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博士学位论文 离心筛分耦合作用下的流场特征及颗粒透 筛机理研究 Study on Characteristics of Flow Field and Mechanism of Particles Passing through Sieve under Centrifugal Coupled Screening Effect 作 者王传真 导 师陈建中 教授 中国矿业大学 二○一九年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD94 学校代码 10290 UDC 622.7 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 离心筛分耦合作用下的流场特征及颗粒透筛机理 研究 Study on Characteristics of Flow Field and Mechanism of Particles Passing through Sieve under Centrifugal Coupled Screening Effect 作 者 王传真 导 师 陈建中 申请学位 工学博士学位 培养单位 化工学院 学科专业 矿物加工工程 研究方向 细颗粒分级；数值模拟 答辩委员会主席 闵凡飞 评 阅 人 盲评 二○一九年五月 万方数据 致谢致谢 悠悠岁月，白驹过隙，惊风白日,光景西流。四年精彩的博士求学生涯，转 瞬即逝，蓦然回首，历历在目。羊有跪乳之思，鸦有反哺之义，余所受之恩情， 耿念在心，恒不敢忘。现借此契机，一一拜谢。 首谢教育之恩。 “一日为师，终生为父” ，此乃继师之道而念其恩赦。从多年 的生产一线返回母校继续深造，面对着角色转变，是导师陈建中教授和师母沈丽 娟教授无私的帮助使我很快进入状态，对此我表示衷心的谢意。导师陈老师严谨 的学术风范和一丝不苟的科研精神时刻提醒着我对待科研的态度， 从第一个设计、 第一次试验到第一篇论文等无一不给我指导着前进的方向， 尤其是我在国外交流 的一年内，他不顾时差，定期组织视频会议，给我的科研课题提供帮助。师母沈 老师慈祥和蔼的为人在我的博士期间一直给我着关怀和包容， 尤其是在我遇到很 多生活中的困难时，她总是无私的给我着支持。此外，感谢外导 Geoffrey Evans 对我在澳大利亚纽卡斯尔大学求学期间从语言、科研和生活上提供的各种帮助。 最后感谢我的硕导匡亚莉教授和邓建军副教授对我博士论文提供的建议与帮助。 师当园丁真心育良才，吾为蓓蕾实意求真知。身为学生，心怀感恩，尊师之道， 感师之恩，终身不忘。 次谢家人之恩。父兮生我，母兮鞠我，此吾父母；兄弟手足，同根相生，此 吾兄弟；执子之手，与子偕老，此吾爱妻；牙牙学语，蹒跚学步，此吾之爱女。 天下亲情之无私，吾必念之。在我读博期间，我的家人一直是我最坚实的后盾， 并为我默默的付出着，尤其是我的女儿出生后，在最需要我的时候，我无法陪同 着她的成长。当我一个人远赴海外时，是家人的无私付出，让我可以安心可以， 并最终完成学业。家人之恩，铭记于心。 三谢同窗之恩。莘莘学子，起卧行坐于校园，进出学习莫乎同窗。感谢王玉 刚、马晓东、程远志、王猛、刘璇、张帅猛、黎涛和李杉杉等师弟师妹在本课题 研究中给予的帮助和支持，感谢黄彦龙、李永改、徐昊、陈少辉、赵忠祥、李阿 庆、马世春、张睿、戴文杰、张明腾、马卫平、贾凯、李佳伟等师弟师妹在我博 士期间提供的各项帮助。 感谢国外同窗好友葛林瀚、 Md Khan、 Mohammad Hoque 等对我在国外留学期间提供的生活和学习上的帮助。感谢王章国、王光辉和林喆 三位师兄在我博士期间提供的一切帮助。同窗之恩，永不相忘。 四谢母校之恩。感谢我的母校中国矿业大学敞开她宽广的胸怀，接纳我、培 养我，为我在博士期间的科研工作提供坚实的保障。感谢中国矿业大学现代分析 与计算中和澳大利亚纽卡斯尔大学高性能计算集群对本课题研究中提供的支持。 末谢评审之恩。 衷心的感谢在百忙之中参与我论文评审和答辩的各位专家学 者，文中难免出现错误和不当之处，敬请批评指正。 