粒徑對水力旋流器性能影響因素的數值模擬分析

呂成

摘 要：本文通過計算流體力學方法，對水力旋流器內液固湍流流場進行數值模擬研究。主要研究水力旋流器進料速度、溢流管位置和尺寸、固相顆粒粒徑對水力旋流器固液分離穩定工況時內部壓力分布、軸向速度和切向速度分布以及水力旋流器的分離效率、壓力降等性能參數的影響，得出各參數對于水力旋流器內部顆粒運動的影響和分離的效果。

關鍵詞：水力旋流器；數值模擬；固液兩相流

中圖分類號：TE931.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0058-02

1 引言

水力旋流器是一種廣泛應用的分離設備，可用于完成液體澄清、料漿濃縮、固相顆粒洗滌、液相除氣與除砂、固相顆粒分級與分類以及兩種非互溶液體的分離等多種作業[1]。它開始在采礦工業中廣泛應用，后來又逐漸在化工、石油、食品、醫藥、環保、造紙和紡織等行業中成功應用。

20世紀50年代，人們對水力旋流器的研究主要是實驗研究[2]。然而通過實驗來研究水力旋流器的性能不僅周期長、經費投入多、人力物力消耗大，而且往往會受到模型尺寸、測量精度的限制。伴隨著計算機技術的發展，人們開始借助于計算機模擬技術來解決這一問題[3]。多年來的發展，計算流體動力學已經由為一種有力的數值實驗與設計手段。而近十多年來，計算流體動力學技術迅速發展，其強大的數值計算能力可以解決用解析法無法求解的方程，因此它的使用大大減少了實驗次數簡短了研發周期。本研究采用數值模擬技術，對五組不同顆粒粒徑，其他條件不變的工況進行模擬。

2 建立模型與劃分網格

2.1 建立幾何模型

FLUENT前處理主要采用建模軟件GAMBIT來完成。通常模型的簡化都是將真實的結構簡化為數學模型，將復雜的結構轉化為可計算的簡單幾何結構。建立一個水里旋流器模型：直徑為75mm；柱段長度為75mm；錐段長度為186mm；進料管直徑為25mm；溢流管圓柱體，直徑為25mm，插入深度為50mm；底流管圓柱體，直徑為12.5mm。然后劃分結構化網格?？紤]到水力旋流器內部的流場的復雜狀態采用分體積法對旋流器進行網格劃分，共劃分成34個體，均采用六面體網格進行劃分。

2.2 指定邊界條件

基本的邊界條件包括：流動進口邊界條件、流動出口邊界條件、給定壓力邊界條件、壁面邊界、對稱邊界、周期性（循環）邊界。本模型中五組水力旋流器顆粒粒徑分別為0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm。

3 水力旋流器Fluent數值計算

3.1 單相水為工質的CFD模擬

以入料口軸向與水力旋流器柱體底面圓相切，入料口高度與柱體一致，入口速度為2.5m/s，液態水的質量流率為0.0007kg/s、粒徑符合RosinRammler分布（平均粒徑：0.35mm、最大粒徑：0.7mm，最小粒徑：0.06mm）的wood材質顆粒。相間耦合計算中，離散相的存在影響了連續相的流場，而連續相的流場反過來又影響了離散相的分布?？梢越惶嬗嬎氵B續相和離散相直到兩相的計算結果都達到收斂標準。加入離散相由顆粒（代表液滴或氣泡）構成的第二相分布在連續相中。FLUENT可以計算這些顆粒的軌道以及由顆粒引起的熱量/質量傳遞。相間耦合以及耦合結果對離散相軌道、連續相流動的影響均可考慮進去。

3.2 顆粒粒徑對水力旋流器流場及性能的結果分析

3.2.1 流場分析-壓力分布

在分離不同粒徑的計算模擬中發現旋流器內壓力基本呈中心對稱分布，在同一軸向位置上，沿徑向，由壁面到中心軸，壓力逐漸的降低?？拷诿嫣幍膲毫ψ罡撸谳S中心處形成負壓，而在底流口和溢流口的位置，壓力達到最低。

3.2.2 流場分析-速度分布

在分離不同粒徑的計算模擬中發現，速度因一側有進料口基本呈中心對稱分布，在同一軸向位置上，沿徑向，由壁面到中心軸，速度相反，速度標量逐漸的降低?？拷诿嫣幍乃俣茸罡撸谳S中心處速度達到最低。

3.2.3 對分離效率的影響

分離效率是水力旋流器分離性能的最主要指標，取值范圍在0-100%之間，如圖1所示，由計算結果可得：隨著顆粒粒徑的增大，分離效率提高?？梢娏皆酱蟮墓べ|，越好進行分離。

3.2.4 對壓力降影響

水力旋流器的壓力降是指入口處壓力與底流管出口出的壓力之差。壓力降是反映水力旋流器能耗的重要指標。如圖2所示，由模擬計算結果可得：隨著顆粒粒徑的增大，壓降提高?？梢娏皆酱蟮墓べ|，水力旋流器分離所消耗的能量越高。

4 結論

本文利用計算流體力學軟件FLUENT對水力旋流器內不同粒徑的液固兩相流動進行了三維數值模擬，顆粒粒徑對壓力、軸向速度分布和切向速度分布有影響。當顆粒粒徑越大，分離效率則越高，壓力降則越小。但是在顆粒粒徑在0.30mm～0.35mm之間分離率急劇增加，0.35mm<顆粒粒徑<0.45mm時分離率雖然增加但增速沒有0.30mm～0.35mm時增加的快，壓力降雖然增加，但其加速度并沒有顆粒粒徑<0.35mm時的壓力降的增速快。可見分離效率增加最快時不一定是分離顆粒粒徑最大。

參考文獻

[1]琚選擇.論液-液水力旋流器的CFD方法[J].石油礦場機械，2008，37（7）：14-19.

[2]孫卓輝，李勝利.液-液水力旋流器兩相湍流場數值研究進展[J].化學工程與工業，2008，12：84-90.

[3]李自力.液-液水力旋流器三維網格生成技術研究[J].石油機械，2008，8：43-46，66.