旋流器入口方式对分选效果的影响

杨晓晶（1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024；2.吕梁职业技术学院，山西 孝义 032300）

旋流器入口方式对分选效果的影响

杨晓晶1，2
（1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024；2.吕梁职业技术学院，山西 孝义 032300）

采用Fluent软件，利用RSM湍流模型和Mixture多相流模型分别对采用渐开线入口方式和切线入口方式的两种两产品重介质旋流器（DSM）进行了数值模拟，分析了入口方式对旋流器内部速度和压力分布的影响。研究发现采用渐开线入口方式的重介质旋流器，其内部速度和压力分布规律更有利于矿物分选。

数值模拟；入口方式；压力分布；矿物分选

旋流器主要用于矿物的分选，其分选效果的好坏，直接影响选矿的效果。对于旋流器来说，影响其分选效果的主要因素包括旋流器的结构参数和旋流器的工艺参数[1]。本文主要利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术从结构参数方面研究入口方式对矿物分选效果的影响，分别采用渐开线和切线两种入口方式进行数值模拟，并对最终的模拟结果进行了比较。

1　DSM旋流器的模拟条件

1.1DSM旋流器的结构参数

对于本次模拟的两种旋流器，其主要差异在于入口方式上，分别采用了渐开线入口和切线入口，主要参数如表1所示。

表1　DSM旋流器的结构参数

1.2模拟边界条件的选择

本次模拟的对象为空气和水，在利用Fluent进行模拟时，将进料口设定为速度入口，速度大小设定为10 m/s，底流口和溢流设定为压力入口。

1）进口条件。在Fluent中各种压力都是相对压力值，因而进口处的相对压力在本模拟中其值应为0。

式中：Ve为进料口的试验平均速度，m/s；Qe为进料流量，m3/s；De为进料口直径，m；ke为进料口湍动能，m2/s2；εe为进料口湍动能耗散率。

2）出口条件。根据Fluent软件的使用说明书估算出口条件。

式中：Re为雷诺数；V为出口的平均试验速度，m/s；D为出口的内直径，m；v为运动粘性系数，Pa/s；I为湍流强度；l为湍流长度标尺，m；L为水力直径，m。

3）壁面的处理。将旋流器壁面设为标准的固壁。

1.3数值模拟的一般流程

在利用Fluent软件进行数值模拟之前，需要利用ICEM软件对DSM旋流器进行建模和网格划分，渐开线入口和切线入口网格模型见图1。然后将划分后的网格导入Fluent软件，按要求设定相应的参数，最后进行数值模拟。对于参数的设定，在查阅了大量文献资料后，模拟边界条件按上文所述进行设定。对于离散方法的选择，压力相采用PRESTO法，压力-速度的耦合采用SIMPLE方式，压力、动量、能量和体积等方程均采用Second Order Upwind离散格式，湍流模型和多相流模型分别选择RSM模型和Mixture模型[2-3]。采用上述方法进行数值模拟，迭代的松弛因子采用Fluent软件的默认值。经过多次迭代，各项残差曲线达到收敛，利用Fluent自带的图形后处理功能对计算结果进行分析。

2　模拟结果分析

为了能更直观地反映入口方式对分选效果的影响，在入口处截取z=-100 mm位置处的静压力分布云图进行分析，而对于内部流体部分，则截取在z=-1 100 mm处的静压力和速度分布曲线进行分析。

2.1入口处静压力分布

入口处静压力分布图见图1，从中可以看出，渐开线入口处的静压力分布相对于切线入口来说，在旋流器内部沿径向的分布上更加均匀，静压力的均匀分布，有利于减少紊流现象，提高矿物的分选效果，实现矿物的预分选。

z=-1 100 mm处静压力沿径向分布曲线见图1，无论是渐开线入口还是切线入口，静压力在径向方向上，都呈现出相同的变化规律，即从壁面到中心处静压力由大变小，在中心处变为负压。但是静压力在旋流器径向同一位置处，渐开线入口的静压力与切线入口的静压力相比，在距离中心位置200 mm~500 mm内，前者大于后者，而在0 mm~200 mm内，后者大于前者。这说明了渐开线入口的旋流器在内部压力损失方面要小于切向入口方式。压力损失减少，可以保证旋流器内部在压力分布相同时，渐开线式旋流器入口处的压力可以适当减少，这样可以有效减少能量损耗，同时减少了对设备的磨损。

图1　入口处静压力分布

图2　z=-1 100 mm处静压力沿径向分布曲线

2.2速度分布

z=-1 100 mm处速度大小沿径向分布曲线见图3，可以看出，当两种旋流器以相同的入口速度给入物料时，渐开线入口的旋流器内部流体速度在径向分布上明显大于切线入口的旋流器。这说明渐开线入口的旋流器在入口处能量损失小于切线入

图3　z=-1 100 mm处速度大小沿径向分布曲线

口的旋流器。能量损失减少，既节约能量又可以提高离心力，提高分选效果。

3　结论

通过对渐开线入口和切线入口两种形式的旋流器进行分析，可以得出以下结论：

1）渐开线入口的旋流器，在入口处静压力分布上比以切线入口的旋流器更加均匀，减少了紊流现象，可以实现矿物的预分选。

2）渐开线入口的旋流器的静压力在径向分布上相对于切线入口的旋流器来说，其内部的压力损失相对较小，有利于减少能量损失，同时在相同压力条件下，更有利于减少设备磨损。

3）渐开线入口的旋流器的速度在径向分布上大于切线入口的旋流器，在相同的入口条件下增大了离心力，可以提高矿物的分选效果。

[1]王祖瑞，石德明，王振国，等.重介质选煤的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1988.

[2]刘峰，郭秀军，钱爱军.DWP重介质旋流器流程的数值模拟[J].煤炭学报，2007，32（2）:186-189.

[3]刘峰，钱爱军，郭秀军.重介质旋流器流场湍流数值计算模型的选择[J].煤炭学报，2006，31（3）：346-350.

（编辑：杨鹏）

Effects of Inlet Modes of Cyclone on Separation

YANG Xiaojing1，2
（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024，China；2.Lvliang Vocational Technical Institute，Xiaoyi 032300，China）

With software Fluent，two DSM dense medium cyclones,with involute inlet and tangent inlet respectively,were simulated based on RSM turbulence model and Mixture multiphase model.The effects of inlet modes on the internal speed and pressure distribution of the cyclones were studied.The results show that the DSM dense medium cyclone with involute inlet is more suitable for mineral separation in terms of internal speed and pressure distribution.

numerical simulation；two inlet modes；pressure distribution；mineral separation

TD455.7

A

1672-5050（2016）02-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.023

2015-10-22

杨晓晶(1981-)，男，山西汾阳人，在读工程硕士，助理工程师，从事选煤方向教学工作。