新型三产品重介质旋流器的模拟研究

王 石

(山西煤炭进出口集团有限公司 煤业公司洗选部，山西 太原 030006)



·试验研究·

新型三产品重介质旋流器的模拟研究

王 石

(山西煤炭进出口集团有限公司 煤业公司洗选部，山西 太原 030006)

利用Fluent软件，采用RSM湍流模型和Mixture多相流模型，对一种新型的三产品重介质旋流器的流场进行模拟研究。通过对旋流器内部压力场、密度场和速度场分布情况的研究，从理论上分析该新型旋流器实现矿物分选的可能性。模拟结果表明，该新型三产品重介质旋流器的流场分布符合传统旋流器的分布规律，能够实现矿物的有效分选。

重介质旋流器；数值模拟；RSM湍流模型；Mixture多相流模型；矿物分选

自从1945年世界上第一台重介质旋流器在荷兰诞生以来，便以其分选精度高、入料粒度范围宽、对原煤适应性强、易于自动化控制等优点，在世界范围内得到广泛应用[1].经过70年的发展，目前重介质旋流器种类很多，特别是随着大直径重介质旋流器、有压和无压给料三产品重介质的出现，重介质旋流器已成为当今选煤的首选设备。目前，在中国新建的选煤厂或者老厂改造中，大都采用重介质旋流器作为主选设备。

1 新型旋流器的提出及其工作原理

当前，国内外三产品重介质旋流器广泛应用于煤炭行业的分选，其中，最典型的三产品重介质旋流器由圆筒形旋流器和圆筒圆锥形旋流器串联组成，其一段为圆筒形旋流器，二段为圆筒圆锥形旋流器。

上述在煤炭生产中采用的三产品重介质旋流器只有一个重介质悬浮液入口，只能给入一种密度的重介质悬浮液，由于二段旋流器结构参数和工艺参数固定，这就对中矿产品和尾矿产品分选密度的调节造成困难。为了有效解决这些问题，提出一种可以通过调节二段旋流器的悬浮液密度实现中矿和尾矿有效分选的三产品重介质旋流器。该新型重介质旋流器将传统的一个重介质悬浮液入口改为两个不同密度的重介质悬浮液入口，并且一段和二段旋流器的布置方式由圆筒型与圆筒圆锥形串联改成了圆筒圆锥形与圆筒形串联。

该新型三产品重介质旋流器，在进行原煤分选时，原煤和介质的混合物通过一段筒锥旋流器入口进入，在旋流器内实现分选，一段分选出精煤以及中煤、矸石的混合物，精煤通过溢流管排出，中煤及矸石的混合物通过底流管进入二段圆筒旋流器，二段对一段剩余的中煤、矸石的混合物进行二次分选，分选出中煤和矸石两种产品。同时，由于二段增加了一个重介质悬浮液入口，可以给入可变密度的重介质悬浮液，因此，可改变中煤和矸石分选密度，提高分选效率。

2 数值模拟方法提出

传统方法对于新型重介质旋流器的开发研究，结构参数和工艺参数的确定和优化，常常需要通过理论研究、模型实验、实验室小实验并最终应用于实际生产中，过程漫长且经费投入较大[2].

对新型旋流器的结构参数和工艺参数(表1)利用ICEM软件建立模型，划分网格(图1)， 最后利用Fluent软件对新型旋流器进行数值模拟。通过模拟结果，分析旋流器内部流场的分布，由于数值模拟得出的结果是直观的、动态的，更能清晰地展示流体的运动状态，有助于对旋流器的工作过程有更加清晰深入地了解和把握，并能从理论上分析该新型重介质旋流器实现分选的可能性。M. S. Breanan、N. Lourens、J. Bosman和刘峰等通过研究，为应用CFD技术研究重介质旋流器流场提供了可靠的依据[3-6].

表1 新型旋流器的结构参数表

图1 新型旋流器网格模型图

3 模拟结果及分析

3.1 模拟边界条件的确定

在进行模拟之前，需要选择合适的模拟边界条件。旋流器的壁面处流体的速度设为 0, 把一段入料口和二段介质入口设为边界条件， 定为速度入口， 精煤、中煤和矸石出口设为压力出口[6].

1) 进口条件。

在FLUENT中各种压力都是相对压力值，因而压力进口的相对压力在本模拟中其值应为0.

式中：

Ve—进料口的试验平均速度，m/s；

Qe—进料流量，m3/s；

De—进料口直径，mm；

ke—进料口湍动能；

εe—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—雷诺数；

V—出口的平均试验速度，m/s；

D—出口的内直径，mm；

v—运动黏性系数，m2/s；

I—湍流强度；

l—湍流长度标尺，mm；

L—水力直径，mm.

3) 壁面的处理。

将旋流器壁面设为标准的固壁。

在查阅了大量文献资料后[6-7]，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[7]，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。为了能更直观地对模拟结果进行分析，截取旋流器中心位置剖面的压力、密度和速度云图(见图2)进行分析，同时截取一段锥体中间位置y=-1 550 mm和二段筒体中间位置y=-3 500 mm的压力、径向和切向速度变化曲线(见图3)进行分析。

3.2 压力分布

新型旋流器内部的静压力分布沿不同的横截面，从壁面到中心静压力逐渐减小，在中心位置处出现负压。从图2可以看出，在旋流器中心位置存在着一个负压区(静压力小于0)，负压区贯穿于整个旋流器，从溢流口一直延伸到中煤出口。负压区的存在使得空气从旋流器两端被吸入，从而形成空气柱。从图3可以看出，静压力在截面上不同位置处的最小值均位于中心处，负压区的宽度略小于溢流口和中煤出口的直径。正是由于存在着中间负压区，使得进入旋流器流场内的待选物料具有向上、向下的两种轴向速度，实现最终的分离。

