傾斜入介口重介質旋流器流場特性研究

李海軍

（1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012）

目前，重介選煤工藝以其分選效率高在煤炭洗選領域得到普遍應用，重介質旋流器作為重介選煤的核心設備在選煤生產中應用廣泛。目前，國內外旋流器入料的形式主要有切線、漸開線等，以這些傳統方式給料時，入料的引導方向均垂直于旋流器軸向，與設備內部流場的螺旋角度不一致，這無疑會增加分選過程中的能耗。重介質旋流器的入介口傾角對其內部流場分布有很大影響，而其中的速度場對設備能耗影響明顯。為降低分選過程中的設備能耗，研究設計了與旋流器內部流場的螺旋角度基本一致的傾斜入介口重介質旋流器。首先采用PIV測試技術，對傳統入介口重介質旋流器與傾斜入介口重介質旋流器的內部流場進行測試，然后采用CFD數值模擬技術，對不同入介口重介質旋流器的內部流場進行數值模擬，以為重介質旋流器的結構優化提供參考。

1 研究對象

傳統入介口重介質旋流器與傾斜入介口重介質旋流器的結構基本相同，二者的主要區別在于入介口與旋流器中心軸線的夾角。傳統重介質旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角為90°，而本次研究的傾斜入介口重介質旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角分別為87°、85°、83°。兩種重介質旋流器的結構示意圖如圖1所示。

圖1 兩種重介質旋流器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of two kinds of dense medium cyclones

2 PIV測試研究

重介質旋流器內部流場的檢測以往采用的是接觸式檢測技術，主要檢測儀器為壓電探針、畢托管、電磁流速計等，檢測時探頭或探針需要插入流場內部，而這會對流場產生一定干擾，導致檢測數據與實際情況誤差較大。19世紀末，基于非接觸測試技術研制出的激光多普勒測速儀 (Laser Doppler Velocimetry，簡稱LDV)被應用到重介質旋流器內部速度場的測試中，但LDV只能進行單點檢測，實測重介質旋流器內流場速度時需要在較長的時間內逐點測量，再匯總出整個流場速度分布規律，而非穩態流動的流場是時刻變化的，通過LDV檢測到的重介質旋流器內部流場數據存在滯后性。

粒子成像測速 (Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)技術可瞬時得到整個檢測區域的速度分布，突破了只能單點檢測的局限性，可對檢測區域內的二維或三維空間進行全區域速度檢測，且對速度場無干擾，同時可獲得流動的渦量場、脈動速度場、瞬時速度場及雷諾應力等分布數據。因此，選用PIV測試技術對重介質旋流器內部流場進行測試。

2.1 研究目的

根據PIV測試的實測數據，對比分析傳統入介口重介質旋流器與傾斜入介口重介質旋流器的流場分布特性;采用PIV測試的實測數據探索適合傾斜入介口重介質旋流器的數值模擬方法，為下一步的數值模擬研究提供理論基礎。

為了全面分析重介質旋流器內部的流場分布特性，采用透光率極高的有機玻璃 (亞克力)加工制作了圖1所示的兩個φ 200 mm的試驗模型，其中傾斜入介口重介質旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角為85°。采用PIV測試系統 (圖2)對兩個試驗模型進行研究。

圖2 PIV測試系統Fig.2 PIV testing system

2.2 測試結果與分析

試驗選取旋流器中速度分布具有代表性的距離旋流器底端300 mm的截面進行PIV測試。經測試計算，得到傳統入介口重介質旋流器和傾斜入介口重介質旋流器的切向速度、徑向速度、軸向速度，測試結果如圖3所示。

圖3 傳統入介方式重介質旋流器和傾斜入介口重介質旋流器內部流場速度分布Fig.3 Velocity distribution of inner flow field of dense medium cyclone with inclined medium inlet and the traditional one

由圖3可知:傾斜入介口重介質旋流器的三維速度普遍高于傳統入介口重介質旋流器。切向速度、軸向速度的增大對于重介質旋流器實現高效分選非常有利，而徑向速度的提高不利于重介質旋流器的高效分選，但如果將徑向速度控制在合適的范圍內，就不會影響重介質旋流器的高效分選［1－2］。

傾斜入介口重介質旋流器的三維速度大，說明在達到相同分選效果的情況下傾斜入介口重介質旋流器能耗低，節能降耗效果較明顯。

3 CFD數值模擬研究

PIV測試結果說明傾斜入介口重介質旋流器內部流場分布優于傳統入介口重介質旋流器，但是85°并不一定是傾斜入介口重介質旋流器的最佳入介角度。為了更便捷地找出最佳入介角度，需采用計算機數值模擬技術對其進行優選。

