浮选机叶轮排布方式对叶轮流体动力学的影响.pdf

9 6 有色金属 选矿部分 2 0 1 8 年第5 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 8 ．0 5 ．0 1 8 浮选机叶轮排布方式对叶轮流体动力学的影响 王增增1 ，赖茂河2 ，陈强2 ，卢涛1 1 ．北京化工大学机电工程学院北京1 0 0 0 2 9 ； 2 ．北京矿冶科技集团有限公司北京1 0 0 1 6 0 摘要基于计算流体力学 c o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 方法，分析叶轮排布方式对K Y F 型浮选机叶轮流体 动力学参数的影响对两种排布方式的叶轮承受流体激励力进行傅里叶变换，分析其波动频率及其成分。从流体激 励力时域和频域角度分析叶轮叶片排布对其振动特性的影响。 关键词浮选机叶轮；排布方式；流体激励；频域特征；流体诱发振动 中图分类号T I 4 5 6 文献标志码A文章编号1 6 7 l - 9 4 9 2 2 0 1 8 0 5 伽9 6 旬5 E f f e c to fF l o t a t i o nM a c h i n eI m p e U e rA r r a n g e m e n to nI m p e U e rF l u i dH y d r o d y n a m i c s W A N GZ e n g z e 昭| ，L A IM ∞甜．C H E NQ t 帆g ，L UT ∞i J ．c o Z 如舻矿肌c 托凡i c n Zn 以E 如c ￡以c n Z ，B e 彬凡g ‰妇邶i ￡yo 厂劬e m 如ⅡZ 死c 矗加蛔y ，B e 咖增』D D D 2 9 ，劬i 眦； 2 ．B G R l M MT e c h n o l o g yG r o u p ，B e 每t n gl0 0l6 0 ，C h t n a l A b s t r a c t A n a l y s i st h ei m p a c to fi m p e U e ra m n g e m e n to nt h ei m p e l l e rn u i dd y n a m i c sp a r a m e t e r sb a s e do n t h eC o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s ． E x e c u t i n gF a s tF o u r i e rT r a n s f e rt ot h ed i f - f e r e n ti m p e l l e rV a n ss u b j e c t e dt i m e c o u r s en u i df o r c e ， c o m p a r i n gt h em a i nf r e q u e n c ya n di t sc o m p o n e n t s ． R e s e a r c ht h ei n n u e n c eo fi m p e l l e rV a n s a r r a n g e m e n to ni t sv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cf 而mt h ef r e q u e n c yd o m a i na n dt i m ed o m a i np e r s p e c t i V e ． K e yw o r d s n o t a t i o nm a c h i n ei m p e l l e r ；a r r a n g e m e n t ； n u i de x c i t a t i o n ；f q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ；n u i d i n d l 】c e f lv i h r a t i o n 叶轮机械内部流动本质上是三维非定常复杂流 动a 。流体机械的振动研究中叶片承受的的流体 激励力是关键参数、3 。。浮选机也是一种通过叶轮 传递机械能的流体机械，因此流体激励力是浮选机 叶轮及其轴系振动原因之一。通过计算流体动力学 方法对流体机械叶轮动力学研究多集中于泵、风机、 航空发动机等流体机械，浮选机叶轮叶片的流体动 力学参数的研究还处于起步阶段。浮选机大型化会 带来轴系的振动问题，研究叶轮流体激励力是为了 分析轴系振动流体的影响因素。