具有溢流帽結構的旋流器流場特征及分離性能研究

（山東科技大學，山東青島 266590）

0 引言

水力旋流器主要是依靠內部流體高速旋轉而產生的離心力分離出具有粒度、密度差的混合物［1］。但在實際生產過程中，一部分礦漿進入旋流器后先環繞蓋下表面向內運動，再沿溢流管方向向下運動，到溢流管周圍直接通過溢流管排出，即短路流，該部分流體未參與分離，直接影響旋流器分離效果［2-3］。

為了減少溢流跑粗，提高分離性能，許多國內外學者對旋流器溢流管結構進行了改進。劉培坤等［4］針對溢流跑粗，研發一種弧形溢流管旋流器，這種弧形溢流管結構可以引導部分短路流重新參與分離，改善了溢流跑粗。徐冬林等［5］研究溢流管直徑對短路流和空氣柱的影響，發現溢流管直徑越大，短路流流量越大，空氣柱直徑越大，分離效果降低。樊玉光等［6］提出了W式溢流管水力旋流器，發現分離效率受不同傾斜角度的干擾，使用W式溢流管旋流器后分離效率有所提高，W式溢流管結構能有效減小溢流跑粗。劉琳等［7］針對短路流和分離效率低等問題，研發一種溢流循環水力旋流器，并進行數值模擬，結果顯示，溢流循環結構可以改善短路流和循環流現象，使分離效率得到提高。Hwang等［8］提出一種在溢流底部增加圓錐的溢流管旋流器來抑制短路流，通過模擬表明對于-10 μm顆粒，倒錐形溢流管比直筒溢流管分離效率高出10%。Vakamalla等［9］改進了錐角溢流管，改進后切向速度提高，分離時間充足，分離精度提升。上述對于溢流管的研究，雖在一定程度上提高分離性能，改善溢流跑粗，但同時存在一些缺陷，不能徹底解決問題。

為了充分證明溢流帽結構的設計可以有效改善短路流，提高分離效率，基于數值模擬與試驗相結合的手段對溢流帽式旋流器分離性能進行了深入研究和探索。

1 溢流帽式旋流器的結構與參數

旋流器內部流場復雜，針對短路流導致溢流跑粗，降低分離效率的問題，本文設計一種溢流帽式旋流器，在普通旋流器的溢流管頂部增設一溢流帽，圖1為溢流帽式旋流器結構示意，其結構參數見表1。

由于溢流帽的存在阻礙了從溢流口進入旋流器內部的空氣強度，可以起到減小旋流器內空氣柱直徑的作用，從而增大有效分離空間，降低能耗，提高旋流器分離性能［10-12］。

圖1 溢流帽式旋流器結構示意Fig.1 Schematic diagram of over flow cap type hydrocyclone

2 數值模擬研究

2.1 網格劃分

為對比研究普通旋流器和溢流帽式旋流器的流場特性，采用SolidWorks軟件建立2種旋流器流場區域三維模型，建模時旋流器底流口中心與坐標原點重合，旋流器軸線沿Z軸正方向，其具體參數與表1一致，將其導入ICEM CFD軟件進行四面體網格劃分，如圖2所示。

圖2 網格劃分Fig.2 Divide of meshing

2.2 邊界條件設置

將四面體網格導入Fluent進行模擬計算，多相流模型采用Mixture模型，主相設置為液體相水，次相為固體相石英砂，石英砂粒徑見表2。進料口設置為速度入口，速度值為5.26 m/s，溢流口和底流口邊界均設置為壓力出口，壓力為標準大氣壓。湍流模型為RSM模型，采用標準壁面函數，選擇壓力和速度耦合SIMPLE算法求解控制參數，壓力離散格式為PRESTO，動量離散格式選用QUICK格式。

表2 顆粒粒徑分布Tab.2 Particle size distribution

2.3 結果分析

為分析溢流帽式旋流器內壓力和速度矢量變化，選取溢流管下端面Z=261 mm和柱段主分離區Z=231 mm處進行研究，具體位置見圖1，根據兩截面的模擬結果分析兩種旋流器內流場規律。