万方数据 I 摘摘 要要 三产品旋流分级筛（TPHS）通过在传统水力旋流器（CH）内增设柱段筛网 创新的实现了离心和筛分耦合作用下的（简称“耦合” ）颗粒分级。近年来，主 要通过实验探索的方式对 TPHS 进行结构优化、过程调节及性能预测等研究，但 对其内部多相流动的认识尚不充分， 对其流场特征和颗粒透筛机理的准确描述尚 属空白。因此，课题围绕 TPHS，从多相流体动力学角度出发，以 CFD 和 DEM 理论分析为切入点，在合理仿真理论体系建立的基础上，对耦合流场的多相流动 进行数值模拟，在模拟结果与相同条件下的物理样机实验对比验证的基础上，深 入研究了设备内耦合流场分布特征和颗粒透筛机理， 揭示了流体及颗粒运动规律。 主要研究内容和结论包括 1）借助 PIV 技术对 φ75mmTPHS 柱段筛网内耦合流场进行测试，通过 Top- hat 形态学滤波背景去噪和 Adaptive correlation 互相关算法等对检测结果进行分 析，获得了精确的流场信息。 2）以 φ75mmTPHS 为对象进行耦合流场的几何建模，以 VOF 和 RANS 算 法进行流动建模，在时间步长 10-3s、迭代残差 10-6、模拟时长 20s 等条件下可通 过 SIMPLEC 算法获得不同边界条件的耦合流场的收敛解，对 1520s 间的时均 计算可获得稳定的宏观流动。 3）数值模拟结果的验证和确认表明中等密度网格（约 200 万数量）可提 供经济的网格无关解；基于文中表 4-2 初始网格高度生成网格时，可获得合理的 y分布；相同边界条件下的 CFD 仿真和 PIV 实验对比表明，结合 VOF 多相流模 型和 Linear Pressure-Strain 湍流模型可获得耦合流场得既经济又精确的数值解。 4）借助 CFD 仿真技术，对耦合流场分布特征进行全面分析 （1）流体沿切向高速给入 TPHS 后做旋流向下运动，由于柱段筛网的存在 部分流体透筛形成筛下流，其余流体继续流动至锥段形成底流，未及时排出流体 逐渐充满流场并形成溢流。 （2）除外旋流、内旋流、中心下流和二次循环流外，耦合流场呈现了特有 的筛下流和筛下返流等，且消除了空气柱和短路流。 （3）与 CH 相比，耦合流场具有更低切向速度和更高径向速度，且其值大 小随半径增加先增大后降低，此外后者轴向速度亦呈现出典型的 LZVV 特征。 （4）耦合流场的静压呈轴对称分布，其值随轴向深度增加先降低后增大随 后再次降低；柱段筛网内外侧静压差△p 随轴向深度的增大由正逐渐降为负。 （5） ）耦合流场的湍流强度 I、湍动能 k 和湍流耗散率 ε 值分布类似入料 万方数据 II 柱段及筛下流出口附近柱段筛网区锥段区，筛网内侧筛网外侧。 （6）流体透筛量和筛下返流量均与入口速度成正比；流体沿柱段筛网内侧 向筛网外侧的净透筛量随轴向深度加深由正逐渐变为负。 5）通过流体动力学分析，建立了单一筛缝下流体透筛流量及占比方程，并 指出筛网两侧压差是流体透筛的根本原因， 同时结合量纲分析和达西定律推导出 耦合流场的透筛流量控制方程 n TPHS RHD qcP   。 6） 耦合流场优化研究中认为 ①单入料口双筛下出料口的几何结构在保证 锥段离心强度的条件下提升了流场对称性；②合理的柱段筛网结构（筛缝大小和 筛网高度）可完全消除返流现象。 7）采用 CFD-DEM 模拟对耦合流场内的颗粒运动进行研究 （1）结合颗粒动力学和相似放大准则对 1/2 缩放几何模型内的颗粒运动进 行建模， 并采用分布式策略进行仿真， 其模拟结果呈现出与文献实验一致的趋势。 （2）与 CH 不同，颗粒在 TPHS 内是在离心和筛分共同作用下分级的，可 分为入料柱段的预先分层、柱段筛网的耦合分级和锥段区域的离心分级；并且， 相同条件下，TPHS 比 CH 具有更好的颗粒分级效果。 （3） 离心和筛分耦合作用下的颗粒透筛主要发生在径向和切向的合运动上， 而轴向运动可基本忽略，其透筛粒度方程可描述为 2 the clylidrical screen the conical area, and the inner side of the screen the outer side of the screen. 