旋流器底流口直管段長度對分離性能的影響研究

張 智 宸 張 悅 刊 劉 培 坤 楊 猛 楊 廣 坤

（山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590）

水力旋流器作為一種非均相分離設備，具有結構簡單、性能優良等優點，被廣泛應用于石油化工、礦物分選、環保、煤炭等領域［1-4］。常規旋流器在生產實踐中常伴有底流夾細和溢流跑粗現象，產品中顆粒粗細混雜，分離效率和分級精度有待提高。底流口直管段是水力旋流器的一個重要部件，直接影響旋流器的分離性能，因此，優化旋流器底流口直管段結構，是提高旋流器分離效率的一種有效方法。

ZHANG等［5］研究了旋流器底流口直徑與分離性能的關系，認為適當增大底流口直徑可以減小進料粒度和濃度波動對分離性能的影響；呂秀麗［6］研究了底流口直徑對固體顆粒運動的影響，認為隨著底流口直徑的增加，旋流器內流場流速降低，零速包絡面向內向上收縮，分級效率降低；HAN等［7］設計了一種底流口直徑可調旋流器，通過底部調節裝置可快速、連續地改變底流口直徑，有利于控制底流物料排出狀態；何廷樹等［8］通過對比試驗研究了沉砂口直管段的長度與直徑對分離效率和濃縮性能的影響。BANERJEE［9］和 DAZA［10］等對旋流器底流排料狀態進行了研究，分析了繩狀排料和傘狀排料的形成過程以及旋流器底流擴散角與進料粒度分布的關系；劉鴻雁等［11］提出了新型出口擋板結構的旋流器，提高了分離效率的同時降低了壓降；劉道友［12］詳細論證了內附頂針式底流管結構的旋流器在分離效率上高效性。

為進一步探明底流口直管段長度對旋流器的流場特征和分離性能的影響，從數值模擬與試驗兩個方面分析了不同底流口直管段長度對旋流器的速度場、壓力場、濃縮性能及綜合分級效率的影響，以期為實際工業生產提供理論及技術指導。

1 旋流器的數值模擬

1.1 模型與網格無關性驗證

使用Solidworks 2018建立?50 mm旋流器的三維模型，旋流器結構如圖1所示，相關結構參數見表1。

?

采用ICEM 18.0軟件對模型進行六面體網格劃分，并對溢流管和底流口處進行加密處理，如圖2所示。

模型的網格數量對預測結果的準確性以及模擬計算時間成本有著重要的影響。因此，對旋流器模型進行網格無關性驗證，確定合適的模型網格數量是必要的。將?50 mm旋流器流場模型劃分網格數分別為：20 463、39 850、60 155、80 045、102 540，進行網格獨立性驗證。圖3為不同網格數量模擬得到的切向速度對比圖。

由圖3可知，網格數在60 000以上時，切向速度基本一致，表明網格數量超過60 000時，切向速度不再受網格數量制約，綜合考慮模擬結果準確性和模型計算時間成本，確定底流口直管段插入深度為-80 mm、-60 mm、-40 mm、-20 mm、0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm時的模擬網格數目分別為61 204、63 210、63 565、64 200、61 404、66 696、71 988、77 280、81 816。

1.2 邊界條件

為對比分析不同底流口直管段插入深度對旋流器分離性能的影響，采用Fluent 18.0軟件進行模擬計算。多相流模型選用mixture混合模型，湍流模型選用RSM雷諾應力模型；入口設置為速度入口，速度大小為3 m/s，溢流口和底流口均為壓力出口；壁面邊界條件設置為NO-Slip-Wall；壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散格式為PRESTO，其他采用QUICK格式。計算時以進出口各相流量的時均平衡作為計算收斂的依據。

