跳汰機供水均勻性的數值模擬研究

史冰森

(1.天地(唐山)礦業科技有限公司，河北 唐山 063010；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063000)

我國的能源消耗中煤炭仍占有比較高的比例，煤炭入洗率近年來也有較大的提升，2019年原煤的入洗率達到了73.2%[1]，煤炭洗選比例的不斷提高對保護環境做出了重要的貢獻。跳汰選煤以其工藝流程簡單、資金投入少、生產成本低等優點在選煤廠中得到了廣泛的應用。近年來，復振技術、跳汰機大型化技術的開發應用滿足了市場對較難選煤洗選、大處理量的要求，跳汰選煤技術在選煤工藝中占有比較重要的地位[2-3]。

跳汰機尤其是大型跳汰機在生產中增加供水壓力，有時會出現床層“翻花”的現象，這可能是由于供水不均勻使遠離入水管一側的水流過大形成的，會導致機體內按密度分層的床層紊亂，影響設備的分選精度?，F場為控制床層穩定只能降低跳汰機的供水量，但水量減小會降低跳汰機的處理能力。為探究上述問題的原因，進一步優化跳汰機供水的均勻性，提高大型跳汰機的處理能力，本文利用計算流體動力學軟件(以下簡稱“CFD軟件”)對跳汰機供水管入水壓力、出口流量等進行研究，當前和跳汰機相關的研究主要是對床層分層過程中機理的研究，如王振翀等利用隨機過程中馬爾科夫鏈理論建立了跳汰分層過程的數學模型，并在該模型的基礎上對分層過程進行了模擬[3]，匡亞莉等人利用高速攝像機和動態分析軟件建立了顆粒運動的振動微分方程，得出顆粒運動的相關參數與跳汰機風壓有直接的線性關系，與跳汰周期等參數有明確的非線性關系[4]等，對跳汰機供水均勻性的相關研究較少。

1 跳汰機的工作原理

跳汰選煤主要是利用垂直升降的變速水流，使物料按照自身密度的差異進行分選的過程。跳汰機主要由機體、風閥、排料裝置、供水管等部分組成，如圖1所示。物料從入料口給入，經過多個上升、下降周期的作用后物料按密度進行分層，重產物在床層下部經排料機構排出，輕產物分布在床層上層，在水流的作用下通過溢流口排出，從而實現輕、重產物的分離[6]。

1—低壓風入口；2—總入水口；3—入料口；4—機體；5—溢流口；6—入水管；7—排料機構圖1 跳汰機結構示意

跳汰機機體由各個單獨的室相互連接共同組成，相鄰室之間的低壓風、水流互不干擾，這有利于各個室內部流場的穩定。跳汰機供水管的入水口位于機體的外部，在機體內部有一根橫向布置的管道為跳汰機提供洗選所需用水，單室結構如圖2所示。模擬所選模型的水管在機體內的長度為3 m，管路上均勻分布有6個面積相等的橢圓形出水口，單個橢圓形出口的面積為9.5×10-3m2，相鄰出水口之間的距離為486 mm，洗選過程中這些出水口為機體提供洗選用水。

圖2 跳汰機單室外形

2 跳汰機模型的建立

CFD軟件在研究流體動力學相關問題上得到了較為廣泛的應用，選煤設備的內部流場分布也越來越多的借助于CFD軟件研究。本文主要是研究篩下水管出口流量與入水口壓力的關系，加上跳汰機各室之間供水影響較小，為便于后續網格劃分與計算研究模擬，只對單個室進行模擬研究，并將單室的外部簡化成一個槽型結構，如圖3所示。但內部篩下水管的結構保持不變，所以對管道內部的流場影響較小。