6 The flux of screen underflow and screen backflow are proportional to the inlet velocity, and the net from the inner to the outer side of the cylindrical screen gradually changed from positive to negative as the axial depth increased. 5 The flux of screen underflow and its ratio to feed were modled by the simplified sieve model, while the pressure difference between two sides of screen was the fundamental reason. Finally, the flow equation of screen underflow in the coupled flow field n TPHS RHD qcP    was deduced by the dimensional analysis and Darcys law. 6 The optimization of the coupled flow field points out ① the association of single inlet and double screen underflow outlets can enhance the symmetry of coupled flow field without reducing the centrifugal strength of conical section; ② the reasonable cylindrical screen sizes of sieve slots and sieve height can completely eliminate reflux phenomenon. 7 CFD-DEM was used to research particle motions in the coupled flow fluid 1 The combination of particle dynamics and Re similar amplification criteria was adopt to model the momentum equation of particles in the 1/2 scaled geometry. The distributed strategy was used for simulation, wherein the results reveals the similar trendency to that in the literature. 万方数据 V 2 Different from CH, particles are separated in TPHS by the combined centrifugation with screening. The classification process can be divided into the pre- stratification in feeding column, the coupled classification in cylindrical screen and the centrifugal classification in cone. TPHS presents the better perance than CH under the same simulation conditions. 