1.3 模擬結果分析

為便于分析不同底流口直管段插入深度的旋流器流場變化，選取旋流器內錐段區域的Z1=90 mm和Z2=110 mm兩特征高度截面進行數值模擬分析，如圖4所示。

1.3.1 靜壓力分布

旋流器內部顆粒分離過程的本質是壓力能轉化為動能，因此有必要分析旋流器的壓力分布。圖5為不同旋流器在不同高度處的靜壓力分布云圖。

由圖5可知，靜壓力均呈對稱分布，由器壁到軸心逐漸減小。在-80～60 mm范圍內，隨直管段插入深度的增加，旋流器近壁處壓力值逐漸增大，軸心處基本相同，插入深度為80 mm時壓力值有略微下降。壓力梯度力是細顆粒徑向運動的主要作用力［13］。因此，適當增加直管段插入深度，有利于減少外旋流的細顆粒含量，強化旋流器內顆粒分離效果。

1.3.2 切向速度分布

切向速度數值在速度分量中最大，是水力旋流器內固液兩相分離的主要動力。圖6為不同旋流器不同高度的切向速度分布云圖。

由圖6可知，在兩個高度（Z1=90 mm和Z2=110 mm）位置處，不同旋流器的切向速度均呈“M”型分布，速度值從壁面向軸心先增大后減小。直管段插入深度對切向速度的影響以0 mm為中心呈對稱分布。在這兩個高度位置處，插入深度為0 mm時切向速度峰值最小，插入深度為-60 mm和60 mm時切向速度峰值最大。說明底流口直管段插入深度絕對值過小時會導致切向速度的降低，不利于分離性能的提高。

1.3.3 徑向速度分布

徑向速度反映流體在旋流器內沿徑向的運動速度和規律，對旋流器的兩相分離作用也不可忽視。圖7為不同旋流器不同高度的徑向速度分布云圖。

由圖7可知，不同旋流器徑向速度分布規律一致，即器壁處速度為0，向內逐漸增大，軸心處達到極大值；隨插入深度增加，徑向速度呈先增大后減小的趨勢，插入深度為-20 mm時速度最大，說明直管段插入深度的絕對值增加有利于徑向速度減小，從而使旋流器內部顆粒停留時間長，有利于分級效率和分級精度的提升。

1.3.4 湍動能

旋流器流場內湍動能變化復雜［14］。圖8為底流口直管段不同插入深度流場湍動能變化云圖。

由圖8可知，直管段插入深度為-80 mm時湍動能最小，但直管段插入過深會導致空氣柱不穩定，插入深度為-60 mm時流場較為穩定，且湍動能相應減小。在-40～80 mm范圍內，隨直管段長度增加，流場湍動能先減小再增大，直管段長度在20 mm時的湍動能最小。說明直管段長度絕對值過大會導致湍動能增大，進而對旋流器流場的穩定性產生不利影響。湍動能減小，會使離散相所受流體阻力降低，更有利于水力旋流器實現精細分離。

2 試驗研究

2.1 試驗方案設計

在底流口直管段長度分別為0 mm、20 mm、40 mm、60 mm和80 mm情況下進行單因素試驗，以產品的質量濃度、產率、流量、粒度、綜合分級效率和分離粒度為指標，探究底流口直管段長度對?50 mm旋流器分離性能的影響。試驗操作壓力0.1 MPa，選取石英砂為物料，配制質量濃度約為10%的礦漿，進料粒級組成如表2所示。

?

試驗系統示意如圖9所示。將清水與石英砂物料混合加入攪拌桶配制礦漿，經攪拌器攪拌均勻后由離心泵打入旋流器進行試驗，溢流和底流經管路返回料筒攪拌，保證試驗系統循環運行，待運行穩定后，對底流、溢流和進料進行取樣，分析產品濃度和產率，采用體積法計算各產品流量，利用BT-9300S激光粒度分布儀進行粒徑檢測，分析計算分離粒度和綜合分級效率。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 直管段長度對旋流器濃縮性能的影響

表3為不同直管段長度對旋流器濃縮性能的影響。

由表3可知，隨著底流口直管段長度的增加，濃縮倍數先增大后基本不變，底流分流比逐漸降低。結合模擬結果可知，隨著直管段長度的增加，流場靜壓力增加，壓力梯度力增加，有更多的兩相流進入內旋流，進而從溢流口排出，導致溢流濃度增加，使得進入底流的液體和顆粒都減少，底流流量占比減小，又由于水相減少的比例更大，所以底流濃度增加，而底流固相產率減小。旋流器直管段長度從0增至40 mm，對濃縮性能影響較大，長度越長，濃縮性能越好，直管段長度大于40 mm則對濃縮性能影響變小。

?

