对称双进口旋流器流场特征及分离性能_张悦刊.pdf

收稿日期2020-01-14 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0604702） ， 山东省重点研发计划项目 （编号 2019GSF109030） 。 作者简介张悦刊 （1970） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 对称双进口旋流器流场特征及分离性能 张悦刊 1 葛江波 1 刘培坤 1 杨兴华 1 魏庆施 21 （1. 山东科技大学机械电子工程学院， 山东 青岛 266590； 2. 兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿， 山东 济宁 272072） 摘要传统单进口旋流器存在流场不稳定、 分离精度低等问题。创新旋流器结构、 优化流场性能、 提高分离 精度是当前旋流器应用的迫切需求。为了解决传统单进口旋流器对流场冲击大而引起的流场波动不稳定问题， 提 出了一种对称双进口旋流器结构型式。采用数值模拟方法， 通过RSM湍流模型、 VOF和Mixture多相流模型， 对两 种进口结构的旋流器流场特征及分离性能进行了对比研究， 结果表明 对称双进口旋流器的零速包络面和旋流流 场更加均匀， 可以为颗粒迁移运动创造更加稳定的分级、 分选条件； 对称双进口旋流器流场静压、 湍动能、 轴向速度 和切向速度比传统旋流器均有不同程度的提高， 其中对分离起主导作用的切向速度最大值提高了16.90， 有效增 大了离心强度， 强化了分离效果； 入口速度为7.5 m/s时， 10 μm微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了4.82个百 分点， 15 μm微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了11.34个百分点。研究结果对丰富旋流器结构型式， 进一步 提高旋流分离性能具有一定的指导意义。 关键词对称双进口旋流器流场特征分离性能数值模拟零速包络面 中图分类号TD921.3， TQ051.8文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -08-151-07 DOI10.19614/ki.jsks.202008025 Flow Field Characteristics and Separation Perance of Symmetrical Double Inlet Hydrocyclone Zhang Yuekan1Ge Jiangbo1Liu Peikun1Yang Xinghua1Wei Qingshi22 （1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China； 2. Jining No.2 Coal Mine of Yanzhou Coal Industry Co.， Ltd， Jining 272072， China） AbstractThe unsteady flow field and low separation precision exist in the traditional single-inlet hydrocyclone． It is urgent to innovate hydrocyclone structure，optimize flow field perance and improve separation accuracy． In order to solve the problem of flow field fluctuation and instability caused by the impact of traditional single inlet hydrocyclone on the flow field，presenting a symmetrical double inlet hydrocyclone structure． The numerical simulation ，through the RSM tur⁃ bulence model，the VOF and Mixture multiphase flow model，the two flow field characteristics and import structure of hydro⁃ cyclone separation perance has carried on the comparative study，the results show that the locus of zero vertical velocity and the swirl flow