基于CFD的水力旋流器并聯(lián)公共液斗結(jié)構(gòu)研究

敖興友，劉秀林，康大地，羅蓉，劉宗浩，姚翔

基于CFD的水力旋流器并聯(lián)公共液斗結(jié)構(gòu)研究

敖興友，劉秀林＊，康大地，羅蓉，劉宗浩，姚翔

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

為解決并聯(lián)水力旋流器分離效率下降的問題，設(shè)計了水力旋流器并聯(lián)新式公共液斗。對于液斗底流口直徑的大小，設(shè)計了8, 12, 16mm三種不同結(jié)構(gòu)，應(yīng)用CFD技術(shù)分析比較了三種不同結(jié)構(gòu)的流場穩(wěn)定性。在流量相同的情況下，速度分布的對稱性隨著底流口增大而變差；而分析相同流量下不同結(jié)構(gòu)的湍流強度，在不同入口流速下，12mm結(jié)構(gòu)的湍流強度平均值要小于16mm與8mm。

水力旋流器；并聯(lián)公共液斗；CFD；湍流強度

水力旋流器是一種利用密度差進行不同相離心分離的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于采礦、石油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域[1]。但在水力旋流器的應(yīng)用中，有時會遇到分離效率和處理能力相互制約的問題。對于單體旋流器來說，處理量與公稱直徑的大小正相關(guān)，但其分離效率會隨著公稱直徑的增加而降低[2]。故小直徑水力旋流器并聯(lián)成為增大處理量的一種解決方法[3]。但是并聯(lián)水力旋流器相對于同樣的單體旋流器，效率會有所下降，這是主要是由于流量分配不均勻?qū)е碌男鞣€(wěn)定性下降造成的[4]。對于并聯(lián)水力旋流器分離效率下降的問題，可以采用增加新式公共液斗的方式來解決[5]。這是因為液斗對底流口區(qū)域的流場特性、下行顆粒的返混有影響，增加新式公共液斗可以使得并聯(lián)旋流器有分離效率高、穩(wěn)定性能高[4-5]。本文通過數(shù)值模擬的方法，研究了不同出口尺寸的公共液斗結(jié)構(gòu)對液斗內(nèi)部并聯(lián)流場穩(wěn)定性的影響。為水力旋流器的并聯(lián)設(shè)計與應(yīng)用提供了指導。

1 公共液斗幾何模型的建立

單體水力旋流器選用D50的FX型水力旋流器，并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用4個相同結(jié)構(gòu)旋流器同向并聯(lián)[6]，整體的并聯(lián)形式如圖1所示。

圖1 水力旋流器組并聯(lián)形式

故根據(jù)Obermair等[7]的研究，設(shè)計并聯(lián)公共液斗的尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 公共液斗的尺寸結(jié)構(gòu)

本文將研究比較三種結(jié)構(gòu)的公共液斗的性能，根據(jù)液斗4個入口的直徑以及液斗流量平衡的限制[7-8]，設(shè)計其底流口直徑不同，分別為8mm, 12mm和16mm，相應(yīng)的錐段傾斜角度也有差異。

2 計算模型的選取與設(shè)置

2.1 湍流模型

采用雷諾應(yīng)力模型（RSM）求解公共液斗的液相湍流流場。假定公共液斗內(nèi)進行的是一個等溫、不可壓過程，則流動滿足不可壓縮流體的連續(xù)方程和N-S方程，即：

N-S方程為

且在RSM模型中，考慮到湍流的復雜異向性，需要對動量方程中Re應(yīng)力項寫出輸運方程。采用二階封閉法對上式里面的未知三階關(guān)聯(lián)項進行處理，對于與壓力脈動有關(guān)的關(guān)聯(lián)項用相應(yīng)的方法計算，從而使雷諾應(yīng)力方程組形成閉合。描述湍流應(yīng)力方程組如下：

2.2 公共液斗模型網(wǎng)格劃分

圖3為并聯(lián)公共液斗的網(wǎng)格生成圖。本文將計算3種不同入口流速（4, 6, 8m/s）下公共液斗的液相流場。本數(shù)值計算建模和網(wǎng)格生成由ICEM軟件實現(xiàn)，生成以六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。所有網(wǎng)格的Determinant值全部大于0.45，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，確定網(wǎng)格數(shù)為196058個。

圖3 公共液斗網(wǎng)格

2.3 邊界條件及計算方法

常溫水作為連續(xù)相，3種不同入口流速（4, 6, 8m/s），出口壓力為0，壁面邊界條件為出口截面法向方向梯度為0，且壁面為無滑移。

計算基于原始變量的有限差分方法，采用SIMPLE方法計算壓力與速度的耦合，數(shù)值離散以QUICK差分格式進行計算。

3 公共液斗出口結(jié)構(gòu)模擬計算結(jié)果

3.1 不同流量下公共液斗內(nèi)部流場特性分析

速度分布是與水力旋流器公共液斗中流體運動有關(guān)的重要參照。對于公共液斗的結(jié)構(gòu)來說，首要的目的是保證并行旋流之間的穩(wěn)定性，而速度的分布[9-10]是能夠充分反應(yīng)這一指標的變量。所以，在流場分析時本文主要集中在速度的分析上。選取入口下方15mm位置截面，查看3種結(jié)構(gòu)在不同流量下的速度的分布，如圖4所示。

