入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究.pdf

学校代码学校代码10730 分类号分类号密级密级 论文题目（中文论文题目（中文）） 入口结构及涡核破碎翼入口结构及涡核破碎翼对对重介质旋流器内部重介质旋流器内部 旋转流场和旋转流场和性能的影响研究性能的影响研究 论文题目（外文论文题目（外文）） Effect of Inlet Structure and Breaking Wing of Vortex Core on Flow Field and Perance of Dense Medium Cyclone 作者姓名作者姓名霍欢欢霍欢欢 学科专业学科专业环境科学与工程环境科学与工程环境工程环境工程 研究方向研究方向离心分离工程离心分离工程 教育类型教育类型学历教育学历教育 指导教师指导教师王博王博教授教授 合作导师合作导师姜云超姜云超副教授副教授 论 文 工 作 时 段论 文 工 作 时 段2017 年年 11 月至月至 2019 年年 5 月月 论 文 答 辩 日 期论 文 答 辩 日 期2019 年年 5 月月 校址甘肃省兰州市城关区天水南路校址甘肃省兰州市城关区天水南路 222 号号 万方数据 万方数据 I 入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性 能的影响研究能的影响研究 中文摘要 我国是煤炭储存和消费大国，煤炭的清洁生产对环境至关重要。近 20 年来， 重介质旋流器（Dense Medium Cyclone,DMC）因具有设备占地面积小、本身无 运动部件、分选效率高、处理量大等优点，被广泛应用于煤矿分选过程中。DMC 能提升煤的分选效率并有效去除杂质，提高煤产品的质量，减少煤燃烧产生的 SOx、NOx 等污染物，降低对大气环境的污染。大直径重介质旋流器工业应用广 泛，对其几何结构进行优化具有十分重要的研究意义。本文拟从蜗壳入口结构及 涡核破碎翼结构入手，对大直径 DMC 结构进行优化。 用于研究 DMC 的方法包括实验和数值模拟， 考虑到实验研究所需成本较大， 本文拟采用计算流体力学（CFD）方法对蜗壳入口结构 DMC 及内置涡核破碎翼 结构 DMC 进行数值模拟研究。研究过程中，多相流模型（Mixture）被用来模拟 重介质和空气柱，雷诺应力模型RSM被用来模拟流场的湍流运动，拉格朗日追 踪模型LPT被用来追踪流场中颗粒的运动，并通过 CFD 软件二次开发输出颗粒 受力数据，另有粘度模型被用来修正重介质悬浮液的粘度。这些模型经实验数据 与模拟结果的对比验证，随后用来研究入口蜗壳包角、入料压头及涡核破碎翼对 DMC 的性能和内部旋转流场影响。 研究结果表明 （1）增大蜗壳包角能够明显提高流场的对称性和稳定性，减 少短路流流量，增大煤粉颗粒所受的离心力和径向压力梯度力之差的绝对值，进 而促进颗粒分离；蜗壳包角为 180时，重介质旋流器的入料压头、溢流分流比及 密度偏差较大，分离性能更好。对蜗壳包角为 180的 DMC 进行入料压头影响研 究，在不考虑能耗的前提下，增大入料压头，可使流场稳定性增强、旋流器处理 量增大以及分离性能提升。 （2）DMC 中内置涡核破碎翼，能够抑制溢流口空气 进入流场、显著减小溢流口流体的切向速度、减小流场压强，使重介质旋流器能 耗显著降低（降幅为 12.2） ；而且涡核破碎翼还能够阻断翼片直径范围内流体 的旋转运动，破坏内旋流但不影响外旋流，使 DMC 主体分离空间增大的同时分 离空间内的流体切向速度不减小，重介质旋流器的分离性能得到提升。 综上所述， 蜗壳包角为180且内置涡核破碎翼 （杆径200mm、 翼长介于LMTV 及 LZVV 间）的重介质旋流器设计较优，能够使 Ep 值（25、75可能性被分 万方数据 II 配到底流口的颗粒密度差值，Ep 越小即分离性能越好）减小，分离性能提升， 同时也使系统能耗降低 12.2。本文研究结果为重介质旋流器的结构优化提供了 理论依据和参考。 关键词关键词重介质旋流器，蜗壳入口，涡核破碎翼，性能影响，数值模拟 万方数据 III EFFECT OF INLET STRUCTUREAND BREAKING WING OF VORTEX CORE ON FLOW FIELDAND PERANCE OF DENSE MEDIUM CYCLONE Abstract As one of the worlds major energy sources, green coal production can play a vital role. In the past 20 years, Dense Medium Cyclone DMC has been widely used in coal mine sorting process due to its small footprint, no moving parts, high sorting efficiency and large processing capacity. It can improve the sorting efficiency of coal and remove impurities, improve the quality of coal products, reduce SOx, NOx and other pollutants generated in coal combustion, and reduce pollution to the atmospheric environment. The large-diameter dense medium cyclone has a wide industrial application prospect, and its geometric structure optimization can be of great significance for both research and application. This paper intends to optimize the large diameter DMC structure from volute inlet and breaking wing of vortex core. The s used to study DMC include experimental and numerical simulations. Considering the high cost of experimental research, this paper intends to use computational fluid dynamics CFD to study the DMC with the volute inlet and breaking wing of vortex core.The Mixture model was used to simulate dense media and air columns, the Reynolds stress model RSM was used to simulate turbulence in the flow field, and the Lagrangian particle tracking model LPT was used to track particles in the flow field. The particle force data