淀粉分離旋流器液固兩相流場的流體動力學研究

武文斌 王 新 王彥波

(河南工業大學糧油機械研究所1,鄭州 450007)

(農業部南京農業機械研究所2,南京 210014)

淀粉分離旋流器液固兩相流場的流體動力學研究

武文斌1王 新2王彥波1

(河南工業大學糧油機械研究所1,鄭州 450007)

(農業部南京農業機械研究所2,南京 210014)

因為淀粉分離旋流器內部流體流動的復雜性,所以只能依靠實測研究和經驗方程去預測和檢驗設備的性能,但這些方法無法從根本上解釋旋流器分離機理。利用 CFD分析軟件對小直徑的淀粉分離旋流器進行了仿真計算,采用 RS M模型對單相流場進行了模擬,重點分析了流場的速度場分布情況以及旋流器內廣泛存在的循環流現象;進而在單相流場的基礎上采用M IXTURE模型對旋流器內液固兩相流場進行了模擬,重點分析了旋流器內壓降和進口流量之間的關系,并通過與以前的實測結果和經驗公式的對比,驗證了流場計算的可靠性。

計算流體動力學 淀粉分離旋流器 湍流 液固兩相流

采用水力旋流器可以完成淀粉的除砂、澄清、濃縮、洗滌精制等多種操作,所以水力旋流器在淀粉工業中得到廣泛的應用,但目前研究主要采用“黑箱”法,這對了解旋流器內部的流動和分離規律非常困難。隨著計算機技術的發展出現了計算流體動力學(CFD),這是一種以流體為研究對象的數值模擬技術,CFD技術能夠對旋流器在設計和操作條件下預測內部流場特性,為水力旋流器的研究提供了一種新方法。

試驗以 30 mm直徑的淀粉分離用旋流器為例,選用 RS M模型[1-2]描述湍流;并針對淀粉分離旋流器內淀粉顆粒體積比大于 10%的情況,而采用M IX2 TURE模型[3]對液固兩相流場進行數值計算,并將得到的單相和兩相模擬結果與經驗公式和實測結果進行比較,驗證流場數值計算的準確性。

1 基本計算方程

目前工程湍流計算中所采用的基本方法是Reynolds時均方程法,該方法用于水力旋流器的主要模型有標準 k—ε模型、RNGk—ε模型和雷諾應力模型(RS M)。研究表明旋流器內強旋流場的湍流黏性系數是各向異性的,由于標準 k—ε模型假定湍流為各向同性的均勻湍流,所以在水力旋流器這種非均勻湍流問題的計算中存在較大誤差,RNGk/ε模型也沒有突破渦黏性假設下的各向同性的框架,其各種改進形式往往具有很大的局限性和條件性。而雷諾應力模型 (RS M)完全摒棄了渦黏性假設,直接求解雷諾應力微分輸運方程得到各應力分量,考慮了雷諾應力的對流和擴散,比較適合模擬水力旋流器的強旋轉湍流。因此本試驗采用雷諾應力方程模型對旋流器流場進行研究。

旋流器內湍流采用雷諾應力 (RS M)方程,它由時均 N—S控制方程、雷諾應力輸運方程和耗散率方程組成封閉方程組進行求解。

而對多相流場采用M IXTURE模型,每個相當成單相處理,考慮相間的作用,流體允許相互貫穿,采用滑移速度概念。混合模型求解混合相的連續性方程、動量方程,第二相的體積分數方程,以及兩相間的滑移速度。

混合相的連續性方程為:

式中 :υm為質量平均速度 /m/s;ρm為混合密度 /kg/m3;m?為質量源的質量傳遞。

2 計算模型建立

2.1 假設前提

對計算模型做如下假設[4]:假設流場恒溫,不考慮能量傳遞;不考慮由于流體與壁面摩擦而產生的熱效應;顆粒進口速度等于液相的流速,且均勻分布于入口;顆粒相和液相之間無能量交換。

2.2 幾何建模

根據目前常用的馬鈴薯淀粉分離用水力旋流器型號,水力旋流器的幾何結構主要包括水力旋流器直徑 D、進料口尺寸 a×b、溢流管直徑 Do及底流管直徑 Du、錐體角度θ、溢流管插入深度L、筒體柱段長度 H。幾何尺寸如表 1所示。

表 1 淀粉分離旋流器幾何結構

根據選定的幾何結構參數,利用 CFD分析軟件FLUENT的前處理軟件 GAMB IT建立三維幾何模型,而后進行網格劃分,考慮到淀粉分離旋流器的實際流動特征,在軸心和壁面區域加密網格,將整個三維模型劃分為大約 9.7萬個六面體網格,如圖 1和圖 2所示。