field of the symmetrical double-inlet hydrocyclone are more uni，which can create more stable grading and sorting conditions for particle migration． The static pressure，turbulent kinetic energy，axial velocity and tangential ve⁃ locity of the dual-inlet cyclone are all improved to different degrees than those of the traditional hydrocyclone． The maximum tangential velocity which plays a leading role in the separation is increased by 16．90，which effectively increases the cen⁃ trifugal strength and strengthens the separation effect． When the inlet velocity is 7．5 m/s，the overflow classification efficien⁃ cy of 10 μm fine particles is 4．82 percentage points higher than that of traditional structure， and the overflow classification ef⁃ ficiency of 15 μm fine particles is 11．34 percentage points higher than that of traditional structure． The results of study have certain guiding significance to enrich te structure types of hydrocyclones and further improve the separation perance of hydrocyclones． KeywordsSymmetrical double inlet hydrocyclone， Flow field， Separation perance， Numerical simulation， Zero ve⁃ locity envelope 总第 530 期 2020 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No． 530 August2020 水力旋流器作为一种占地面积小、 分离效率高、经济高效的分离设备， 广泛应用于矿物分选、 石油化 151 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 工、 煤炭、 环保等领域 ［1-5］。随着旋流器应用领域不断 深入， 对旋流器的分级效率要求不断提高， 需要进一 步优化操作参数和结构参数以达到更高的分级效 率。 改善进口结构参数是提高旋流器分级效率行之 有效的方法之一。大量研究表明 进料口当量直 径 ［6-7］、 进料口截面倾角［8-9］、 进料结构形状［10-11］、 进料 口数量等均对旋流器内部流场和分级效率有显著影 响。Tang Bo等 ［12］利用 CFD软件分析了进料口直径 对旋流分离效果的影响， 研究发现进料口当量直径 影响流场循环流流量。张彩娥等 ［8］通过改变进料口 夹角大小， 发现入口夹角为20时， 旋流器分离效率 较高， 但能量损耗也较大。人为改变流体轨迹， 强化 流场运动特性可以达到优化分离效果的目的， 相关 专家和学者通过改变进料体结构， 优化颗粒运动， 强 化分选效果。Duan Shuiqiang等 ［13］在旋流器内添加了 导流结构体并将其运用于油水分离， 通过数值模拟 发现， 增加导流结构有利于消除油滴破碎， 并通过实 验进行了相互验证。Zhang Caie等 ［14］对比模拟分析 了螺线进料口和切向进料口对旋流器流场和分离效 率的影响， 通过实验和模拟结果验证， 发现减小螺线 曲率可以实现流场切向速度的增加和流体湍流动能 的降低。Li Ji等 ［15］利用CFD软件对比分析螺旋线、 渐近线进料口旋流器对分离效率的影响， 发现螺旋 进料口旋流器分离微细颗粒比渐近线旋流器效果 好， 可以抑制溢流跑粗问题。但进口结构复杂化不 利于相关旋流器的工程应用， 部分研究人员通过增 加切向进口数量优化旋流器结构， 以达到预计分离 效率。Romanus KTN ［16］进行了单、 双进口旋流器分离 泥浆实验， 实验结果表明 相比于单进口旋流器， 双 进料口旋流器对不同粒度泥浆的分级效率更高。 