水力旋流器的三維模擬

劉建平，陳茂兵

（中建中環工程有限公司，江蘇 南京 210008）

1 引言

水力旋流器作為一種機械式的分離裝置廣泛應用于采礦、化工、食品、環保、醫藥等各個行業。它的主要原理是利用工作介質的密度差異，所受的離心力不同，形成溢流與底流的分層，從而使混合的工作介質分離開來。計算流體力學（CFD）是通過對物理模型劃分網格，離散封閉的湍流模型，然后進行迭代計算的一種流體力學的數值計算方法。旋流器作為一種結構復雜、含有強旋流的湍流流動，利用計算流體力學來研究、設計和改進這種設備一直是國內外研究人員的一個方向。如Dai等采用k－ε湍流模型對旋流器內流場進行了數值模擬[1]，He等在k－ε模型中引入Richardson數來修正湍動能耗散率，從而考慮了旋流器內由于強旋運動而造成的各向異性問題[2]；鄒寬等利用雷諾應力模型分析旋流器內流場分布，得到了與試驗數據比較接近的結果[3]。

雷諾應力模型（RSM）在模型化雷諾應力張量時，對于非同向雷諾應力張量的乘積并沒有如標準k－ε兩方程模型一樣設為0，而是通過一系列變換和假設建立方程將整個模型封閉，因此雖然雷諾應力模型要比標準k－ε兩方程模型的方程多，但是由于考慮了湍流的各向異性，它是現有湍流模型中比較適合應用于旋流器數值模擬的。文獻[3]中鄒寬等利用RSM模型計算旋流器流場，得到了較好的結果，但是他采用了簡化的二維軸對稱的物理模型，而實際旋流器單向入口非對稱的結構肯定會對內部流場產生重大影響。因此本文就是采用RSM模型，對文獻[3]中的旋流器進行三維數值模擬計算，得到的結果與實驗數據及文獻[3]中的計算數據進行比較，分析非對稱結構對旋流器流場的影響。

2 物理模型

本文的物理模型采用文獻[3]中的旋流器：旋流器直徑D＝76mm；溢流口直徑D1＝0.34 D；底流口直徑D2＝0.16 D；進口采用方形進口，邊長根據雷諾相似準則得到α＝0.07πD；溢流管壁厚3mm；柱段長度L1＝0.67 D；錐段長度 L2＝4.33 D；溢流管插入深度L3＝0.4 D；工作介質為水，進口流量為0.407kg／s；分流比1∶4（底流／溢流）；其他邊界條件根據經驗公式得到。物理模型的計算網格數為87萬網格（圖1）。

圖1 水力旋流器物理模型

3 計算結果

首先取距離頂部0.18m距離處分析，與試驗數據和文獻[3]的計算結果比較如下。

從圖2和圖3中我們可以看出，對于軸向速度，三維模擬計算的結果在峰值部分要更接近實驗值，在軸心位置也是如此。而對于r＞0.01m的部分，無論是切向速度還是軸向速度，三維模擬結果與實測值吻合得都相當好。這說明采用三維數值計算的結果是可信的。

圖2 0.18m處截面上的切向速度

圖3 0.18m處截面上的軸向速度

圖4是距離頂部0.06m、0.18m、0.37m處圓截面上4個半徑上的切向速度。

圖4 0.06m、0.18m、0.37m處截面上4個方向的切向速度

從圖4中我們可以看出，z＝－0.18m處，4個方向的切向速度比較一致，但是在z＝－0.06m處和z＝－0.37m處，切向速度有比較明顯的差異，這是因為在z＝－0.18m處，流場已經充分發展，對稱形狀的圓柱段和圓錐段結構使得流場更接近于軸對稱；在z＝－0.06 m處，非對稱結構的單向入口對流場影響還比較大，因此流場呈現非對稱的形態；而在z＝－0.37m處，流場接近出口，流場的對稱形態被破壞，各個方向的切向速度再次呈現較大的差異。另外值得注意的是在軸心處，各個高度的切向速度都不為零，這和軸對稱假設是完全矛盾的。

4 結論

通過分析三維模擬計算的結果，我們可以得到如下結論。

（1）通過三維數值計算來模擬旋流器的流場具有一定的可信性，這為產品的開發和改進提供了一種可行的選擇；

（2）對于單向入口非對稱結構的旋流器，利用二維軸對稱模型來進行數值計算是值得商榷的，因為非對稱結構對流場具有較大的影響。

[1]Dai G，Li J M，Chen W M.Numerical Prediction ofthe Liquid Flow Within a Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal，1999，74：217～223.

[2]He P，Salcudean M，Gartshore I S.A Numerical Simula－tion of Hydrocyclones[J].＇I1ans .IchemE，1999，77（Part A）：429～439.

[3]鄒 寬，楊 茉，曹 瑋，等.水力旋流器湍流流動的數值模擬[J].工程熱物理學報，2004（1）：127～129.