圖3 模型簡化后的剖視

此次模擬所用機體的單室外形結構尺寸為3000 mm×1070 mm×2580 mm，為方便后文表示，將距離供水管入水口最近的出水口記為outlet1，依照遠離入水口的方向依次將出水口編號為outlet2、outlet3、outlet4、outlet5、outlet6。將簡化后的模型利用CFD前處理軟件進行網格劃分，劃分完成后對網格質量進行檢查，網格數量為1 546 413個，網格質量采用行列式Determinant2x2x2作為衡量指標，比值取值均在0.25以上，可用于后續求解器計算。

篩下水管內的流動為湍流流動，應選取相對應的湍流模型。本次模擬選用工業流動計算中應用最廣泛的k-epsilon模型中的Standard k-epsilon模型，篩下水管入水口邊界條件設置為pressure-inlet，槽體上方出口邊界調節設置為pressure-outlet，壓力修正方程、動量方程及湍動能方程離散格式采用一階迎風，體積率方程離散格式采取quick，松弛因子及其他參數保持默認設置不變。

3 模擬結果與分析

跳汰機在煤炭洗選過程中總水管進水的壓力在0.1 MPa(10 m水柱)左右，在此次模擬中分別設置入水壓力為0.10 MPa、0.08 MPa、0.06 MPa、0.04 MPa、0.02 MPa、0.01 MPa 6組不同參數，觀察不同壓力時水管內的壓力和流量情況。模擬采用穩態計算，各個條件下迭代計算至流場穩定后分別對6個出水口設置觀察面，以對每個出水口的流量進行數據統計，在計算過程中每迭代計算5次保存導出1次數據，橫坐標為計算次數，縱坐標為流量，利用制圖軟件對保存的數據進行分析，不同進水壓力下各出水口的流量變化如圖4所示。

圖4 不同進水壓力下各出水口的流量變化

通過圖4看出，水管在剛開始時內部流場較為紊亂，隨著計算的進行，波動幅度逐漸趨于穩定，在迭代次數到300步左右，各出口的流量開始有較為明顯的差別，迭代次數到400步時，各出口處流量變化的幅度已經較小，400～500步時各個出口的流量基本保持穩定。從圖4 (a)中6條曲線可以看出，雖然入水壓力一定，但各個出水口的流量相互之間存在差值，這說明供水管內部流場穩定時各出口的流量并不相同，且outlet1至outlet6的流量依次增大，即進水壓力一定時，出口與入水口距離越遠，則出口處流量越大，這與現場出現的遠離入水口一側出現翻花的現象相吻合。且圖4(b)～圖4(f)也表明，若進水壓力一定，篩下水管流場穩定時各出口流量的變化規律也與上述一致。對比圖4 (a)與圖4(f)，為進一步探究流量變化的規律，將各入水壓力下穩定后的平均值作為每個出口的流量大小，以進一步對比6組數據中流場穩定時各出口流量的變化趨勢，具體如表1所示。

對表1數據進行分析可以看出，入水壓力變大時同一出水口的流量也隨之增加。并且隨著壓力的增加，outlet6和outlet1之間的流量差值也隨之增加，說明入水壓力的增加會導致機體兩側供水均勻性差異增加。為進一步對比相鄰出口處的關系，列出相鄰出口的流量比，如表2所示。

表1 不同進水壓力下各出水口流量

表2 不同壓力下相鄰出口流量的比值

由表2可知，進水壓力不同時，相鄰出口流量的比值基本上相同，這表明相鄰出口的流量比并不隨進水壓力的增加而改變，這為后續的篩下水管的供水更加均勻可以提供一定的參考。

4 結 語

利用CFD軟件對跳汰機篩下水管各出口流量隨入水壓力的變化進行了研究，研究表明：

(1)跳汰機供水管各出口開孔面積相同、進水壓力一定時各出口流量并不均勻，流量差值隨著進水壓力的增加而增加，這對跳汰機均勻給水是不利的。

(2)在相同入水壓力下，跳汰機供水管出口位置距離入水口越遠，出口處的流量越大。

(3)跳汰機供水管各相鄰出口之間流量的比值不隨進水壓力增加而改變。