David Winfield等 ［17］通过单进口、 三进口旋流器对高 炉废弃颗粒回收分析研究发现， 采用3个切向进口旋 流器对稳定空气柱流场、 减少能量损耗有重要作用； 王军等 ［18］将双进口切向旋流器应用于油水分离， 通 过CFD软件模拟发现， 新结构在牺牲能耗基础上可 以强化油水分离效果。 为了进一步探明双进口旋流器流场特征及分离 性能， 本文拟采用数值模拟方法， 对单、 双进口结构 旋流器速度场、 压力场及分级效率进行对比研究， 以 期为工业应用提供理论依据。 1模型构建 1. 1结构模型与网格划分 单进口旋流器为75 mm旋流器， 双进口旋流器在 75 mm单进口旋流器基础上， 将单进口旋流器进料口 横截面积减半， 增加对称进料口。结构示意图和参 数表分别如图1、 表1所示。 通过ICEM19.0软件对旋流器流体腔进行网格划 分， 划分单元块采用正六面体结构， 并对溢流管和底 流口处进行加密处理。为确保模拟结果的准确性和 高效性， 对旋流器进行网格无关性检验后， 确定单进 口结构旋流器网格数为113 795个、 对称双进口结构 旋流器网格数为115 717个， 图2为两种旋流器网格 划分图。 1. 2数学模型 固液分离旋流器分离流场内包含有空气、 水和 固体颗粒， 使用Fluent软件中不同的模型可以实现不 同相的追踪捕捉 ［19-21］。RSM湍流模型综合了流体流 动的各向湍流异性， 可以高效预测流场运动速度， 其 输运方程如公式 （1） 所示； 瞬态VOF模型通过连续性 方程 （2） 求解水相容积比率可以成功抓取气液交界 面， 进而捕捉到整个空气柱壁； Mixture模型通过动量 方程来预测各相运动情况， 其混合相动量方程如公 152 ChaoXing 2020年第8期张悦刊等 对称双进口旋流器流场特征及分离性能 式 （3） 所示。 ∂ ∂t ρu ju i ∂ ∂xk u ku ju i Dij ϕij Gij- εij，（1） 式中， t是时间，ρ是流体密度，ujui是二维雷诺应力，uk 是速度脉动分量，Dij为扩散项，ϕij为压力应变项，Gij 为产生项，εij为耗散项，xk表示位置长度。 ∂ ∂t aq V∇aq 0，（2） 式中，aq是流体单元内单一相流体容积含量，V是该 相流体速度。 ∂ρmVm ∂t ∇ρmVmVm -∇p ∇μmVm V m ρmg ∇ ∑ k 1 n αkρkV 2 dr,k F , 3 式中，ρm是混合相密度，Vm是混合相速度， P是流体 压力，μm是混合相粘度系数，g是重力加速度， n是相 数，αkρk是单一相粘度，vdr,k是第k相固体颗粒漂移速 度，F →是颗粒所受体积力。 1. 3模拟参数设置 通过 Fluent19.0 软件进行两种旋流器数值模拟 计算。分别采用VOF模型、 Mixture模型进行清水模 拟和混合相模拟。VOF模型中主相为水， 次相为空 气， 其中空气相回流系数为1， 采用瞬态方法模拟， 时 间步长为10-4。采用Mixture模型进行颗粒混合相模 拟， 混合相共6相， 主相为水， 其余相均为不同粒径的 CaCO3颗粒， 颗粒具体参数如表2所示。湍流模型均 为RSM雷诺应力模型， 入口边界条件均为速度入口， 出口条件均为压力出口。压力-速度耦合采用SIM- PLE算法， 离散格式为PRESTO， 其他采用QUICK格 式。其中， 清水入口速度设置为2.58 m/s， 混合相模 拟入口速度为7.5 m/s。文献 ［12］ 已验证了本文模拟 方法的正确性， 本文不再论述。 2结果对比分析 数值模拟计算模型和求解方案的合理性和可靠 性已在文献 ［22-24］ 中得到了验证。 分别取两旋流器柱段 （z90） 、 锥段 （z150） 处为 特征分析截面， 如图3所示。通过不同截面位置的流 场特性和分级特性， 对比研究单、 双进口旋流器性能 差异。 2. 1压力分布 空气柱形成标志着旋流场的稳定。图4显示了 两种旋流器流场静压云图， 中心深色贯通负压区域 为空气柱。 从图 4 可以看出， 相比于单进口旋流器的空气 柱， 双进口旋流器产生的空气柱对称性更强， 空气柱 受流场湍流影响更小， 表明对称进料可以抑制空气 柱偏移， 有益于流场稳定。 153 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 图5为旋流器不同截面处静压分布曲线， 旋流器 内静压呈对称形状， 随径向半径减小而降低， 在中心 处产生负压。 从图5可以看出， 在z90 mm和z150 mm两个截 面处， 对称双进口旋流器压力梯度明显大于单进口 旋流器， 在器壁处两种结构压力差达0.018 MPa， 这是 因为双进口旋流器进口截面宽度较窄。因此， 在入 料压力不变的情况下， 流体进入对称双进口旋流器 分离腔的压力比单进口结构大， 表明对称双进口旋 流器较单进口旋流器的分离能力更强， 有利于分级 效率和分级精度的提高。 