粒径对水力旋流器性能影响因素的数值模拟分析

吕成

摘 要：本文通过计算流体力学方法，对水力旋流器内液固湍流流场进行数值模拟研究。主要研究水力旋流器进料速度、溢流管位置和尺寸、固相颗粒粒径对水力旋流器固液分离稳定工况时内部压力分布、轴向速度和切向速度分布以及水力旋流器的分离效率、压力降等性能参数的影响，得出各参数对于水力旋流器内部颗粒运动的影响和分离的效果。

关键词：水力旋流器；数值模拟；固液两相流

中图分类号：TE931.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0058-02

1 引言

水力旋流器是一种广泛应用的分离设备，可用于完成液体澄清、料浆浓缩、固相颗粒洗涤、液相除气与除砂、固相颗粒分级与分类以及两种非互溶液体的分离等多种作业[1]。它开始在采矿工业中广泛应用，后来又逐渐在化工、石油、食品、医药、环保、造纸和纺织等行业中成功应用。

20世纪50年代，人们对水力旋流器的研究主要是实验研究[2]。然而通过实验来研究水力旋流器的性能不仅周期长、经费投入多、人力物力消耗大，而且往往会受到模型尺寸、测量精度的限制。伴随着计算机技术的发展，人们开始借助于计算机模拟技术来解决这一问题[3]。多年来的发展，计算流体动力学已经由为一种有力的数值实验与设计手段。而近十多年来，计算流体动力学技术迅速发展，其强大的数值计算能力可以解决用解析法无法求解的方程，因此它的使用大大减少了实验次数简短了研发周期。本研究采用数值模拟技术，对五组不同颗粒粒径，其他条件不变的工况进行模拟。

2 建立模型与划分网格

2.1 建立几何模型

FLUENT前处理主要采用建模软件GAMBIT来完成。通常模型的简化都是将真实的结构简化为数学模型，将复杂的结构转化为可计算的简单几何结构。建立一个水里旋流器模型：直径为75mm；柱段长度为75mm；锥段长度为186mm；进料管直径为25mm；溢流管圆柱体，直径为25mm，插入深度为50mm；底流管圆柱体，直径为12.5mm。然后划分结构化网格。考虑到水力旋流器内部的流场的复杂状态采用分体积法对旋流器进行网格划分，共划分成34个体，均采用六面体网格进行划分。

2.2 指定边界条件

基本的边界条件包括：流动进口边界条件、流动出口边界条件、给定压力边界条件、壁面边界、对称边界、周期性（循环）边界。本模型中五组水力旋流器颗粒粒径分别为0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm。

3 水力旋流器Fluent数值计算

3.1 单相水为工质的CFD模拟

以入料口轴向与水力旋流器柱体底面圆相切，入料口高度与柱体一致，入口速度为2.5m/s，液态水的质量流率为0.0007kg/s、粒径符合RosinRammler分布（平均粒径：0.35mm、最大粒径：0.7mm，最小粒径：0.06mm）的wood材质颗粒。相间耦合计算中，离散相的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响了离散相的分布。可以交替计算连续相和离散相直到两相的计算结果都达到收敛标准。加入离散相由颗粒（代表液滴或气泡）构成的第二相分布在连续相中。FLUENT可以计算这些颗粒的轨道以及由颗粒引起的热量/质量传递。相间耦合以及耦合结果对离散相轨道、连续相流动的影响均可考虑进去。

3.2 颗粒粒径对水力旋流器流场及性能的结果分析

3.2.1 流场分析-压力分布

在分离不同粒径的计算模拟中发现旋流器内压力基本呈中心对称分布，在同一轴向位置上，沿径向，由壁面到中心轴，压力逐渐的降低。靠近壁面处的压力最高，在轴中心处形成负压，而在底流口和溢流口的位置，压力达到最低。

3.2.2 流场分析-速度分布

在分离不同粒径的计算模拟中发现，速度因一侧有进料口基本呈中心对称分布，在同一轴向位置上，沿径向，由壁面到中心轴，速度相反，速度标量逐渐的降低。靠近壁面处的速度最高，在轴中心处速度达到最低。

3.2.3 对分离效率的影响

分离效率是水力旋流器分离性能的最主要指标，取值范围在0-100%之间，如图1所示，由计算结果可得：随着颗粒粒径的增大，分离效率提高。可见粒径越大的工质，越好进行分离。

3.2.4 对压力降影响

水力旋流器的压力降是指入口处压力与底流管出口出的压力之差。压力降是反映水力旋流器能耗的重要指标。如图2所示，由模拟计算结果可得：随着颗粒粒径的增大，压降提高。可见粒径越大的工质，水力旋流器分离所消耗的能量越高。

4 结论

本文利用计算流体力学软件FLUENT对水力旋流器内不同粒径的液固两相流动进行了三维数值模拟，颗粒粒径对压力、轴向速度分布和切向速度分布有影响。当颗粒粒径越大，分离效率则越高，压力降则越小。但是在颗粒粒径在0.30mm～0.35mm之间分离率急剧增加，0.35mm<颗粒粒径<0.45mm时分离率虽然增加但增速没有0.30mm～0.35mm时增加的快，压力降虽然增加，但其加速度并没有颗粒粒径<0.35mm时的压力降的增速快。可见分离效率增加最快时不一定是分离颗粒粒径最大。

參考文献

[1]琚选择.论液-液水力旋流器的CFD方法[J].石油矿场机械，2008，37（7）：14-19.

[2]孙卓辉，李胜利.液-液水力旋流器两相湍流场数值研究进展[J].化学工程与工业，2008，12：84-90.

[3]李自力.液-液水力旋流器三维网格生成技术研究[J].石油机械，2008，8：43-46，66.