FLUENT 在濃縮機模擬中的應用及發展方向

劉紅娜

（煤炭科學研究總院唐山研究院，河北唐山,063012）

0 概述

選煤是煤炭工業中提高煤炭質量的重要生產環節。在選煤工藝中，許多主選作業都是以水為介質的，如重介選、跳汰選、浮選、脫泥和水力分級等作業，經主選作業后就會產生大量煤泥水，如果直接排放會嚴重破壞廠區及周邊的生態環境，并造成資源浪費，因此必須對煤泥水進行處理，以做到煤泥廠內回收，澄清水循環復用。在煤泥水處理工藝中，濃縮機被大量應用于濃縮澄清環節，是整個工藝系統的關鍵設備之一，它的濃縮澄清效果將直接影響循環水系統的水質以及煤泥回收率。

為了提高濃縮機的濃縮澄清效率，國內外學者進行了大量研究，濃縮機從傳統濃縮機向深錐濃縮機再向新型高效濃縮機進行轉變。在傳統濃縮機的基礎上，現代濃縮機的結構和性能不斷得到優化，類型也趨于合理，主要表現在以下幾點：直接將礦漿給入沉降區下面，形成泥漿沉降過濾層，對上升液體進行再過濾；在進入濃縮機之前對入料礦漿進行排氣，并采用靜態混合器及多點加藥方式，使煤泥與藥劑充分混合，形成最佳的絮凝狀態；在濃縮機中的澄清區下部和自由沉降區中裝設傾斜板或傾斜管，進一步降低溢流濃度。

Fluent 軟件是目前技術領先、功能最全面、應用最廣泛的一款基于CFD 思想的數值模擬軟件，它主要針對流體流動、傳熱和化學反應等復雜物理現象，在流動基本方程的控制下對其進行數值模擬。針對物理問題的流動特點，采用合適的數值解法，綜合考慮計算速度、模擬精度和穩定性等因素的最佳組合，從而高效地解決各個領域的復雜流動計算問題，得到流場內各個位置上的基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況等。它提供了非常靈活的網格特性，可以使用非結構網格和混合型非結構網格來解決具有復雜外形的流動。FLUENT 具有豐富的物理模型和先進的數值方法，并提供了多種邊界條件定義方法，可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動問題的分析，可完成多種參考系下流場模擬、定常與非定常流動分析、可壓縮和不可壓縮流動計算、層流和湍流模擬、傳熱和熱混合分析、多相流分析、多孔介質分析等。

1 模擬應用研究

近年來，人們逐漸認識到Fluent 軟件在濃縮機設計及應用過程中的重要性，并著手開始進行相關的模擬研究。目前，對濃縮機進行數值模擬的研究比較少，主要集中于耙式濃縮機流場、給料井附近流場、刮耙附近流場三個方面。

1.1 濃縮機模擬的應用研究

中國礦業大學化工學院的賈凱、王永田和龔豪利用Fluent 軟件對濃縮機內煤泥水的沉降過程和濃度分布進行了模擬分析研究，采用RNG 湍流模型和MIXTURE 多相流模型，并運用SIMPLE 速度壓力耦合算法進行求解，得到流場模擬結果如圖1 和圖2 所示。

從圖1 中的流速場云圖中可以看出，濃縮機流場內的流速范圍為0.1m/s-1.1m/s，整體上偏小，為煤泥的沉降運動創造了良好的環境。從流速矢量場中可以看出，垂直入料在折流板的導向作用下，從水平方向給入濃縮機，有效避免了高速煤泥水對已經形成的壓縮區的沖擊攪動；同時，在給料筒兩側產生了一定的回流。從圖2 中不同位置處料漿濃度隨深度的變化規律可以看出，濃縮機內距離中心軸不同位置處的煤泥濃度在深度方向上呈現相似的非線性變化規律—濃度值由上至下逐漸增大，濃度梯度則隨著沉降過程的進行呈現不同的變化規律。

圖1

圖2 濃度隨深度的變化規律

1.2 FLUENT 在濃縮機給料井設計中的應用研究

太原科技大學機械工程學院的宋戰勝、王守信、郭亞兵和郭印坤借助Fluent 軟件平臺，采用混合多相流模型和標準模型，對流經一新型給料井的流場進行了仿真模擬研究。模擬結果如圖3 所示。