2. 2切向速度 切向速度影响固体颗粒从内旋流向外旋流移动 的能力， 是影响分离效果的重要因素。图6是旋流器 对应截面切向速度分布图。 从图6可以看出 切向速度分布曲线均成 “M” 型 分布； 切向速度从壁面向轴心逐渐增大， 在半自由涡 与强制涡交界处达到极值； 强制涡内， 随着旋转半径 的减小切向速度逐渐降低。相比于单进口型旋流 器， 对称双进口旋流器流场内切向速度最大值提高 了16.9， 强化了流场分离特性。 图7为单、 双进口旋流器柱段截面涡流迹线图。 可以发现， 与单进口旋流器涡流迹线对比， 对称双进 口旋流器涡流叠加耦合十分明显， 这种流型叠加可 以有效增强颗粒离心能力， 强化分离效果。 2. 3轴向速度 图8为单、 双进口旋流器柱段截面轴向速度分布 图。 从图8可以看到 存在外侧速度小于0的区域为 外旋流区域， 内侧速度大于0的区域为内旋流区域； 双进口旋流器比单进口旋流器的轴向速度大， 轴向 速度大有利于颗粒的快速排出， 提高生产效率。 图9为单、 双进口旋流器零轴速包络面图。 从图9可以看出， 对称双进口旋流器零速包络面 非常规则， 呈轴对称分布， 且空气柱非常稳定； 而单 进口旋流器的零速包络面杂乱无章， 且空气柱波动 非常大， 这进一步表明对称双进口旋流器在流场稳 154 ChaoXing 2020年第8期张悦刊等 对称双进口旋流器流场特征及分离性能 定性和分离特性方面明显优于传统单进口旋流器。 2. 4径向速度 径向速度是3个速度方向中数值最小， 也是变化 最复杂的。图10为旋流器不同截面径向速度分布情 况。 由图10可以看出 传统旋流器径向速度由器壁 向旋流中心逐渐增加， 达到极值后迅速下降， 在轴心 处径向速度方向出现突变； 而双进口旋流器径向速 度接近于0， 从旋流器器壁到轴心处变化非常平缓， 速度突变现象明显较小。因此， 对称双进口结构有 利于流场的稳定， 但过小的径向速度会导致颗粒沉 降速度慢， 不利于分级效率和分级精度的提升。 2. 5流场流线轨迹与湍动能 循环流的存在加大了能量消耗， 短路流会降低 旋流分级效率和分级精度， 因此抑制短路流和循环 流对旋流分离有重要意义。图11是旋流器柱段流场 流线图， 相比传统旋流器， 双进口旋流器循环流、 短 路流均成对称分布， 且循环流区域明显减少， 这有利 于减少循环流流量和强化流场稳定性； 但双进口流 场短路流流量较传统旋流器略有增加， 会增加溢流 的错配率， 降低溢流精度。 图12是流场湍动能分布曲线图， 两种旋流器湍 动能总体变化趋势类似， 湍动能在旋流器壁处最小， 在中心处达到最大值。但与传统旋流器相比， 对称 双进口旋流器锥段轴心处的湍动能明显要大， 而锥 段是旋流器的主要分离区域， 湍动能的增大， 有利于 流场分离。 2. 6分离效率 入口速度为7.5 m/s时， 两种结构旋流器分级效 率如图13、 表3所示。相比于传统单进口旋流器， 对 称双进口旋流器溢流微细颗粒明显增加， 其中粒径 155 ChaoXing 金属矿山2020年第8期总第530期 为10 μm的颗粒， 分级效率增加了4.82个百分点、 15 μm粒径颗粒分级效率增加了11.34个百分点。 3结论 （1） 相比于单进口旋流器， 对称双进口旋流器流 场发生明显改变， 在双进料体耦合叠加影响下， 切向 速度增加了16.90， 有效强化了离心力场。 （2） 对称双进口旋流器流场更加均匀， 轴向速度 形成的零速包络面更加规则， 表明了对称双进口结 构有利于旋流器流场的稳定， 为颗粒迁移运动提供 了有利条件， 进而有利于颗粒的分级。 （3） 对称双进口旋流器可以有效减少循环流量， 有利于提升分级效率。与传统旋流器相比， 对称双 进口旋流器 10 μm 粒径颗粒溢流分级效率提高了 4.82个百分点、 15 μm粒径颗粒溢流分级效率提高了 11.34个百分点。 参 考 文 献 Tian Jinyi，Ni Long，Song Tao，et al． An overview of operating pa⁃ rameters and conditions in hydroyclones for enhanced separations ［J］ ． Separation and Purification Technology， 2018， 206 268-285． Chu K，Chen J，Yu A，et al． Numerical studies of multiphase flow and separation perance of natural medium cyclones for recover⁃ ing waste coal ［J］ ． Powder Technology， 2017， 314 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