复合曲锥对旋流器分离性能的影响

许慧林 刘培坤 杨兴华 张悦刊 姜兰越

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

水力旋流器作为常规的分选分级设备，在选矿、化工等领域具有广泛的应用。常规旋流器在生产实践中常伴有底流夹细和溢流跑粗现象，产品中颗粒粗细混杂，导致其分离精度不高，分离效率还有待提高［1-3］。

锥段作为旋流器的主要分离区域，其边界轮廓对旋流器的分离性能有着极大的影响［4］。Abdul等［5］、Vega 等［6］分别设计了向轴心内凹的锥体结构，相较于直线型锥体，其分离空间减小，离心强度增高，提高了溢流产品品质，但是这种锥体结构对流体下行阻力较小，分流比增加，因此常伴有底流夹细现象。Ye 等［7］在研究中指出，旋流器下锥段空间狭小会引起各相分离的恶化，此类结构更适用于对溢流粒度控制严格的工况。与之相反，刘培坤等［8］、Ghodrat 等［9］研究了由轴心向外凸的锥体结构，该结构对流体的下行阻力增大，细微颗粒难以进入底流，提高了底流产品品质，但分离空间的增大，离心强度有所降低，溢流跑粗现象加剧，分离精度有待提高。

基于以上研究成果，本文提出一种复合曲锥旋流器，将锥段分为上、下两部分，其上锥段向轴心内凹，旨在提高离心强度，实现粗细颗粒高强度的预分级，保证溢流产品合格；下锥段由轴心向外凸，旨在增大流体下行阻力，迫使外旋流中夹杂的少量细颗粒上迁至溢流，减少底流夹细。通过上、下锥段对流体的综合作用，达到提高分离精度和分级效率的目的。为了验证复合曲锥旋流器的分离性能，本文采用数值模拟的方法，与常规旋流器对比，分析了其速度场、密度场和分离性能的变化规律。

1 几何模型构建与模拟方法

1.1 几何模型构建

设计的具有复合曲锥旋流器与常规直线型锥旋流器的结构对比如图1 所示。复合曲锥是将常规直线型锥分为上下两部分，上锥段向轴心内凹，下锥段由轴心向外凸，呈现中心对称。复合曲锥的曲率由指数n 控制：当n=1 时，为直线型锥；当n＞1 时，为曲线型锥。n 越大曲率越大。本次模拟以φ50 mm 旋流器为研究对象，其结构参数如表1所示。

1.2 数值模拟方法

采用ICEM 对模型进行六面体网格划分，经网格无关性检验后确定旋流器网格数量在20万左右，图2为n=1 和n=3 时的网格划分。随后导入Fluent 进行固-液两相流模拟计算，选用雷诺应力模型（RSM）和Mixture 模型，进料口设置为速度入口，速度大小为5 m/s，溢流口和底流口的边界条件均为压力出口。添加的颗粒相密度为2 800 kg/m³，总体积分数为5.60%，质量浓度为14.24%，各相分布如表2 所示。采用标准壁面函数，压力-速度耦合方式采用SIMPLE 算法，压力离散格式为PRESTO，其他控制方程的离散格式均采用QUICK 格式。计算以进口与出口各相流量的时均平衡作为计算收敛的判据［10-11］。

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注：数值模拟计算时，使用“计算粒径”代表该粒级。

1.3 模拟验证

为验证模拟结果的可靠性，采用实验室试验的方法，对比同工况下φ50 mm 旋流器的分级效率，数值模拟与试验结果基本吻合（图3），说明本研究选择的模型和边界条件的设置满足精度和可靠性要求。

2 模拟结果分析

为了便于分析内部流场的变化，截取4个特征截面，分别为旋流器轴截面（X0）、上锥段1/2 处横截面（Z1）、上锥段和下锥段交界面（Z2）、下锥段1/2处横截面（Z3），其特征位置如图4所示。