朱宝田，吴厚玉一j 提出了一种通过谐波分析定量确定各阶谐波流体激 振力的力学模型和数值计算方法。蒋爱华‘5 。等通 过计算流体力学 c o m p u t eF l u i dD y n a m i c s 方法对 离心泵叶轮和蜗壳承受流体激励力进行了分析。胡 丹梅。6 等通过建立流固耦合模型对风机叶片进行 了流体激励力及叶片动应力分析。李彬。刊等通过 商业软件A N S Y SC F x 对长叶片透平级汽轮机叶片 承受气流力进行了数值模拟计算，并对叶片通过频 率、转子转动频率、分离涡引起激振频率进行了 分析。 K Y F 大型浮选机的叶轮排布方式有直列和倾 斜之分。倾斜叶轮中又分为前倾叶轮和后倾叶轮。 目前有学者运用计算流体力学方法对两种不同排布 方式的浮选机的叶轮循环量和功耗进行研究。沈政 昌。8 。等研究得出后倾叶轮可以降低浮选机功耗和 增大浮选机循环量。樊学赛一。等通过计算流体力 学的方法对后倾叶轮的倾斜角度对功耗的影响。 s H u A I X I N Gs H I 。⋯。等通过P I V 和c F D 方法对叶轮 倾斜方向和角度对浮选流场的影响。本文通过三维 建模软件对直列叶轮和后倾角度为1 6 ．3 。的倾斜叶 轮叶片进行划分，抽取浮选槽流体域对其进行数值 模拟计算，分别得到叶片面流体力时程曲线。通过 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 5 0 4 0 2 6 收稿日期2 0 1 8 旬3 一1 8修回日期2 0 1 8 _ 0 8 ．1 0 作者简介王增增 1 9 9 l 一 ，男，河南商丘人，硕士研究生，从事流体诱发振动研究。 通信作者卢涛 1 9 7 5 一 ，男，江西丰城人，博士，教授，主要从事工程热物理研究。 万方数据 2 0 1 8 年第5 期 王增增等浮选机叶轮排布方式对叶轮流体动力学的影响 9 7 快速傅里叶变换 F F T r 得到信号的频域特征，从流 体力波动的频域角度分析叶轮叶片的排布方式对流 体力和叶轮及其轴系的振动特性的影响。 1 浮选机结构与计算流体域 对K Y F 型浮选机进行三维实体建模，分别将直 列和倾斜叶轮与定子导叶组装，分别见图1 和图2 。 叶轮叶片8 个，定子导叶叶片1 2 个。 图1 直列叶轮 F i g ．1 I nl i l l ei m p e l l e r 图2 倾斜叶轮 F i g ．2O b l i q u ei m p e l l e r 抽取流体域，得到浮选槽流体域并对流体域划分 为转子域和定子域两部分浮选槽半径3 6 0m m ，高 7 6 0m m ，体积为0 ．3 2m 3 ，分别对转子域和定子域划分 四面体非结构化网格，进行瞬态气液两相流动计算。 2 数学模型 2 ．1 模型假设 浮选过程不考虑传热，浮选机流场为气液两相。 2 ．2 求解策略 流场的求解采用A N s Y sc F x 求解器求解，设置 欧拉两相流模型，动量传递选择曳力模型S c h i l l e r n a u m a n n ，湍流模型选择七一e 模型。为保证流场的可 对比性，监测点及结果提取位置在直列叶轮与倾斜 叶轮中设置相同。在边界条件设置中，浮选槽壁面 和叶轮叶片面选择无滑移壁面条件，入口设置在转 子域搅拌轴上端，设置为气体入口，仅限气体进入， 质量流率入口值为o ．1k ∥s ，出口设置为开边界，出 口气液两相比例设置为1 0 ，即限制水流出，仅限气 体流出。计算域设置为转子域与定子域，设置动静 域的交界面，I n t e m c em o d e l 选择G e n e r a lc o n n e c t i o n 模型，F r a m ec h a n g e ／M i 【i n gm o d e l 选择T r a n s i e n tR o t a t o rs t a t o r 模型，P i t c h c h a n g e 选择s p e c i 6 e dP i t c h A n g l e s 模型值设置为3 6 0 。求解器中对流项选择高 阶模式，瞬态项选择二阶背风欧拉，收敛判据选择 R M s 模式，收敛标准设置为1E ～，进行时间步长为 O ．0 0 02s ，总时间2s 的瞬态数值模拟计算。通过 F o r t r a n 语言编写叶轮叶片面的流体激励力监测表 达式，得到其时程曲线。 3 结果与讨论 3 ．1 不同叶轮排布方式流场分析 提取同一时刻数值模拟计算结果进行流场后处 理，对浮选流场的速度矢量与气体分布进行分析，见 图3 - 5 。 ∑ 图3 液相速度提取位置 F 嘻3P o s i t i o n fv e l 捌【yb ee x t r a c t e d 图4 直列叶轮L i n e 5z 向液相速度随时间变化 F i g ．4 Zd i r e c t i o nl i q u i dV e l o c i t yi nl i n e5 o fi n l i n ei m p e l l e r z 向速度的提取位置在定子导叶的下部，是矿 浆的人口区域。从图4 和图5 中可以得到如下结 论1 倾斜叶轮与直列叶轮在叶轮转动初始时刻流 场差异较大。2 两种叶轮流场随时间的发展趋势 相同，随着气体充入量的增加，在叶轮及上部区域液 万方数据 ．9 8 ．有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第5 期 j f 一 ．’ ，⋯J l 慧嘲J ‘k ≯。嗡 ；_ 二l ’．’ 曼 ．【I ． U5 掣“ 1 l ’ 一 1 2 8 暮 一1 f ．6 s N “j 1 ．’ 。二烹 l 转速l I 后f r m i n 一。 一2 5 ⋯一{ 1 4 一，3 一I l2 一l I II l l0 2I I ．3n ．4 、方向坐标，m 图5 倾斜叶轮L i n e 5z 向液相速度 随时间变化 F i g ．5 Zd i r e c t i o nl i q u i dv e l o c i t yi nl i n e5 o fo b l i q u ei m p e l l e r 相的z 向速度逐渐减小。3 在定子导叶与浮选槽 壁面之间的区域Z 向速度随时间变化趋势不明显。 从流场液相速度分析可得知不同的叶轮排布方 式，其流场特征存在差异，这些差异必然会引起叶轮 叶片承受流体激励力的不同。 3 ．2 不同排布方式叶轮流体激励分析 将流体激励力时程曲线信号通过均方根值处理 和频谱分析处理，从时域幅值和频谱频域两个角度 分析叶轮排布方式对叶轮承受流体激励力的影响， 结果见图6 和图7 。 时| 廿J 瓜 图6 直列叶轮不同转速流体激励时程曲线 F i g ．6 F l u i df o r c eo fi n l i n ei m p e U e ri n d i f f e r e n Im f a t i o nv e l o c i t y 通过式 1 和式 2 对两种排布方式叶轮承受 流体力进行均方根值处理，结果见图8 和图9 。 艮。酽 专耋F 。 ㈩ FR u s2黑蕊 2 囊 蘸 萋i 2 ■f l j j jl I lI jj { } 】j 二 时川 、 图7 倾斜叶轮不同转速流体激励时程曲线 F i g ．7 F l u i df o r c eo fo b l i q u ei m p e U e ri n d i f f ．e r e n tr o t a t i o nv e l o c i t y 图8 直列叶轮流体力均方根值曲线 F i g ．8 F l u i f lf r c e1 1 tn l e a ns q u a r e v a l u e fi n 】i n Pi 1 1 1 p PJ l P r 图9 倾斜叶轮流体力均方根值曲线 F 唔9 F 1 u i df o r c er 0 0 tm e a ns q u a r e V a l u eo f0 b l i q u ei m p e l l e r 根据以上不同排布方式叶轮承受流体力时程曲 线和均方根值曲线可以得到如下结论1 直列叶轮 X 方向流体力均方根值大于，，方向流体力均方根 值，而倾斜叶轮相反，y 方向流体力均方根值大于x 0 而 m 巧 m 疥 m 两 m 万方数据 2 0 1 8 年第5 期 王增增等浮选机叶轮排布方式对叶轮流体动力学的影响．9 9 ． 方向流体力均方根值。2 不同排布方式的流体力 均方根值随转速变化特征不同，直列叶轮流体力均 方根值最小值出现在3 1 5r ／m i n 工况，而倾斜叶轮 流体力均方根最小值出现在2 5 6r ／m i n 工况。3 直 列叶轮在2 2 5 2 8 8r ／m i n 转速范围内y 方向流体 力均方根值较为平稳且幅值较低。 将流体力时程信号进行频谱分析，通过快速傅 里叶变换 F a s tF o u r i e rT r a n s f e r 得到信号的频域特 征如图1 0 和图1 1 所示。 图1 0 直列叶轮X 方向流体力傅里叶变换 F i g ．10 F F l “ r1 1 L 1 i 1f r c Pi nXd i r e c l i n fi 1 1 1 i 1 1 e i n l f e 1 1 t ．