期性。受到流場影響，固體顆粒在轉鼓內單個區(qū)域分布不均勻，但由立板分隔出的4個區(qū)域相對均勻，在立板前后存在局部堆積情況，大部分顆粒最終沉降在轉鼓中上部區(qū)域。

（2）在離心力的作用下，固體顆粒隨著轉鼓、料液一起高速旋轉時，沿著徑向沉降。特別是當固體顆粒運動到立板處時，固體顆粒通過立板跟轉鼓內壁面之間的縫隙，實現快速沉降。立板對于固體顆粒的沉降具有積極作用，可以促進顆粒徑向快速沉降。沉渣在4個區(qū)域的堆積狀態(tài)與堆積量基本一致，說明了該上懸離心機運行過程中，附著于轉鼓壁的沉渣相對均勻，不會由于物料分散增加過多的不平衡量而發(fā)生振動異常。

（3）沉渣大部分堆積于轉鼓上部，在此位置應布置數量多、流量大、壓力高的噴嘴；其他位置沉渣堆積量較少，可減少噴嘴數量，降低噴嘴參數。

本文分析為上懸離心機的清洗提供了指導，能夠有效改善清洗效果，節(jié)省清洗水量與時間。