2.1 切向速度

图5为轴截面（X0）处切向速度云图。

从图5 可以看出，随着曲率指数n 的增加，上锥段分离空间逐渐减小，下锥段分离空间逐渐增大，切向速度大于8.667 m/s 的区域轴向上逐渐缩减至上锥段区域，但其横向分布区域相对增加。通过这种锥段设计，提高了上锥段的离心强度，实现了粗细颗粒的短时间、高强度预分离，避免了因单一使用外凸型锥体时，离心强度不足，部分粗大颗粒上迁至溢流造成的溢流产品劣化；下锥段流体的切向速度降低，离心强度降低，使粗大颗粒动能有所降低，会促进密度层的径向延展，为“淘洗”细微颗粒、减少底流夹细创造了条件。另外，受益于上锥段的影响，最大切向速度区域聚拢于柱段区域及溢流管下表面，该位置容易发生短路流［12-14］，高离心强度区域可以使短路流体得以分离，进一步降低了溢流跑粗。

2.2 轴向速度

图6分别给出了在Z1、Z2和Z3截面处的轴向速度分布。速度值为负，表示流体在该区域形成外旋流，螺旋向下运动至底流口排出；速度值为正，表示流体在该区域形成内旋流，螺旋向上至溢流口排出［15-18］。在截面Z1处，复合曲锥的外旋流轴向速度高于常规直线锥旋流器，流体下行阻力较小，符合内凹型锥体的速度分布规律；在Z3处，复合曲锥的外旋流轴向速度小于常规直线锥旋流器，流体下行阻力增大，粗大颗粒可以克服阻力沉降至底流，但夹杂的少量细微颗粒难以克服阻力，会形成基于密度的轴向分层［19-20］。又因为内旋流轴向速度提高，有利于悬浮的细微颗粒回迁至溢流，减少了底流夹细，但同时也会使一些中位 径颗粒也发生迁移，使得分离粒度升高。

2.3 密度分布

图7 为密度分布云图。常规直线型锥旋流器密度分布为径向分层，高密度层分布在下锥段，紧贴锥段壁面的位置，低密度层直通底流口，高外旋流轴向速度使得夹杂的细微颗粒快速从底流口排出，造成底流夹细。随着曲率指数n的增加，密度层会因切向速度的减小、下行阻力的增大，发生了径向和轴向的延伸，高密度层由贴合锥体壁面变为悬浮层，使得细微颗粒难以穿透高密度层，迫于流体阻力回迁至内旋流中，减少了底流夹细。可以推断，指数n越大，减少底流夹细的效果越明显，但是中位径颗粒伴随细微颗粒迁移到溢流的可能性越大，使得分离粒度也会增加。

2.4 分级效率

5种锥型的分级效率曲线如图8所示。随着曲率指数n 的增加，底流夹细现象明显改善，如n=1 时，5 μm 颗粒底流回收率为6.98%；n=3 时，5 μm 颗粒底流回收率降到了2.40%。另外，通过营造上锥段高强度离心力场，溢流产品品质并未发生恶化，如n=1 时，45 μm 颗粒底流回收率为99.51%；n=3 时，45 μm 颗粒底流回收率略有降低，为98.81%。

分离粒度d50和分离精度SI经计算后汇总于表3，其中分离精度定义为：SI=d25/d75，SI越大，分离精度越高。随着曲率指数n 的增加，分离精度由0.517 提高到0.649；分离粒度由19.38 μm 升高到24.91 μm。因此该锥段结构的设计对提升分离精度，减少底流夹细是行之有效的，在生产应用中应当综合考虑分离粒度和分离精度的要求，选取合适的曲率指数。

3 结 论

提出了一种具有复合曲锥的旋流器，其上锥段向轴心内凹，下锥段由轴心向外凸，利用CFD 技术模拟了旋流器的内部流场。

（1）通过对比常规直线型锥旋流器，复合曲锥旋流器在柱段出现高离心强度区域，有利于减小短路流；在上锥段切向速度提高，分布区域相对横向拓展，有利于提高分离精度，控制溢流品质；在下锥段切向速度降低，有利于形成高密度悬浮层，为细微颗粒的淘洗、迁移创造了条件。

（2）在复合曲锥的上锥段区域，外旋流轴向速度增大，内旋流轴向速度与常规直线型锥段相近；在下锥段区域，外旋流轴向速度减小，内旋流轴向速度增大，结合高密度悬浮层的形成，有效地减少了底流夹细。

（3）比较了5种曲率指数下的分离精度和分离粒度的变化，发现随着曲率指数n 的增加，分离粒度由19.38 μm 增加到24.91 μm，分离精度由0.517 提高到0.649，底流中5 μm 颗粒回收率由6.98%降低到2.4%，改进效果明显。

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