3.3 密度分布

旋流器内部存在着空气柱，这是旋流器所具有的一个特有现象。在图2的密度云图上可以看出，新型旋流器在数值模拟的情况下，中心轴线有一个明显的密度分区，中间为低密度区，两侧逐渐过渡为高密度区。但在一段和二段相接处空气柱中含有少量的水，严格地说是水和空气组成的气水两相混合低密度区，这与文献[8]的描述是相吻合的。

图2 新型旋流器的静压力、密度和速度剖面云图

图3 新型旋流器的静压力、切向速度、轴向速度分布曲线图

3.4 速度分布

旋流器内部流体的流动可以看作是一种三维的螺旋流动，其中任一点流体的速度都可以分解为轴向、径向和切向3个分速度。切向速度在分选过程中提供了矿物分选所需要的离心力，因此，在旋流器内部流场的三维流动中占据重要地位，在数值上也比其它速度要大的多。径向速度提供了悬浮液在径向上移的动压力，速度相对较小，所以，很难被准确测定，由于不同的实验者采用实验条件的假设不同，对于径向速度的分布还存在分歧，因此本文中不予研究。轴向速度则决定了分选矿物在旋流器内的移动时间。轴向速度分布最重要的一个方面是可以确定零速包络面，通过零速包络面可以确定流体的流动走向。

在图2的速度剖面云图上，可以看出速度大小的分布情况，速度大小在旋流器内部呈现出对称性，随着旋转半径的减小，流体速度逐渐减小，在中心处速度接近0.

3.4.1 切向速度

从图3的切向速度分布曲线上可以看出，切向速度的分布表现出严格的对称性，随旋转半径的减小，切向速度先增大，在与溢流口和中煤出口直径大小相近的位置处，切向速度达到最大值。过了最大值以后，切向速度又逐渐较小，在中心位置处切向速度减小为0.在壁面处，由于受到壁面摩擦力的影响，切向速度也为0.

3.4.2 轴向速度

从图3的轴向速度分布曲线上可以看出，由于一段旋流器和二段旋流器的回流方向相反，所以，一段和二段旋流器轴向速度大小的分布表现出了相反的规律性。但如果不考虑方向的影响，一段和二段速度的分布具有相同的变化规律，轴向速度在壁面处为0，随旋转半径的减小，轴向速度的绝对值都是先增大，增大到一定数值后，又减小直至为0，过了速度为0的点后，又反向增大直至达到最大值。速度为0的点即为内旋流和外旋流的分界点，如果把各个截面上速度为0的点连接起来，就是零速包络面(LZVV). LZVV 是旋流器内部外旋流和内旋流的分界面，其位置分布对旋流器的分选效果具有重要影响。

4 结 论

通过对新型旋流器内部流体静压力、密度和速度分布的分析，可以得出以下结论：

1) 旋流器内部静压力的分布，随着旋转半径的减小而减小，在中心位置周围形成负压。负压的存在使旋流器外部的空气被吸入旋流器，从而产生了空气柱。空气柱在旋流器内部从溢流口一直延伸到中煤出口。对于切向速度，其分布随着旋转半径的减小先增大，在达到最大值后，又迅速减小，在中心位置处，速度减小为0. 轴向速度的分布，随着旋转半径的减小，速度的绝对值表现出一定的规律性，轴向速度的绝对值先增大后减小为0，然后反向增大为最大值，这也说明了旋流器内部流体流动存在着内旋流和外旋流。

2) 新型旋流器在压力分布、密度分布和速度分布方面均与传统旋流器的分布规律相符合，这在理论上证明了该新型旋流器能够实现矿物的有效分选。

[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，1988：47-48.

[2] 李 勇.介绍计算流体力学通用软件-FLUENT[J].水动力学研究与进展，2001(1)：254-258.

[3] N.Lourens.The Rejector Proceedings of XIV International Coal Preparation Congress[C].Sandton Convention Centre,Johannesburg,South Africa:SACPS&SAIMM,2002：297-302.

[4] J.BOSMAN.Recent development in classification cyclones. Proceedings of XIV International Coal Preparation Congress[C].Sandton Convetion Centre,Johannesburg,South Africa:SACPS&SAIMM,2002:291-295.

[5] M.S.Brennan.Multiphase CFD Simulations of Dense Medium and Classifying Hydrocyclones[C].Third International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries,CSIRO.Melbourne,Australia,2003:59-63.

[6] 刘 峰.DWP重介质旋流器流程的数值模拟[J].煤炭学报，2007,32(2):186-189.

[7] 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.

[8] 崔宝玉.旋流器内空气柱形成及其影响因素的数值模拟[J].东北大学学报(自然科学版)，2013,34(9)：1343-1346.

Simulation Study of A New Three-Product Dense Medium Cyclone

WANG Shi

The flow field of a new three-product heavy-medium cyclone is simulated by using the Fluent software and RSM turbulence model and Mixture multiphase flow model. By researching the pressure field, the density field and the velocity field inside the cyclone, the possibility of mineral separation is analyzed in theory. The simulation results show that the flow field distribution of the new three-product cyclone is consistent with the traditional cyclone distribution law, and it can effectively separate minerals.

Heavy medium cyclone; Numerical simulation; RSM turbulence model; Mixture multiphase flow model; Mineral separation

2016-06-12

王 石(1987—)，男，山西太原人，2011年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事选煤技术管理工作

(E-mail)93624738@qq.com

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