2.3.1 壓力分布與壓力降對比

圖3示出2種旋流器壓力分布對比。

圖3 溢流管下端面壓力分布對比Pig.3 Comparison of pressure distribution on the lower end of the over flow pipe

由圖可知，溢流帽式旋流器內部壓力高于普通旋流器，沿徑向由外向內壓差逐漸減小，徑向壓力降較大，壓力梯度變化明顯，分離過程能量的利用效率高。壓力在旋流器壁面處壓力值最大，隨徑向位置向內，壓力值在強制渦某一點之后降為負值，所以在旋流器軸心附近出現空氣柱，且就徑向位置而言，溢流帽式旋流器內負壓區明顯窄于普通旋流器。由于空氣柱是外界氣體通過溢流口和底流口進入中心負壓區而形成的，由此可以判斷，采用溢流帽后，旋流器內的空氣柱直徑減小，有利于增大有效分離空間，提高分離效率。在溢流管下端面體現了這一特點。此外，溢流帽式旋流器負壓區壓力值絕對值小，旋轉流強度弱，能量損失相對較少，有利于降低能耗。

圖4示出2種旋流器壓力降對比，壓力降是進料口與溢流口之間的壓力差，旋流器的分離過程是依靠壓力的損失來獲取能量的。兩種旋流器壓力降分別為67 911，53 642 Pa，溢流帽式旋流器壓力降相比于普通旋流器降低了21%。這說明空氣柱直徑的減小，導致了旋流器能耗降低，分離效率提高。

圖4 壓力降對比Pig.4 Comparison of pressure drop

2.3.2 切向速度對比

圖 5（a）（b）分別示出截面高度 Z=231 mm、Z=261 mm處的切向速度對比結果。

圖5 不同截面的切向速度分布Fig.5 Comparison of tangential velocity of different sections

從圖5可以看出，不同截面的切向速度分布趨勢基本是一致的，由壁面向軸心沿著半徑的減小先增大到最大值再減小，符合組合渦分布規律，最大切向速度出現在強制渦和自由渦的交界處。溢流帽式旋流器的切向速度大于普通旋流器的切向速度，Z=231 mm處溢流帽式旋流器和普通旋流器最大切向速度分別為8.67 m/s和7.36 m/s，前者的最大切向速度提升了17.80%，說明溢流帽的存在能提升流體的切向速度，增加了速度變化的梯度，離心力場強度更大，旋流器分離能力強，有利于改善溢流跑粗，提升分離效率。對比圖5（a）（b）可發現，越靠近溢流管底端，切向速度越大，靠近溢流管處分級效果較好，因為流體本身具有黏性，器壁對流體的摩擦力降低了切線速度。

2.3.3 軸向速度對比

圖6示出溢流管下端面軸向速度對比結果。由圖6可以看出，兩種旋流器內軸向速度分布規律相似，軸向速度先為負值后變為正值，靠近外旋流區域軸向速度方向向下，為負值，靠近內旋流區域軸向速度方向由下變上，為正值。從圖中還可以看出，溢流帽式旋流器和普通旋流器的內旋流流體軸向速度幾乎沒有差別，但是在外旋流區域，溢流帽式旋流器內流體的軸向速度絕對值明顯小于普通旋流器，圖6中普通旋流器和溢流帽式旋流器的軸向速度的最大絕對值分別為1.31 m/s和0.58 m/s，后者降低了55.73%。軸向速度減小，顆粒參與分離時間長，能使外旋流中粗顆粒充分得到分離，減少外旋流中粗顆粒再次進入內旋流的幾率，改善溢流跑粗現象。

圖6 溢流管下端面軸向速度對比Fig.6 Comparison of axial velocity of the lower end face of the over flow pipe

3 試驗研究

3.1 試驗裝置及試驗方法

為了進一步驗證溢流帽式旋流器能改善分離性能，對普通旋流器和溢流帽式旋流器進行分離性能試驗研究，旋流器結構參數與表1相同，試驗系統主要由旋流器、壓力表、渣漿泵、攪拌裝置等組成，試驗系統如圖7所示。試驗時，物料為石英砂，給料壓力為0.08 MPa，進料濃度為22%，試驗中物料進入旋流器，旋流分離后被分為溢流和底流2種不同產品，分離過后的2種物料最終重新回到攪拌桶，形成一個閉路循環系統。

