水力旋流器流場及分離過程的數(shù)值試驗(yàn)研究.pdf

1、水力旋流器作為離心力與重力復(fù)合力場的典型設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、安裝操作方便、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地用于諸多領(lǐng)域，就礦業(yè)領(lǐng)域而言，水力旋流器廣泛應(yīng)用于分級(jí)、脫泥、濃縮、分選等作業(yè)，因此加深水力旋流器的研究，具有重要的工業(yè)價(jià)值。
　　水力旋流器內(nèi)部的三維流場決定了物料在其中的分離結(jié)果，所以針對水力旋流器內(nèi)部流場的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)問題，但是針對該問題的研究一直缺乏系統(tǒng)性，所得研究成果也并不具有普適性，因此對水力旋流器內(nèi)部

2、流場及顆粒運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行系統(tǒng)研究顯得尤其必要。
　　在PIV(Particle Image Velocimetry)流場測試及實(shí)際旋流分離試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，本文基于CFD（Computational Fluid Dynamics）的數(shù)值試驗(yàn)方法，利用ANSYS/Fluent軟件包，以RSM(Reynolds Stress Model)雷諾應(yīng)力模型計(jì)算湍流，以VOF(Volume of Fluid)多相流模型捕捉液氣兩相邊界，以DPM

3、(Discrete PhaseModel)離散相模型計(jì)算流場內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)，對Φ50mm水力旋流器流場及分離過程展開了系統(tǒng)研究。
　　(1)利用數(shù)值試驗(yàn)方法，研究了水力旋流器內(nèi)壓力能和動(dòng)能的轉(zhuǎn)換;考察了空氣柱形成過程以及此過程中液-氣兩相流的流動(dòng)狀況。由于壓力能逐漸轉(zhuǎn)化為流體動(dòng)能和能量損失，在水力旋流器某一半徑，靜壓頭降為0，流體域內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，從而形成空氣柱。對于基礎(chǔ)參數(shù)水力旋流器，數(shù)值和物理試驗(yàn)結(jié)果均表明，在t=0.6s左右空氣柱

4、基本成型，空氣柱呈扭曲繩狀，其直徑約為7.8mm，其內(nèi)空氣從沉砂口吸入并從溢流口排出，在沉砂管上端空氣柱發(fā)生大幅度徑向偏擺，在溢流管底部空氣柱呈“喉結(jié)”狀突起?？諝庵黾恿怂π髌鞯哪芎模洳⒉粚α鲌鲈斐深~外擾動(dòng)。
　　(2)系統(tǒng)地研究了旋流器流場內(nèi)部壓強(qiáng)、三維速度和壓強(qiáng)降的分布情況。在徑向上，壓強(qiáng)由器壁至旋流器中心逐漸降低，在縱向上沒有明顯的壓強(qiáng)梯度。壓強(qiáng)降分布恰好與壓強(qiáng)分布情況相對應(yīng)。數(shù)值試驗(yàn)所得流場速度結(jié)果與PIV測試結(jié)

5、果的高度吻合，進(jìn)一步證明了數(shù)值研究方法完全可以滿足精度和可靠性的要求。水力旋流器內(nèi)切向速度分布符合組合渦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即切向速度ut與半徑r滿足utrn=C。自器壁至中心軸線，水力旋流器內(nèi)軸向速度方向發(fā)生明顯轉(zhuǎn)向，形成外部向下內(nèi)部向上的雙旋流流場，軸向速度方向發(fā)生改變的轉(zhuǎn)折面，即為零速包絡(luò)面(LZVV)，LZVV上部為柱形下部為錐形，自溢流管入口貫穿至沉砂口出口，其柱形段直徑約為34.55mm。旋流器內(nèi)液相徑向速度是三維速度中最小的，同時(shí)也

6、是最復(fù)雜的，在內(nèi)旋流區(qū)域特別是空氣柱邊界附近，流體產(chǎn)生方向相反位置相對的徑向流動(dòng)?？諝庵鶅?nèi)氣相的徑向速度為0。
　　(3)考察了不同操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場的單一或交互影響。研究結(jié)果表明，給入流量、柱段高度、入口高度、錐角、沉砂口直徑、溢流口直徑、溢流管插入深度和溢流管壁厚等參數(shù)改變均或多或少的影響水力旋流器流場及分離結(jié)果。值得注意的是，對于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的旋流器，給入流量存在最小值?？諝庵鶗?huì)因溢流口直徑過小而中斷。上述參數(shù)中，只有

7、溢流口直徑變化會(huì)對LZVV位置造成明顯影響;當(dāng)溢流管插入深度大于0mm時(shí)，LZVV由“面”變“區(qū)”，更利于固體顆粒的精確分離。
　　(4)基于原有氣液兩相流場，研究了不同密度不同粒度顆粒在流場中的運(yùn)動(dòng)及分布，以及參數(shù)影響機(jī)制。顆粒分離的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果同樣有很高的吻合度，表明本文所采用的數(shù)值試驗(yàn)方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測顆粒在流場內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒在流場中停留時(shí)間長短不一，在空氣柱內(nèi)，不存在固體顆粒，而從空氣柱邊界至旋流器器壁處，

8、固體顆粒的體積濃度明顯增加。水力旋流器顆粒分離的影響參數(shù)研究表明，各參數(shù)對水力旋流器的顆粒分離均有一定影響，采用數(shù)值試驗(yàn)方法可準(zhǔn)確預(yù)測各參數(shù)對產(chǎn)品產(chǎn)率、分離粒度、分級(jí)效率等的影響規(guī)律。
　　(5)利用數(shù)值研究方法對Φ75mm水力旋流器展開實(shí)際礦物分級(jí)研究，結(jié)果表明，Φ75mm基礎(chǔ)參數(shù)水力旋流器空氣柱直徑約為8.54mm，其大致成型時(shí)間為1.9s，其LZVV柱段直徑約為61.99mm，流場特征與Φ50mm水力旋流器基本相同。針對某鞍