3 The process of particles passing through screen occured mainly in the radial and tangential motion, while the axial motion can be basically ignored. The particle size passing through sieve can be described as 0.25mm 弧形筛等 分级 按颗粒沉降末速 分离，受颗粒粒 度、密度、形状 等共同影响 适用于处理细物 料，同粒级产物 主要是等沉颗粒 存在颗粒错配， 分级 效率有待进一步提 高 ≤ 0.25mm 水力旋流 器等 上述粒度分离方法在工业生产中得到广泛应用， 并取得了较好的实际应用效 万方数据 博士学位论文 2 果。然而，随着行业的发展，颗粒分离过程表现出了一些新的趋势，如在选矿 领域中，为了最大程度的提高有用矿物的回收率，需要进一步降低磨矿产品粒度 [7]并进行有效分级；在选煤领域中，随着原煤开采机械化程度的不断提高和开采 程度的进一步加深，入洗原煤中粉煤量逐渐增大[8]，需对更细的原料进行高效分 级。这些变化一定程度上会削弱分离设备的性能，甚至导致设备在一些场合下无 法满足正常的工业需求[9]。 因此， 针对目前细粒级颗粒 （0.5mm） 在粒度分离过程中存在的分级效率有 待提高、分级粒径不能较好的适应生产需求等实际问题，提出不同颗粒分离方式 （即筛分和分级）间“取长补短、有机融合”的思路，设计了一种新型的三产品 旋流分级筛（Three products hydrocyclone screen, TPHS）[10]，其结构示意图如图 1-1 （a） 和 （b） 所示， 该设备是基于普通的水力旋流器 （Conventional hydrocyclone, CH）的结果优化与改进。从图中可以看出，TPHS 与 CH 在结构上较为相似，都 有入料口、入料腔体、柱段结构、锥段结构、底流口、溢流管及溢流口等组成。 不同的是 TPHS 内部增设了一定筛缝的柱段筛网（如图 1-2 所示） ，借以实现颗 粒在筛分和离心的共同作用下进行分级。TPHS 内的柱段筛网主要由一定筛缝的 筛网、环形加强筋、水平加强筋和上下固定盘组成。其中，加强筋的作用是使筛 网在高强度旋流作用下保持筛面形状不变，上下固定盘用来固定筛网。筛网的开 孔率一般在 2030，筛缝大小根据具体的实际需求选取，此外，筛网材质通常 选用耐磨钢，一般条件下筛网的寿命可达到 3000h[11]。 图 1-1 三产品旋流分级筛（TPHS） （a）示意图和（b）实物图 Figure 1-1 Three products hydrocyclone TPHS a Schematic diagram and b photograph （a） （b） 万方数据 1 绪论 3 图 1-2 TPHS 筛网实物图 （a）固定板、 （b）环形加强筋、 （c）垂直加强筋、 （d）筛网、 （e）筛网俯视图、 （f）筛缝 和（g）筛条 Figure 1-2 Photograph of cylindrical screen in TPHS a plate b annular stiffener c vertical stiffener d sieve e top view of the sieve f aperture and g screen bar TPHS 的操作过程与 CH 类似，但由于柱段筛网的存在，新设备除了溢流和 底流之外，生成了一个新的产品流即筛下流[12]。尽管只是对 CH 的做了简单的结 构改变，TPHS 却实现了颗粒群在三个产品流中的分布优化，强化了颗粒分离过 程，消除了传统水力分级中被认为是固有缺陷的 Fish-hook 效应，其底流夹细量 明显降低，设备性能更优越[11]。经过连续多年的深入研究和现场应用实践，目前 TPHS 已成功替代 CH 在工业现场得到推广应用，如图 1-3，并取得了良好的经 济和社会效益[13]。与 CH 相比，TPHS 突破了颗粒粒度分离方式的单一性，将多 种不同的颗粒分离方法集成在一起，具有分级效率高、处理量大等明显优点，这 也使得其在工业应用上有较好应用前景。 图 1-3 TPHS 在薛湖选煤厂工业应用 Figure 1-3 Industrial application of TPHS in Xuehu coal preparation plant 1.3 课题提出（Proposal of Topic） 万方数据 博士学位论文 4 与传统方法相比，TPHS 打破了分离方式的单一性，实现了不同颗粒分离方 法间的有机融合， 但同时也在一定程度上增加了设备内部多相流体运动的复杂性， 颗粒是在离心和筛分共同作用下实现分级的，具有以下特点 1）粒度分离方式多样性。