is output through secondary development of CFD software, and a viscosity model is used to correct the viscosity of the dense medium suspension. These models were verified by comparison between experimental data and simulation results. Moreover, the effects of the nose angle of volute inlet, the inlet head and the breaking wing of vortex core on the perance and flow field of the DMC was studied. The results show that 1 the increase of the nose angle of volute inlet can significantly improve the stability of the flow field and reduce the short-circuit flow. 万方数据 IV Increasing the nose angle also increases the absolute value of the difference between the centrifugal force and the radial pressure gradient force of the coal dust, which improves the separation perance. When the nose angle is 180, the feed head, media split ratio and density difference have larger values, the separation perance is better. Secondly, the DMC with nose angle 180 is used to study the effect of the inlet head. Increase the inlet head without considering the energy consumption, the stability of the flow field is enhanced and the processing capacity is increased, also the separation perance is improved. 2 The breaking wing of vortex core can restrain the air entering into the flow field from outside. It can significantly reduce the tangential velocity of the overflow outlet fluid and the overall pressure of the system, so that the energy consumption of the dense medium cyclone system is significantly reduced decrease by 12.2. The breaking wing of vortex core also can block the rotary motion of the fluid within the diameter of the fin, destroys the internal swirl not the outer swirl. It increases the separation space of the DMC main body while the tangential velocity of the fluid in the separation space does not decrease, and the separation perance of the dense medium cyclone is improved. In summary, the DMC with 180nose angle and breaking wing of vortex core rod diameter 200mm, wing length between LMTV and LZVV has a superior structural design. It can improve the separation perance of DMC while reducing system energy consumption. This research results in this paper provide reference for structural optimization of dense medium cyclone. Key words dense medium cyclone, volute inlet, breaking wing of vortex core, perance optimization, numerical simulation 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 i 目 录 中文摘要......................................................................................................I Abstract......................................................................................................III 第一章绪论............................................................................................. 