重介質旋流器內部的流體流動是一種三維的強旋轉剪切湍流運動，對于這種復雜的流動，通常需要由試驗或生產實踐的經驗公式來確定設備的幾何參數和操作參數等。但是經驗模型種類繁多，每種模型的應用范圍有限，需要通過大量的試驗才能得到，而試驗需要大量的人力、物力、財力、時間，所需成本較高。目前，研究流場問題的現實方法是試驗研究和數值模擬，對于能夠采用合適的模型描述的流動問題，數值模擬的優越性往往大于試驗研究。為此，采用CFD數值模擬技術尋找傾斜入介口重介質旋流器的最佳入介角度。在前處理Gambit中根據確定的重介質旋流器試驗模型，按1∶1建模、劃分網格、設定邊界條件，在數值分析軟件Fluent中設定相關工藝參數、選擇湍流模型，并進行迭代計算和收斂后數據的處理分析。

3.1 數值模擬計算

數值分析軟件Fluent中有很多數值模擬計算模型，適用于不同流態數值模擬計算。為了選擇合適的湍流模擬模型，在相同的邊界條件下分別采用k－ε模型、RSM模型、大渦模型對傾斜入介口重介質旋流器的流場進行了探索性模擬。模擬結果表明:采用RSM模型得到的重介質旋流器切向速度和軸向速度的預測值 (圖4)與PIV檢測結果吻合程度最高，證明Fluent提供的Reynolds應力模型在模擬計算重介質旋流器參數進行優化是可行的。

圖4 入介口傾角為85°時重介質旋流器的切向速度與軸向速度Fig.4 Tangential and axial velocity of dense medium cyclone at 85°angle of inclination on medium inlet

3.2 研究結果

在數值模擬計算時，將入介口傾角設為90°、87°、85°和83°，在其他結構參數、工藝參數不變的條件下，進行數值模擬計算分析，并將采用多個模型模擬所得的三維速度數據進行對比 (圖5)。

由圖5(a)切向速度比較曲線圖可以得出:在相同工況條件下，重介質旋流器的切向速度在入介口傾角為83°和85°時最大值是相同的，切向速度值為4 m/s。在相同截面上，隨著入介口傾角的減小，切向速度呈增大的趨勢，但當入介口傾角減小到85°后，切向速度不再繼續增大。這說明，在一定范圍內適當減小重介質旋流器的入介口傾角，可使切向速度增加，從而使得離心作用加強，有利于提高重介質旋流器的有效分選下限。

由圖5(b)徑向速度比較曲線圖可以看出:在相同的工況條件下，重介質旋流器內的徑向速度是隨入介口傾角的減小而增大的。徑向速度的增加對重介質旋流器的分選不利，但其在一定范圍內變化時對分選效果不會產生太大的影響，因此在確定重介質旋流器的參數時應嚴格控制徑向速度，使其不要過大。如果徑向速度值過大將直接影響重介質旋流器的分選效果。

由圖5(c)軸向速度比較曲線圖可見:在相同的工況條件下，在重介質旋流器有效分選區域 (徑向位置30～80 mm)內，軸向速度的絕對值隨入介口傾角的減小而增大。軸向速度的增加有利于將旋流器內得到分選的物料及時排出，從而增加設備處理能力，對物料的分選起著積極作用。

4 結論

通過以上研究分析，可以得出如下結論:

(1)采用RSM模型模擬得到的重介質旋流器切向速度和軸向速度的計算值與PIV試驗測量的結果擬合程度高，應用數值模擬計算的方法優化重介質旋流器結構參數的方法是可行的。

(2)PIV測試表明，傾斜入介口的重介質旋流器流場分布形式優于傳統旋流器，并通過數值模擬計算得出，當入介口傾角在85°左右時，旋流器內部流場相對最優。因此，為了降低旋流器功耗、降低入介壓力、延長旋流器的使用壽命，在旋流器設計時宜選用傾斜入介口的入介形式。

［1］錢愛軍.雙錐體重介質旋流器研發與應用 ［J］.煤炭工程，2013，45(10):125－127.

［2］錢愛軍.3GNZX300/230型雙錐有壓三產品重介質旋流器的研究 ［J］.選煤技術，2014(4):1－5.