颗粒在设备内部的分离过程同时存在筛分和离心 分级两种，其兼有筛分按粒度分离严格性和水力分级对细颗粒的适应性，表现为 离心和筛分耦合作用下的颗粒按粒度分离过程。 2）力场复合性。颗粒在液相连续介质内运动，除主要是受重力、浮力和曳 力作用外，还存在颗粒与颗粒、颗粒与壁面间的随机碰撞作用力，同时颗粒的径 向透筛行为还受离心力场支配。 3）流场复杂性。与过滤旋流器[14]、JK 三产品旋流器[15]及其它新型旋流器[16] 类似，一方面 TPHS 是基于 CH 进行的设备优化与改进，另一方面这些设备从结 构和操作上具有高度的相似性。故，TPHS 表现出与 CH 相似的流场复杂性，如 漩涡、湍流、对流、涡破裂等[17]。 上述讨论表明，尽管 TPHS 在细粒分离上和其它同类设备相比，表现出一定 优势和较好应用前景，但由于其内部多相流场的复杂性，对设备结构优化、过程 调节及性能预测等主要依靠试验获得的经验模型。何丽君等[18] 通过对 TPHS 的 入料压力、 底流口大小和溢流管插入深度进行分析， 探索其与分级粒度的相关性； 李普迎等[19] 对 TPHS 结构参数和工艺参数的匹配性进行探索，总结设备对入料 压力和入料粒度的适用范围；李倩倩[20] 提出了 TPHS 分级粒度经验公式，并探 索了筛网结构对分级粒度的影响， 并得到最佳筛网结构参数； 胡言凤[21] 对 TPHS 筛网直径、筛网孔径、入料口、溢流管、溢流口、底流口尺寸和锥角进行设计， 并对底流口大小与分级效率、分级粒度间的关系进行研究，得出变化规律；陈建 中等[12] 以两相流和颗粒透筛理论为基础进行了 TPHS 颗粒分级性能研究，探索 了不同产品流之间的组合特性；马晓东[22] 在半工业试验条件下获取到不同试验 条件下沿柱段筛网透筛颗粒的粒度分布；王传真等[11] 开展了半工业和工业条件 下不同结构参数和操作参数的组合试验， 得出产品粒度分布规律； 张高峰等[23] 研 究了 TPHS 在选煤工业现场应用中不同产品流中颗粒粒度变化规律， 给出分级粒 度调节范围；祝学斌等[24] 通过工业试验提出了 TPHS 在粗煤泥回收中的经验工 艺组合。虽然上述研究从不同的方面总结了 TPHS 的相关经验，但该经验结论在 应用中常会由于试验条件的限制而存在一定局限性，模型通用性有待提高，不利 于设备的工业化应用推广。 随后，为一定程度上揭示设备内流场特征，研究者们对 TPHS 进行了多相流 仿真探索。孔思荣[25] 通过对 TPHS 进行数值探索了透筛流量与入口流速的关系 并首次提出返流现象；王玉刚[26] 通过仿真探索了 TPHS 内柱段返流规律；王猛 万方数据 1 绪论 5 [27]通过模拟不同筛缝参数和入口流量条件下 TPHS 运行情况， 探索了设备内柱段 流场变化规律；程远志[28]通过相同边界条件下 TPHS 和 CH 内部流场对比，分析 了 TPHS 流速分布特征。 前人对 TPHS 的数值模拟在一定程度上解释了设备内流 场特征，不过依旧存在许多不足之处，主要表现在没有对模拟过程科学性的说 明，包括网格无关性、时间无关性分析和步长无关性分析；缺乏模拟结果准确性 的验证；缺乏对 TPHS 流场的精确检测；没有系统的对流场分布特征进行描述； 设备内流体和颗粒透筛机理研究尚属空白。因此，获得的结论对设备实际应用过 程指导作用有一定限制。 总的来说，前人多年来的不懈研究验证了 TPHS 在细颗粒分级上的优点，并 总结出了一些经验模型，对 TPHS 在应用上有了一定的理解。然而，对 TPHS 内 多相流动的认识尚不充分， 对其流场分布特征和颗粒透筛机理的准确描述尚属空 白。因此，开展 TPHS 内离心筛分耦合作用下的（以下简称“耦合” ）流场特征 及颗粒透筛机理的研究是十分必要的。 1.4 研究目的和内容（Aims and Details of Research） 本课题围绕 TPHS，对其内部耦合流场特征及颗粒透筛过程进行探索，从而 揭示 TPHS 内流体和颗粒的运动规律，从机理上解释颗粒透筛过程，为 TPHS 结 构优化、过程调控及性能预测提供理论支撑。 