從圖中可以看出，在給料井內部流場，礦漿流速較大，湍動能相對較高，其中入料口處更加明顯，從而使礦漿在給料井內與絮凝劑充分、均勻混合。同時，由于內導流殼體對礦漿的反作用力以及切向入料造成的礦漿輻射擴散，使得礦漿流速逐漸降低，有利于礦漿中固體顆粒的沉降，從而使給料井下部固相濃度較高。根據濃縮池中不同高度截面處的流場分布圖可以看出，在濃縮池不同高度處流速具有相同的分布規律：中間區域流速小于池壁附近的流速。流速越小，礦漿越易于沉降，因此濃縮池中心區域的礦漿濃度要高于周邊區域。

圖3 給料井內流場分布

1.3 濃縮機刮耙流場的仿真研究

機械科學研究總院的楊非、樓上游和胡建成借助Fluent軟件計算平臺，應用滑移網格技術和SIMPLEC 速度壓力耦合算法，對斜板式刮板附近的流場進行了仿真模擬，并對濃縮機流場內的壓力、速度分布情況進行了分析。

通過對模擬結果的分析比較，可以看出：流場壓力在刮板附近發生了明顯的變化，在刮板前緣附近產生正壓，在刮板尾緣附近則主要產生負壓，并且，壓力值隨著半徑的增大而增大；而在最外側刮板處，負壓幾乎集中在整個刮板外側，并且正、負壓的最大值同時出現在該刮板前緣附近。由此可推知，刮板背面產生的負壓會對池底流體產生作用，從而使得礦泥在刮板推力、刮板拉力和重力三個力共同作用下向中心流動。刮板附近的流體速度指向濃縮機中心，并隨著半徑的增大而增大，使得濃縮后的料漿流向中部的集泥斗；在刮板上側產生的指向液面的垂直流動隨半徑的增大而增強，同時，在最外側刮板上部存在因壓差而產生的強烈的反向流動，使得刮耙在較高轉速下，邊緣刮板效率快速降低；而在耙式濃縮機的中部區域，高耙臂轉速下的刮耙刮泥效率明顯要高于低耙臂轉速。

上述模擬均在一定程度上對濃縮機流場進行了研究，但是仍然存在以下缺陷：

1) 標準模型和RNG 模型均是高Re 數的湍流模型，只有在充分發展的湍流流動中才有效，對近壁區的流動，分子粘性的影響較大，Re 數較低，湍流發展并不充分。因此，近壁區域的模擬不能使用標準模型和RNG 模型，必須采用壁面函數法或低Re 數模型進行處理。

2) 上述模型在建立過程中均進行了簡化處理，或者僅對局部進行了建模，因此模擬結果不能用來定量描述濃縮機的實際流動情況，只是在不同層面上對料漿的流動模式進行了闡述。

3)由于多相流模型和湍流模型的限制，模擬過程中并不能觀察到固體顆粒的實際絮凝沉降過程。

2 發展方向

根據上述分析，Fluent 模擬在濃縮機設計中的發展方向主要體現在三個方面：一是根據以往的模擬經驗，對現有濃縮機進行數值模擬，如：傾斜板（傾斜管）濃縮機數值模擬、深錐濃縮機數值模擬、煤泥水和絮凝劑混合過程的數值模擬等，根據模擬結果對濃縮機參數進行優化；二是運用Fluent 軟件的CFD 程序接口，通過編寫插件自定義相應的模型，實現對煤泥水沉降過程的分析。三是根據現今選煤廠的入選原煤特點，運用Fluent 軟件進行新型濃縮機的設計，探索新的、效率更高的濃縮理論。隨著計算流體力學和Fluent 軟件應用的不斷深入，它必將快速推動濃縮設備結構改進和優化的進程，從而提高煤泥水處理的效率。

[1] 李曉英,沈麗娟,陳建中等.煤泥高效濃縮機技術特點分析[J].選煤技術,2008,(2):40-41.

[2] 王福軍編.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:21-22.

[3] 賈凱,王永田,龔豪.濃縮機內煤泥水沉降流場和濃度分布的數值模擬[J].金屬礦山,2012,(6):120-123.

[4] 宋戰勝,王守信,郭亞兵等.濃縮機新型給料井的設計及其流態模擬仿真[J].礦山機械,2012,40(11):65-68.

[5] 楊非,樓上游,胡建成.濃縮機刮耙流場數值仿真研究[J].礦山機械,2011,39(12):88-91.