圖7 試驗系統示意Fig.7 Schematic diagram of test system

3.2 普通旋流器與溢流帽式旋流器分離性能對比

表3為普通旋流器與溢流帽旋流器試驗結果對比。旋流器的分離效率是指給料中指定粒級的物料進入溢流和底流的數量，它是衡量旋流器分離過程進行完善程度的指標，分離效率通常有兩種算法E1量效率和E2質效率，其表達式為：

式中 β——溢流中計算顆粒百分含量；

α——進料中計算顆粒百分含量；

θ——底流中計算顆粒百分含量。

表3 2種旋流器試驗結果對比Tab.3 Comparison of test results of two kinds of hydrocyclones

表3試驗結果顯示，在溢流管頂端增加溢流帽后，濃度變化不大，從分級效率上來看，相比于普通旋流器，溢流帽式旋流器-20 μm分級質效率從36.97%增加到42.17%，增加了5.2%；分級量效率由39.68%增長為45.90%，增加了6.22%。

對2種旋流器中-80 μm溢流和底流粒度進行分析，結果見圖8。對比于普通旋流器，溢流帽式旋流器底流中-5 μm顆粒含量減少了13.30%，-20 μm 含量減少了8.6%，且+60 μm 粗顆粒含量增加了5.38%，底流中粗顆粒含量增加，細顆粒含量減少，底流夾細問題得到改善。溢流帽式旋流器溢流產物的累計含量始終高于普通旋流器，溢流中-5 μm顆粒從31.57%增加到35.15%，-20 μm顆粒從84.12%增加到86.47%，且+60 μm粗顆粒從0.22%減少到0.04%，溢流中粗顆粒含量減少，細顆粒含量增加，有效解決了溢流跑粗的問題，使用溢流帽式旋流器后分離效率明顯提高。

圖8 2種旋流器產物粒度分布Fig.8 Particle size distribution of products of two kinds of hydrocyclones

3.3 溢流帽大小對分離性能的影響

為更好地了解溢流帽大小對旋流器分離性能的影響，在給料濃度為20.24%，給料壓力為0.08 MPa的情況下，分別對直徑為50，70，100 mm溢流帽進行試驗研究，試驗物料為石英砂，試驗結果如圖9所示。

圖9 不同溢流帽直徑試驗結果對比Fig.9 Comparison of test results of different over flow cap diameters

試驗結果表明，隨著溢流帽直徑的增加，溢流濃度從5.88%減少到5.69%，底流濃度從53.57%增加到54.88%。溢流帽直徑增大后，-20 μm分級質效率從39.97%增加到45.33%，分級量效率從45.14%增加為51.63%。三者中溢流帽直徑為100 mm時分離效果最佳，這是因為溢流帽增大，物料無法及時排出溢流帽，部分粗顆粒由于重力原因，有充足時間沉降入旋流器內繼續進行分離，同時溢流帽增大，進入旋流器內部空氣強度減弱，空氣柱直徑減小，能耗降低，因而分離性能得到明顯提升。

4 結論

（1）溢流帽式旋流器和普通旋流器數值模擬結果表明，溢流帽的存在，使得空氣柱直徑減小，壓力降降低，能耗降低；切向速度增大，離心力場強增加，分離更徹底；軸向速度降低，有利于減小溢流中粗粒級含量，提高分離效率。

（2）試驗結果表明采用溢流帽式旋流器后，底流固相產率得到提升，分級效率顯著提高，-20 μm顆粒的分級質效率從36.97%增長為42.17%，分級量效率由39.68%增長為45.90%，且分析溢流和底流產物粒度組成看出溢流跑粗得以改善。溢流帽式旋流器中隨著溢流帽直徑的增大，-20 μm分級質效率和量效率均升高，溢流帽直徑為100 mm時分離性能最佳。