为实现上述研究目的，课题研究中以 TPHS 多相流场为研究对象，以计算流 体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）和离散单元法（Discrete Element , DEM）理论为切入点，在流场模型和离散元模型合理选择的基础上，综 合运用理论分析、 CFD 仿真、 CFD-DEM 耦合模拟和样机试验验证相结合的方法， 在建立精确的多相流和颗粒运动数学模型的基础上， 对 TPHS 设备内流场分布特 征和颗粒透筛机理进行研究，对 TPHS 结构参数、边界条件与透筛流量和透筛颗 粒粒度间的关系模型进行探究，借以揭示流体及颗粒运动规律。主要研究内容包 括 1）耦合流场测试研究 ① 设计并搭建满足 TPHS 内耦合流场测试的 PIV 实验系统。该系统不仅要 对 PIV 配套硬件进行合理选择， 如镜头、 激光强度等， 同时还要充分考虑 PIV 测 试对待测区域透光性等要求。 ② 紧密结合 PIV 实验原理，对 PIV 实验步骤进行合理设计，同时对实验的 过程参数进行优化，以降低实验误差，确保流场检测精度。 ③ 对不同边界条件下的耦合流场流动进行测试，以获得 TPHS 有网柱段内 外侧的流体流动特征，同时探索其内部空气柱形成过程及存在状态、各出流口的 分流比等。 万方数据 博士学位论文 6 ④ 深入分析 PIV 图像后处理算法， 对③中获得的图像进行科学严谨的处理， 以获得有效的流场速度矢量分布规律。 2）耦合流场模拟理论研究 ①按照 PIV 实验中 TPHS 结构参数， 同比例对其内部流场进行几何建模， 并 选取合理指标对其进行综合评价，确保模型质量。 ② 紧密结合 TPHS 流动特点，以 CFD 理论为其切入点，在对多相流模型、 湍流模型、 求解器算法全面剖析的基础上， 选择适用于耦合流场的合理仿真模型。 ③ 确定数值模拟边界条件、步长设置、模拟时间设置等合理参数，确保数 值模拟的稳定性。 3）TPHS 内耦合流场的流动特征探究 ① 对仿真模拟的结果进行科学验证，包括通过对不同网格规模下的数值 模拟计算结果进行分析，以完成网格无关性验证；通过对壁面 y分布的分析，完 成 y有效性验证；通过对相同条件下的 PIV 实验和 CFD 模拟进行对比，以确定 数值流场模型的有效性。 ② 在①的基础上，对耦合流场的流动特性展开全面深入研究，包括流场发 展过程、空气柱赋存状态、液流运动分析、速度和压力分布、湍流特征分布等。 ③ 从机理上分析耦合作用下的流体透筛机理及透筛流量决定因素，并建立 透筛流量模型，并对模型有效性进行验证。 ④ 探索耦合流场内存在的潜在不足，分析其形成机理，并针对该不足之处 提出优化方案。 4）耦合作用下的颗粒透筛机理研究 ① 从颗粒动力学理论出发，建立颗粒在多相流动中的运动方程，并结合实 际情况，采用量级分析法对方程进行简化，进而确定适合本课题的颗运动方程。 ② 在建立合理模拟策略的前提下，采用 CFD-DEM 算法对耦合流场内的颗 粒运动进行模拟，并将仿真结果与相近条件下的文献中物理样机实验进行对比， 从而确定颗粒仿真模型的有效性。 ③ 在②的基础上，对颗粒在流场中的运动规律进行探讨，分析颗粒在透筛 过程中的受力情况，研究颗粒的透筛机理。 万方数据 1 绪论 7 三产品旋流分级筛TPHS 理论分析。针对研究对 象特殊性，对其流场和 颗粒进行动力学分析 PIV流场测试实验 文献中实验结果CFD流场模拟 流场分布特征和流体透筛驱动 力及其驱动力调控机制 颗粒透筛机理 离心筛分耦合作用下的流场特 征及颗粒透筛机理研究 离心筛分耦合多相流场为研究对 象，以CFD和DEM理论为切入点 CFD-DEM耦合颗粒模拟 建立几何模型，选择合 理多相流模型、湍流模 型、求解器算法等 搭建耦合流场的PIV实验 系统，选择合理的实验参 数及后处理算法 耦合流场数值模拟 经济且精确解 验证和确认网格无关 性验证、y验证、数值 模型验证 相似条件下物 理样机实验 有效性的颗粒运动仿真 建立颗粒运动方 程，并通过耦合模 拟策略合理简化 验证和确认耦合 模型的有效性 提供CFD仿真模型 深入研究深入研究 图 1-4 技术路线图 Figure 1-4 Technology Roadmap 1.5 研究意义（Research Significance） 1）TPHS 创新地融合了筛分和水力离心分级，其内流体和颗粒运动较为复 杂， 与流体动力学和离散单元法紧密结合进行设备内部流体和颗粒运动进行研究， 不仅从根本上对颗粒透筛分级过程进行解释，完善设备的基础理论研究，同时丰 富了现有的水力分级和颗粒透筛理论，具有重要的理论意义。 