1 1.1 研究背景.........................................................................................................1 1.2 研究目的及研究意义.....................................................................................3 1.3 研究内容.........................................................................................................4 1.4 技术路线.........................................................................................................4 1.5 论文提纲.........................................................................................................5 第二章重介质旋流器研究综述.............................................................7 2.1 重介质旋流器的国内外发展历程.................................................................7 2.2 重介质旋流器的研究现状.............................................................................7 2.2.1 旋流器内部多相流场的研究方法..........................................................7 2.2.2 重介质旋流器流场研究综述..................................................................9 2.2.3 重介质旋流器性能影响参数研究综述................................................10 2.3 本章小结.......................................................................................................16 第三章重介质旋流器数值仿真模型建立...........................................17 3.1 模型建立.......................................................................................................17 3.2 数学模型介绍...............................................................................................18 3.2.1 湍流模型................................................................................................18 3.2.2 流体体积多相流模型............................................................................18 3.2.3 混合多相流模型....................................................................................19 3.2.4 颗粒追踪模型........................................................................................20 3.2.5 粘度模型................................................................................................21 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 ii 3.3 研究参数的设计...........................................................................................21 3.3.1 入口结构设计及操作参数....................................................................22 3.3.2 涡核破碎翼结构设计............................................................................24 3.4 模型验证.......................................................................................................25 3.5 本章小结.......................................................................................................26 第四章入口蜗壳包角对 DMC 性能影响分析....................................28 4.1 四种蜗壳包角 DMC 的性能对比................................................................28 4.2 四种蜗壳包角 DMC 的流场分析................................................................31 4.3 四种蜗壳包角 DMC 的颗粒分布及颗粒受力分析................................39 4.4 较优蜗壳包角下入料压头影响研究...........................................................42 4.4.1 入料压头对性能的影响分析................................................................42 4.4.2 入料压头对流场的影响分析................................................................44 4.5 本章小结.......................................................................................................45 第五章 涡核破碎翼对 DMC 性能影响分析..........................................47 5.1 内置涡核破碎翼 DMC 的性能对比............................................................47 5.2 内置涡核破碎翼 DMC 的流场分析............................................................49 5.3 本章小结.......................................................................................................56 第六章结论与展望...............................................................................57 6.1 