雙錐旋流器內(nèi)流場與顆粒運(yùn)動(dòng)模擬及其工業(yè)應(yīng)用研究.pdf

1、水力旋流器是借助離心力場實(shí)現(xiàn)加速分離的高效通用設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用在石油、化工、礦業(yè)、食品、造紙等眾多領(lǐng)域。降低能耗與分離下限是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對固液分離水力旋流器提出的更高要求，也是水力旋流器的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。研究水力旋流器內(nèi)多相流的流動(dòng)行為，分析水力旋流器參數(shù)對其分離性能的影響規(guī)律，將為水力旋流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)固液分離工程的發(fā)展。
　　本文以雙錐固液水力旋流器為研究對象，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）工具，模擬了雙錐旋

2、流器內(nèi)多相流流場，分析了其流場特性，討論了顆粒的流動(dòng)行為，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)考察了雙錐旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其分離性能的影響，實(shí)現(xiàn)了雙錐旋流器在凡口鉛鋅礦分級尾砂制備與單一高品位硫精礦生產(chǎn)中的應(yīng)用。
　　在時(shí)均化的納維-斯托克斯方程基礎(chǔ)上，應(yīng)用雷諾應(yīng)力湍流模型（RSM）、流體體積（VOF）多相流模型及混合（Mixture）多相流模型對直徑100mm雙錐30°（上錐體錐角）-10°（下錐體錐角）旋流器及單錐10°旋流器內(nèi)液-氣流場、液-氣-固流

3、場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室清水試驗(yàn)及分離試驗(yàn)進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性，證明了所選擇的CFD數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性及模擬的可靠性。
　　對雙錐30°-10°旋流器與單錐10°旋流器內(nèi)的流場參數(shù)進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明：旋流器錐體結(jié)構(gòu)變化不影響流場參數(shù)的分布規(guī)律。在進(jìn)料速度相同的情況下，雙錐30°-10°旋流器內(nèi)切向速度明顯高于單錐10°旋流器，單錐10°旋流器內(nèi)空氣柱頻繁的徑向擾動(dòng)使得兩

4、種旋流器內(nèi)流體的徑向速度大小相差不大，這種流場特性使得雙錐旋流器可以達(dá)到降低分離粒度的效果。
　　通過研究顆粒進(jìn)入旋流器到形成穩(wěn)定多相流場的過程中不同粒度顆粒在溢流與底流中的質(zhì)量流率隨時(shí)間的變化關(guān)系及不同瞬時(shí)時(shí)刻顆粒在旋流器內(nèi)的體積分布特點(diǎn)，分析了旋流器內(nèi)基于粒徑大小的顆粒流動(dòng)特性。結(jié)果表明：顆粒粒度越小，進(jìn)入溢流管中所需要的時(shí)間越短；接近中位徑粒度的顆粒在旋流器出口達(dá)到穩(wěn)定質(zhì)量流率所需的時(shí)間比其他粒度顆粒都要長；穩(wěn)定狀態(tài)下多相流

5、流場中各粒度顆粒的分布特點(diǎn)是：顆粒粒度越細(xì)，越趨向于較均勻地分布于整個(gè)旋流器內(nèi)，隨著粒度的逐漸增大，在柱體及大錐體區(qū)域顆粒分布逐漸偏離旋流器中心并形成濃度偏析，粗顆粒緊貼在旋流器內(nèi)壁呈“聚集態(tài)”的螺旋流動(dòng)；旋流器內(nèi)循環(huán)流中由于細(xì)顆粒的不斷進(jìn)入會(huì)造成一定程度上的顆粒累積，并形成一個(gè)環(huán)形的具有濃度梯度的高濃度區(qū)域，停止向旋流器內(nèi)供入顆粒相，通過研究顆粒相從旋流器內(nèi)流失的過程可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)循環(huán)流中不同粒度大小的顆粒具有不同的“逃逸”走向，細(xì)顆

6、粒主要隨溢流排出，隨著粒度的變大，顆粒既能從溢流中排出也能從底流中排出，粒度進(jìn)一步增大，顆粒只從底流中排出；模擬結(jié)果還表明：顆粒相是被連續(xù)相的徑向流動(dòng)夾帶至溢流管中而形成的短路流；顆粒粒度越細(xì)，越快形成短路流，粒度越粗，越不會(huì)形成短路流及循環(huán)流。
　　利用基于Yates算法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及CFD模擬，討論了雙錐旋流柱體高度、大錐體錐角、小錐體錐角、錐體接口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離粒度及能耗的影響。方差分析結(jié)果表明，對于雙錐旋流器的分離粒度

7、，影響的顯著性順序?yàn)椋盒″F段角度>上下錐段接口直徑>大錐段錐角>柱體高度；對于旋流器內(nèi)壓力降，影響顯著性順序?yàn)椋褐w高度>上下錐段接口直徑>小錐段錐角>大錐段錐角，其中錐體角度對壓力降、分離粒度是正影響，錐體接口直徑與柱體高度對壓力降及分離粒度是負(fù)影響。通過回歸分析擬合了試驗(yàn)范圍內(nèi)旋流器分離粒度與壓力降隨結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的回歸方程，相關(guān)系數(shù)分別為0.9918及0.9900。在所研究的雙錐旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)，下錐段錐角10°，大錐段錐角30

8、°，上、下錐段接口直徑φ/D=0.7（D為旋流器直徑），柱體高度H/D=2時(shí)，可以在較低的能耗下獲得較小的分離粒度。
　　設(shè)計(jì)了應(yīng)用于凡口鉛鋅礦分級尾砂制備的雙錐旋流器，工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，柱體直徑相同的雙錐旋流器相比于原單錐旋流器能有效降低分離粒度，明顯提高了分級尾砂的產(chǎn)率。在凡口鉛鋅礦回收單一高品位硫精礦的重浮聯(lián)合工藝設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算，選擇雙錐旋流器作為凡口鉛鋅礦高品位硫精礦生產(chǎn)的重選設(shè)備，可優(yōu)先從粗硫精礦中