2）从设备内部的流场流动和颗粒运动机理上对 TPHS 进行深层次研究，利 于设备结构参数优化、分级过程参数控制与预测和分级效率进一步提高，为其工 业化应用提供指导，解决设备工业化应用推广瓶颈，具有较大的现实意义。 3）本研究课题对水力旋流器、筛分机械、离心机等类似设备的理论研究及 万方数据 博士学位论文 8 性能预测等方面有一定的借鉴意义。 4）本研究课题集矿物加工学、流体动力学、离散单元法、仿真模拟计算及 流场测试技术等多学科交叉， 有利于学科之间的有机融合， 促进学科间知识共享。 万方数据 2 文献综述 9 2 文献综述文献综述 2 Literature review 使用数值模拟的手段对 TPHS 内耦合流场及其颗粒透筛分级机理进行探究， 不仅涉及到气液两相的计算，同时需要考虑颗粒的运动。前两者属于连续性流体 计算，可通过求解 N-S 方程获取流场分布信息，而后者属于离散相，在计算中需 对每一个颗粒建立方程并求解，同时连续相和离散相之间还存在一定相互作用。 于此同时，为确保数值模拟的有效性，还需对模拟结果进行实验验证。 上述环节中涉及到的基础理论和实验手段，在近年来得到了快速的发展。因 此，需要对其有充分的了解和认识，并紧密结合 TPHS 的流场实际，才能确保课 题研究的顺利开展。本章从理论发展、数值模拟现状和流场检测技术等方面对与 课题相关的背景知识进行阐述，为课题研究提供切入点，同时为研究中使用的新 技术和新方法的可行性进行论证，以确保课题研究的可行性。 2.1 数值计算理论（Theory of Numerical Simulation） 2.1.1 多相流动基础理论 2.1.1.1 多相流体概述 气态、液态和固态俗称“三态”是自然界常见的物体形态，处于这三种形态 下的物体分别定义为气体、液体和固体[29]。通常将分布均匀的固体、液体或气体 分别称为固相、液相或气相，统称为单相[30]。有别于传统意义上物质的固液气三 种相态，这里的“相”可以理解为在所处的流动中表现出特定的惯性响应并与流 场相互作用的相同类别的物质，例如，相同材料属性的颗粒（此处的颗粒可以是 粒子、液滴或气泡）如果具有不同尺寸，则可将它们视为不同的相，这是因为相 同尺寸的粒子对流场呈现出相似的动力学响应[31]。 总的来说， 多相流的特点是存 在随流动变化的相分界面，比如，封闭管道内水夹带气泡的流动过程中气水分界 面随位置和时间不断变化。因此，多相流可视为由变动分界面的多相共同组成的 流动[30]。 一般地， 气体因其具有较强的扩散性， 能混合均匀并形成一种单相流体； 固体由于具有一定的体积和形状，无法与液相或气相混匀并形成单相流，均属多 相流；不同液相混合时，有时可为多相流（如水和油的混合） ，有时可为单相流 （如水和乙醇的混合）[29]。 多相流可根据不同的分类方式分为不同的类型。当根据热交换分类，可分为 有热交换的多相流和绝热多相流；当依据流动的各组分分类时，可分为单组分多 相流和多组分多相流， 如具有相同的分子式的冰水混合物则可视为单组分多相流， 而泥水混合物则为多组分多相流；当依据相的数量进行分类时，可分为两相流和 万方数据 博士学位论文 10 三相流[32]，此分类方式最为常用。 多相流是一种极为常见的现象， 并广泛存在于众多领域， 如自然界中的雾霾、 生活中的烟雾扩散和工程应用领域中的水力输送等[33-35]。 在对任何一个多相问题 进行探索时， 首先需要做的就是对研究对象进行深入分析并找出该系统的多相流 动特点，为更清晰地展示多相流动的相关基础知识，现在上文中关于多相流的定 义、分类和存在领域的详述之上，将其总结归纳如表 2-1 所示，并在图 2-1（a） （f）分别对不同的流动类型进行了示意。 