r 一 一3 f l ／2 7 ‘ { 溯 压s 爹 |壕 2 叫 『lI 1f “} ；“} I fH I ⋯f Il ⋯I f “】⋯{ ■{ H I 1 葡j ；，，H ／ 图1 1 倾斜叶轮x 方向流体力傅里叶变换 F i g ．1 l F F Tf o rn u i df o r c ei nXd i r e c t i o n o f0 b l i q u ei m p e l l e r 流体机械中叶片通过频率是分析振动特性的重 要参数，通过以下两式得到⋯1 B P F ，b n 3 B 尺F 竺盟 4 K 式中，。为叶轮叶片数，，。为定子导叶数目，n 为叶轮转速，矗为叶轮叶片数和定子导叶数的最大 公约数。在本文中，叶轮叶片数，。为8 ，定子导叶数 目，。为1 2 ，在本文中取为4 。 通过上式计算得到不同转速叶片通过频率。将 流体力时程信号快速傅里叶变换所得频域信号中高 幅值对应频率选出，频谱图中存在较多波峰，其中与 叶片通过频率及其二倍频相近的成分峰值较高，与 流体力傅里叶变换所得频谱中频率成分如表1 和表 2 所示。 表1 直列叶轮通过频率与X 方向流体力频率关系 T a b l e1 T h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn u i df o r c ei nX d i r e c t i o nm a i nf ．r e q u e n e ya n dB P Fo f i n l i n ei m p e l l e r 表2 倾斜叶轮通过频率与x 方向流体力频率关系 T a b l e2T h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn u i df r c einX d i r e c t i o nm a i nf k q u e n c ya n dB P Fo f i n l i n ei m p e l l e r 从表1 和表2 可以看出后倾叶轮与直列叶轮的 叶片通过频率相同，流体力波动频率后倾叶轮稍小 于直列叶轮，均与叶片通过频率相近，且后倾叶轮的 频域幅值要小于直列叶轮，这也说明后倾叶轮的振 动特性要优于直列叶轮。 在流体机械中叶轮叶片间的旋涡会随着叶轮的 转动生成和分离脱落，旋涡分离脱落也会对叶轮叶 片造成激励2 。o 。 将．] | f 方向流体力频谱中低频高幅的频率成分 列出，分析分离涡对流体力激振的影响。 流体机械叶轮承受流体激励力频谱图中低频高 幅成分为分离涡脱落频率门1 。由图1 2 、1 3 可以得出 分离涡的脱落频率均随着转速增大而增大，直列叶 万方数据 1 0 0 有色金属 选矿部分2 0 1 8 年第5 期 图1 2 直列叶轮低频高幅频域成分 F i g ．12 L o wf r e q u e n c ya n dh i g ha m p l i t u d e c o m p o n e n t so fi n l i n ei m p e U e r 图1 3 后倾叶轮低频高幅频域成分 F i g ．13 L o wf ．r e q u e n c ya n dh i g ha m p l i t u d e c o m p o n e n t so fB a c k w a r do b l i q u ei m p e U e r 轮的分离涡脱落频率随转速增大的速度大于倾斜叶 轮的分离涡脱落频率随转速增大的速度。 4 结论 通过对不同叶轮叶片排布方式的浮选槽流场特 征及关键位置z 向速度、叶片面流体力均方根值、 叶片面流体力波动频率三个参数对比，得到了叶轮 排布方式对叶轮的振动激励力的影响。 1 直列叶轮浮选流场与倾斜叶轮浮选流场差 异较大，槽底液相速度随时间变化特征不同，倾斜叶 轮所得浮选流场湍动程度更高。 2 直列叶轮叶片面x 方向流体力均方根值在 全转速范围内均大于倾斜叶轮叶片面x 方向流体 力均方根值。直列叶轮叶片面l ，方向流体力均方 根值在全转速范围内均小于倾斜叶轮叶片面l ，方 向流体力均方根值。 3 直列叶轮和倾斜叶轮承受流体激励力频率 均存在叶片通过频率成分。直列叶轮的流体激励力 叶片通过频率频域信号幅值高于倾斜叶轮。 4 直列叶轮分离涡脱落频率随转速增大速度 大于倾斜叶轮分离涡脱落频率。 5 流体激励力波动是叶轮及其轴系的振动原 因之一，浮选机叶轮叶片的排布方式对叶轮承受流 体激励力的影响不可忽略。 参考文献 『1 ] 周盛．叶轮机械流固耦合有关模型综述[ J ] ．燃气涡轮 实验与研究，1 9 9 5 3 l - 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