2.3 求解方法

由于具有三階截差的QUCIK格式可獲得更高的精度,而且主要用于六面體網格,因此本研究采用QU I CK格式,用 SI MPLEC算法來處理壓力和速度的耦合,壓力插值方式為 PRESTO格式。

2.4 邊界和初始條件

2.4.1 液相邊界條件

進口邊界設置為速度入口,溢流和底流出口邊界設置為壓力出口,壁面采用無滑移無滲透固壁條件。

2.4.2 固相邊界條件

固相入口設置為假定顆粒在懸浮液中視均勻分布的,固相和液相速度相同;顆粒碰壁條件設置為反彈邊界條件。表 2為旋流器兩相模擬入口物性參數和入口操作參數。

表 2 旋流器兩相模擬入口物性參數和入口操作參數

3 單相流場分析

根據旋流器的工作原理可知,液體在水力旋流器中同時產生兩種基本的同向旋轉液流 -順螺旋線向下流動的外旋流和沿螺旋線向上流動的內旋流,即為水力旋流器內流體的雙螺旋模型[5]。圖 3所示為模擬出的旋流器內流體運動跡線。

圖 3 旋流器內流體運動跡線

3.1 軸向速度

圖 4為模擬出的不同旋流器高度截面上軸向速度沿徑向變化曲線分布,將圖 4與徐繼潤[6]通過三維測速儀實測出的軸向速度分布比較發現變化趨勢基本一致。由圖 4可見軸向速度分布存在以下特點。第一,在深入旋流器內腔的溢流管口以下和底流口以上區域,向上的軸向流動比向下的流動要快的多,這表明大部分介質進入了溢流;第二,在靠近溢流口區域的軸向速度存在雙環流動,也就是軸向速度兩次改變方向,可見在此區域存在循環流和短路流;第三,在溢流口末端以下底流口以上的主分離區,軸向速度由器壁離軸線愈近而愈高,速度值由負變正,在旋流器內沿半徑方向上的中部通過零點,通過液體軸向速度為零的各點,可以描繪成一個圓錐形表面,即零軸速包絡面 (LZVV)。如圖5所示為零軸速包絡線和包絡面,該面內部液體向上流動,形成內旋流,而在其外部的液體則向下往底流口方向流動,形成外旋流。

3.2 切向速度

圖 6為不同旋流器高度截面切向速度沿徑向變化曲線分布,從整個徑向截面切向速度分布來看,其分布曲線呈明顯的“駝峰”曲線,即每側都存在一個最大切向速度點,所有的最大切向速度點可以形成一個分界柱面,而且隨著旋流器高度的增加,最大值點的切向速度值在降低,如在軸向高度為0.015 m時,切向速度為 7.17 m/s;而當軸向高度為0.025 m時,切向速度為 5.78 m/s,而且切向速度大部分都為正值,這是由于柱坐標系中流體運動方向與主流方向一致,符合右手定則,但通過云圖發現,在主分離區軸心區域還是存在一些負值區域,分析認為這是二次渦流所導致。模擬結果與徐繼潤等[6]通過對水封式旋流器研究所得出的結論是一致的。

圖 6 不同旋流器高度截面切向速度沿徑向變化曲線分布

3.3 循環流現象

通過對軸向速度分布的分析,發現在溢流管壁外側存在雙環流動,即出現了循環流現象?？蓮膱D 7中 Y=0縱截面上可以看出,深入到旋流器內腔中的溢流管外壁與旋流管內壁之間區域的速度矢量呈橢圓軌跡的圓周運動,即發生了循環流動。循環流的出現會對馬鈴薯淀粉分離效率產生很大的負面影響。根據模擬出的循環流的特點,結合前人經驗,本文采用增加溢流管壁厚度的措施來研究其對循環流的影響,圖 9為增加溢流管壁厚3 mm以后所得到的軸向速度分布,與圖 8實際工況下所采用的溢流管壁厚為 1 mm的軸向速度比較可知,圖 7中雖然也存在雙環流動,但是在徑向循環流的區域已經變小,在圖 6中溢流管壁附近的兩個零軸速之間也就是循環流的徑向距離為 2.5 mm,而增加溢流管壁厚以后所得循環流的區域在徑向上只有1.25 mm,說明增加溢流管壁厚可以在一定程度上減小循環流的影響,但是還不能完全消除。

4 液固兩相流場分析

4.1 顆粒在旋流器內的體積分布

圖 10和圖 11分別為在 Y=0縱截面混合相體積云圖和 Z=0.01 m橫截面混合相體積分布云圖,從圖 10和圖 11中可以很明顯的看出按照體積比不同而形成的分層?？偨Y相的分布規律為:第二相也就是顆粒相 (a)主要分布在外圍器壁附近,第一相也就是水 (b)主要分布在軸心區域,另外在兩者之間還存在相間混合過渡區域。這種分布直觀地反映了旋流器的分離規律,當流體進入旋流器后,淀粉等密度大的顆粒所受離心力大,向壁面附近運動,而輕雜所受離心力小,主要分布在軸心區域。