2.2.2 直管段長度對產品細度和分離粒度的影響

產品細度反映了產品粒徑的粗細程度，分離粒度是指粒度分離曲線上分配率為50%的顆粒粒度，兩者均為旋流器的重要性能指標。不同底流口直管段長度下各產品中位粒徑變化和分離粒度見表4，底流、溢流顆粒累積曲線如圖10所示。

?

由表4可知，旋流器底流口直管段長度由0增加至80 mm，底流產品中位粒徑由49.32 μm增大至65.88 μm，溢流產品中位粒徑由 8.57 μm 增大至21.16 μm，分離粒度從 11.91 μm 增大至 38.48 μm。溢流產品的中位粒徑、底流產品的中位粒徑以及分離粒度均隨直管段長度的增加而增大，且均在20～40 mm范圍增加幅度最大。

由圖10可知，隨著旋流器直管段長度的增加，溢流和底流產品均變粗，且在直管段長度從20 mm增至40 mm時的變化幅度最大。結合流場變化可知，由于直管段長度的增加，導致流場切向速度增大，顆粒所受的離心力增強，原本隨外旋流進入底流的部分細顆粒轉而進入內旋流，并從溢流口排出，減少了底流中細顆粒的含量，但是由于這部分顆粒比原本溢流顆粒更粗，所以溢流中位粒徑增大，反過來說，直管段長度的減少更有利于溢流產品變細。

2.2.3 綜合分級效率

為定量分析水力旋流器的分級效果，對于某指定粒級的顆粒，評價小于該粒徑的顆粒進入溢流，大于該粒級的顆粒進入底流的能力的指標為綜合分級效率，綜合分級效率普遍采用漢考克公式，即

式中：E漢為旋流器對某一粒級的綜合分級效率，%；α為進料中該粒級的負累計含量，%；β為溢流中該粒級的負累計含量，%；γ為底流中該粒級的負累計含量，%；

本研究選取-30 μm顆粒含量進行計算，不同直管段長度下各產品-30 μm顆粒含量分析結果如表5所示。

?

由表5可知，直管段長度由0增加至80 mm，底流中-30 μm顆粒含量從24.54%降到6.43%，溢流中-30 μm顆粒含量從95.71%降到62.10%，且均在20～40 mm范圍降低幅度最大。

以-30 μm粒級計算綜合分級效率，結果如圖11所示。

由圖11可知，直管段長度由0增大到60 mm，其綜合分級效率從44.96%增加到64.56%，到80 mm后略有降低。結合數值模擬可知，在0～60 mm范圍，隨著直管段長度的增大，流場靜壓力與切向速度均增加、徑向速度減小，顆粒在旋流器內停留時間增加，底流夾細現象減少，使得旋流器的分級性能提高；底流管長度為80 mm時，流場靜壓力和切向速度均有減小，分級性能略有降低。傳統旋流器直管段長度為20 mm，其綜合分級效率為50.71%，直管段長度為60 mm的旋流器綜合分級效率較傳統旋流器提高了13.85個百分點。

3 結論

（1）隨直管段插入深度絕對值的增大，流場靜壓力、切向速度、湍動能均有不同程度的增加，徑向速度有所減小。表明適當增加直管段插入深度有利于提高旋流器分級效率和分級精度。

（2）直管段長度變化對旋流器濃縮性能影響較為顯著。在一定范圍內，隨著直管段長度的增加，分流比減小、底流產率減小，旋流器濃縮倍數增大，濃縮性能變好，直管段長度進一步增加對濃縮性能影響減小。

（3）隨直管段長度的增加，旋流器溢流、底流的粒度均有變粗的趨勢，分離粒度增大，綜合分級效率提高。