圖4 不同結(jié)構(gòu)速度分布云圖對比

(a)8mm-4m/s (b)8mm-6m/s (c)8mm-8m/s (d)12mm-4m/s(e)12mm-6m/s (f)12mm-8m/s (g)16mm-4m/s (h)16mm-6m/s(i)16mm-8m/s

一方面，相同結(jié)構(gòu)，速度分布均勻性和對稱性隨著流量增大而變差，流量越大，分布越不均勻；在入口正下方區(qū)域速度較低，而在4個入口交界處速度較大，這是因為流體是通過環(huán)形噴射進入液斗，入口正下方為負壓區(qū)，入口下方交界處則是流動發(fā)展充分的區(qū)域。另一方面，在流量相同的情況下，速度分布的對稱性隨著底流口增大而變差，這是因為隨著出口變小，液斗底部流速會更大，且液斗本身錐度也更大，更容易產(chǎn)生底部湍流從而影響整個流場的速度分布。

3.2 不同流量下公共液斗內(nèi)部旋流穩(wěn)定性分析

對于公共液斗的結(jié)構(gòu)來說，首要的目的是保證并行旋流之間的穩(wěn)定性，故湍流強度[11]是另一個能夠直觀反應(yīng)這一指標的量。本文選取出口下方15mm處，分析3種結(jié)構(gòu)在不同流量下的湍流強度的分布如圖5所示。

如圖5所示，每種結(jié)構(gòu)的湍流強度都隨流量增大而變大，這是因為流動速度越大，越容易產(chǎn)生湍流。但值得注意的是，比較相同流量下不同結(jié)構(gòu)的湍流強度，可以發(fā)現(xiàn)平均下來底流口直徑8mm的結(jié)構(gòu)最強，16mm的次之，12mm的最弱；具體的對比如表1所示。

圖5 不同結(jié)構(gòu)湍流強度分布對比

分析其原因，是因為8mm結(jié)構(gòu)的液斗的錐角太大，壓強和壓強梯度均增加快速，器壁對流體的反作用力強，流體所受阻力更大[12]；而16mm結(jié)構(gòu)的液斗底流出口大，形成的旋流自穩(wěn)定性效果反而小，故兩者的湍流強度都高于12mm結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對水力旋流器并聯(lián)公共液斗流量行進了模擬研究，結(jié)論如下：

（1）速度分布均勻性和對稱性隨著流量增大而變差，流量越大，分布越不均勻；在入口正下方區(qū)域速度較低，而在4個入口交界處速度較大。另一方面，在流量相同的情況下，速度分布的對稱性隨著底流口增大而變差。

（2）每種結(jié)構(gòu)的湍流強度都隨流量增大而變大。比較相同流量下不同結(jié)果的湍流強度，底流口直徑8mm的結(jié)構(gòu)最強，16mm的次之，12mm的最弱。

（3）綜合模擬計算的結(jié)果，底流口直徑為12mm的液斗性能最佳，可作為水力旋流器并聯(lián)公共液斗。

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Study on flow rate of parallel common liquid bucket of hydrocyclone based on CFD

AO Xing-you，LIU Xiu-lin＊，KANG Da-di，LUO Rong，LIU Zong-hao，YAO Xiang

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

In order to solve the problem of decreasing separation efficiency of parallel hydrocyclones, a new bin structure of parallel hydrocyclones is designed. For the diameter of the underflow port of the bin structure, three different structures of 8mm, 12mm and 16mm are designed, and the flow field stability for the three structures is analyzed and compared with CFD. Under the same flow rate, the symmetry of velocity distribution becomes worse with the increase of underflow port; and the average turbulence intensity of 12mm structure is less than 16mm and 8mm under different inlet velocities.

hydrocyclone；parallel common liquid bucket；CFD；turbulence intensity

2021-09-16

黑龍江省省屬高等學校基本科研業(yè)務(wù)費科研項目（135509209）；齊齊哈爾市科技計劃創(chuàng)新激勵項目（CGYGG-2020002）；黑龍江省大學生創(chuàng)新訓練項目（202110232054）

敖興友（1999-），男，貴州銅仁人，本科，主要從事過程裝備與控制應(yīng)用研究，1474248095@qq.com。

劉秀林（1990-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，碩士，主要從事化工流體機械研究，18810987535@163.com。

S277.9;TQ021.1

A

1007-984X(2022)02-0011-04