很显然地， 作为水力旋流器的改进设备， TPHS 耦合流场内的流体流动既有 气液连续相又有颗粒离散相等， 故也应认为课题研究的目标流体应属于该表中第 4 小类，即多相流型。 表 2-1 多相流型一览表 Table 2-1 Schedule of multiphase flow regimes 序号 多相流型 典型流动 流动特点 示意图 工程应用 1 气-液流 或液-液 流 段塞流动 连续流体中大气泡流动 图 2-1（a） 管道内的大尺度 气泡流 气泡流动 连续流体中离散气泡或液泡流动 图 2-1（b） 浮选、蒸发、通 风等 液滴流动 连续气体中离散液滴流动 图 2-1（b） 燃烧室、干燥机 等 分层/自由 液面流动 具有明显界面非混合流体流动 图 2-1（c） 沸腾、冷凝 2 气-固流 颗粒负载 流 连续性流体的离散颗粒流动 图 2-1（b） 旋风分离器等 气动输运 流动与固体加载率、雷诺数和颗粒属性密切 相关，如均匀流动 图 2-1（d） 水泥或金属粉末 输运等 流化床 固定容器内的颗粒在气流中运动 图 2-1（f） 循环流化床等 3 液-固流 泥浆流 液相流体中的颗粒输运，一般情况下颗粒斯 托克斯数小于 1，当大于 1 时，流动相当于 液固流化床 图 2-1（d） 矿浆输运等 水力输运 大量颗粒在连续性液体中的运动 图 2-1（d） 物理化学中的流 体系统等 沉降 一定高度容器内的颗粒在液相中运动，且颗 粒浓度自上而下逐渐增大 图 2-1（e） 浓缩沉降等 4 三相流 上述流动 的组合 水力分级旋流器 矿物浮选过程等 （a）段塞流 （b）气泡、颗粒或液滴负载流 （c）分层/自由液面流动 万方数据 2 文献综述 11 （d）气动输运、水力输运或泥浆流 （e）沉降 （f）流化床 图 2-1 多相流型示意图 Figure 2-1 Schematic diagram of multiphase flow regimes 2.1.1.2 多相流模理论模型 在明确了多相流动特点和确定流动类型后，需要选择合理的多相流模型对 流动过程进行理论建模。目前，用于描述上述各种不同多相流动的理论包括 Euler-Lagrange 算法[36, 37]和 Euler-Euler 算法[38, 39]。 1）Euler-Lagrange 算法 Euler-Lagrange 算法主要用于对含有离散相的多相流动进行建模，在该算法 中连续相流体（液相或气相）通过求解 Navier-Stokes（N-S）方程[40]，而离散 相颗粒（粒子、气泡或液滴）则借助 Lagrange 算法[41]对其轨迹进行追踪。该模 型一般建议对颗粒体积率低于 10的多相流动进行建模，有时也被尝试用来描 述较高颗粒质量加载率（即颗粒质量≥流体质量）的流动[31]。例如，N. Huber 和 M. Sommerfeld[42]使用 Euler-Lagrange 算法对管道系统内较低质量加载率 （0.3kg 颗粒/kg 空气）的稀相气力输送过程进行建模并分别研究了流场及颗粒 的运动特征，其中气相采用 Euler 算法进行建模并获得了连续相速度，而离散 相颗粒则通过 Lagrange 算法并考虑曳力、惯性力、升力和旋转升力等进行追 踪；S. Laı ́ n 等[43]借助 Euler-Lagrange 模型一方面研究了低浓度条件下流体和颗 粒的运动，如气相体积分数小于 2时鼓泡塔内多相流动特征，另一方面他还分 析了当系统中质量加载率较高时的多相流动特点[44]，如当质量加载率为 1.0 kg 颗粒/kg 空气时的水平通道内的颗粒速度、流体速度和压降等分布规律；Stefan Radl 和 Sankaran Sundaresan[45]采用该算法提出了气固流化系统中不同体积分数 条件下（0.020.4）的颗粒的曳力模型；Michael Oevermann、Stephan Gerber 和 Frank Behrendt[46]则通过 Euler-Lagrange 模型对不同进料速度条件下的颗粒（木 材）在鼓泡流化床反应器内的受热分解过程进行分析并获取了颗粒的受热运动 及其气化规律；等等。 2）Euler- Euler 算法 当使用 Euler- Eule