4.2 淀粉分離旋流器的工藝指標計算

淀粉分離旋流器的工藝指標包括旋流器的能耗指標—壓降,因此通過改變入口物料的流量預測其對旋流器壓力降的影響,從而找出水力旋流器入口流量—壓力降的規律。

本研究中數值模擬計算所采用的是動壓降和靜壓降之和來計算水力旋流器的總壓降,其中水力旋流器的壓降指進口處的壓降和兩個出口處的壓力之差,并且用流量加權平均來表示總的能量損失:

式中:Q,Qu,Q0分別為進口流量,溢流口流量,底流口流量 /L/min;ΔPu,ΔP0分別為進口與底流口,進口與溢流口之間的壓降 /kPa。

表 3給出了不同的進料流量下計算模型的壓降值,并與 Plitt[7]經驗公式所計算出的壓降進行對比分析,數據比較接近。為更清晰看出壓降隨流量的變化趨勢,將表 3的數據繪成曲線圖 12。由表 3及圖 12可見,隨著流量的增大,模擬靜壓降、動壓降絕對值、總壓降均隨之增大。因此,當進口料液流量增大,即生產能力增加時,壓降隨之增加。模擬動壓降/kPa -16.1 -37.5 -52.2 -63 -86.9-100.6模擬總壓降/kPa 58.3 93.4 120.1 134.2 136.6 138.6經驗公式壓降 /kPa 66.5 111.9 142.8 148.6 165 173.5

表 3 流量—壓降關系表

圖 12 流量—壓降關系表

5 結論

5.1 模擬得到的三維速度分布在變化趨勢上是基本一致,同時通過改變入口流量模擬得到的進出口壓降變化與經驗公式比較基本相同。而且通過數值模擬能夠更直觀的顯示旋流器內液固兩相的變化趨勢。表明利用 CFD對水封式淀粉分離旋流器流場的模擬結果具有較好的準確性。

5.2 通過流場計算的結果表明增加溢流管壁厚可以在一定程度上減小循環流的影響。

5.3 通過旋流器兩相的體積分布變化,當流體進入旋流器后,淀粉等密度大的顆粒所受離心力大,向壁面附近運動,而輕雜所受離心力小,主要分布在軸心區域,解釋了兩相分離機理。

5.4 模擬發現,旋流器流量的增大,模擬靜壓降、動壓降絕對值、總壓降均隨之增大。結果與經驗公式的基本相似說明通過模擬結果得到壓降的變化是可信的。

這些分析結論為進一步改進淀粉旋流器的結構、優化旋流器的工藝指標、提高其淀粉分離效率等提供了很好的設計依據。由于主要是針對旋流器內部流場的研究,期望能從內部流場的改變去研究分離機理的變化和影響,所以對分級效率的直接研究不足,因此下一步研究的重點是通過內部流場的變化對分離效率的影響。

[1]梁政,吳世輝,任連城,等.論水力旋流器流場數值模擬中湍流模型的選擇[J].天然氣工業,2007,27(3):119-121

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[7]PlittL R.A mathematicalmodel of the hydrocyclone classifi2 ers[J].CI M Bulletin,1976,(3):114-123.

Numerical Si mulation and Research on Flow Field in Starch-Separating Hydrocyclone

WuWenbin1Wang Xin1,2Wang Yanbo1
(Henan univercity of technology1,Zhengzhou 450007)
(Nanjing Research Institute forAgriculturalMechanizationMinistry ofAgriculture2,Nanjing 210014)

Because the flow behavior in a hydrocyclone is very complicate,designers can only predict the perfor m2 ance of device relying on experience equation,and it is not satisfied.The s mall diameter hydrocyclone for starch sep2 arating wasmodeled and the internal flow field was calculated by using program CFD.The RS M modelwas adopted to simulate the single-phase flow field,emphasizing the velocity distribution of internal flow field and the circulation flow that exists extensively in hydrocyclone.And then adopting the M IXTURE model to si mulate the flow of solidfluid two phases in hydrocyclone based on single-phase flowing.The relation between pressure drop and inlet flux were analyzed.It is proved that the calculated results agree with experimental results accurately.

computational fluid dynamics,starch-separating hydrocyclone,turbulence,solid-liquid two pha2 ses flow

TS 231

A

1003-0174(2010)01-0117-06

2009-02-03

武文斌,男,1959年出生,教授,博士,碩士生導師,糧食機械的結構設計和特種加工