主要结论.......................................................................................................57 6.2 不足和展望...................................................................................................58 参考文献....................................................................................................60 在学期间研究成果...................................................................................67 致谢....................................................................................................68 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 1 第一章绪论 1.1 研究背景 煤炭资源在中国经济快速发展的过程中起到重要作用， 煤炭行业的良好发展 直接关系着国家经济的稳定[1]。据评估，目前我国境内储存的煤炭资源总量大约 为 5.57 万亿吨，排名世界第一[2]。我国拥有极为丰富的煤炭资源，同时也是煤炭 消费大国。21 世纪初，煤炭消费在我国能源消费结构中占到了 70多[3-5]。同期， 众多专家学者对煤炭发展进行了预测， 判定在 21 世纪的前 30 年中煤炭将继续在 能源中占据主导地位。2018 年，中国的煤炭产量已经达到 35.46 亿吨，同比增长 约 5.2，占全球煤炭总产量的近一半。中国保持全球煤炭总产量第一的同时， 进口总量也占据着世界第一的王座[6]。根据 2017 年中国工程院报告预测[7]（见表 1-1） ，未来我国能源消费中，煤炭的占比将会从 2017 年的约 62逐步降低，到 2020 年约占到 60、到 2030 年约占到 50，到 21 世纪中叶，煤炭的消费占比 将降低至 40[7]。在未来 30 多年内，煤炭仍将会是中国主要的消耗能源[7, 8]。 然而，随着经济快速发展、社会不断进步，煤炭行业的发展面临诸多考验。 煤炭的开采会带来生态环境的破坏[4]，开采、运输、加工的过程会致使扬尘产生； 而煤的燃烧过程会释放出存储在煤块中的硫、氮及其他物质，以 SO2、NOX、碳 氢化合物的形式排到大气环境中，致使光化学烟雾与雾霾天气频繁发生，严重危 害人类的生产和生活[9]。因此，煤炭的生产和使用所造成的环境影响引起国内外 各方面的重视，对煤炭的清洁生产技术也提出更高的要求。洁净煤技术作为煤炭 清洁生产中的重要环节， 集煤炭高效清洁开采、 运输、预处理、煤气和焦煤生产、 燃烧及污染物净化等技术于一体，其中煤炭的有效分选直接影响着后续工艺[9, 10]。 目前， 在我国的煤炭年消费总量中， 约有 50是要进入煤厂进行煤炭分选[11]。 煤炭分选的工艺包括有重力分选法以及浮力分选法[12]。 重力分选法即根据进料物 质自身的密度差实现分选，这又可以细分为跳汰法和重介质分选法；浮力分选法 即由于物质表面的物化性质不同会在浮选液中受到不同的浮力，实现分选。众多 分选方法中， 重介质旋流器 （Dense Medium Cyclone， 又称Heavy Medium Cyclone， 一般简称为 DMC）具有分选性能高、适用范围广、分选粒度宽、可分选各种原 煤，分选工艺易于实现全过程自动化控制，设备体积不大、占地面积小，自身所 含运动部件少，生产量高[13-15]、投资低、运营成本低等特点[15, 16]。目前，重介质 旋流器被广泛的应用于煤产品预选， 能够实现轻密度煤产品与重密度煤矸石的分 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 2 离，提高煤产品的质量，从煤炭源头进行治理进而减少污染物的产生[10]。大直径 重介质旋流器作为煤矿行业未来的主要发展方向[11]， 对其几何结构进行优化研究 具有重要的工业应用价值。 表 1-1 我国能源消费占比统计[7] 年度2020 年2030 年2050 年 煤炭油气非化石能源602515503020403030 重介质旋流器被广泛的应用于现代洁净煤生产工艺中， 用于分离密度不同的 煤产品和杂质。对于较难甚至极难分选的煤，相比其他分选技术，DMC 能有更 好的表现，且能够有效分离粒径低至 0.2mm 左右的颗粒[17]。DMC 的整体分选过 程依赖于重介质（由磁铁矿颗粒与水调配而成） ，在一定压头下切向输入流体， 沿旋流器内壁形成一个下降的外旋流；在旋流器轴心附近形成一股上升的内旋 流，轴心处因具有负压而吸入空气，形成了空气柱[15]。 在重介质旋流器中， 从中心轴到设备壁面会存在一个轻物质和重物质的分离 边界，这个分离边界被称为分离锥面[15]。在离心力的作用下，密度轻的颗粒进入 分离锥面内，密度重的颗粒留在分离锥面外。重介质旋流器实现颗粒分离不仅与 分离锥面相关,也和流场内流体密度分布相关。重介质本身具有密度分布非均一 性，这一特性会在流场中经旋转运动进一步强化，形成流场中间密度明显小于近 壁面密度、上方密度小于下方密度的分布，最终致使重介质旋流器中溢流口和底 流口的介质密度、粒径产生差异。这些差异进一步作用于煤、矸石颗粒在流场中 的运动，影响煤炭的分选密度和分离性能。矿物颗粒的分离密度公式如下[15] 1000 2 1000/1000/    m U n o p  （1-1） 式中， p  为矿物颗粒的分离密度，kg/m3; Uo  ,为 DMC 中溢流口和底流口的流体密度，kg/m3; mn, 为分离指数，由重介质旋流器的几何结构、重介质性质决定，当锥体 段的锥角为 20的时候，n1.52.0，m0.50.8。 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 3 图 1-1重介质旋流器工作机理图[15] 重介质旋流器的工作机理见图 1-1，图中黄色箭头指的是沿壁面向下旋转流 动的外旋流，红色箭头为环绕空气柱向上旋转流动的内旋流。如图所示，矿物颗 粒切向进入重介质旋流器后会逐渐离散， 矿物颗粒的密度大小会决定颗粒到达不 同的密度线，经由离心力的主导，密度较大的重颗粒会向着重介质旋流器壁面流 动，在外旋流的引导下，向下从底流出口流出，而密度较小的轻颗粒会经过短时 间的向下向内的旋转流动穿过分离锥面，在内旋流的引导下，向上经由溢流出口 流出。而在此期间，密度接近于重介质的颗粒会在流场中离散分布于内旋流和外 旋流中，随介质的流动从底流出口和溢流出口流出。 1.2 研究目的及研究意义 煤炭作为全球主要能源之一，具有重要地位。目前，DMC 被广泛应用于煤 矿分选过程中，能够提升细颗粒煤粉的分选效率并有效去除杂质，进而产生优质 煤。煤品质的提升，能够减少燃烧过程中 SOx、NOx 等污染物的产生，降低对 环境的污染[15]。在重介质旋流器分选过程中，有诸多因素会影响工作性能，其中 旋流器几何结构的改变对性能影响较明显[18-21]。DMC 几何结构的改变能够影响 到流场中的内旋流、外旋流、流场速度、短路流等。流场的改变以颗粒受力的形 式作用于颗粒的运动，进而促使旋流器的工作性能发生改变。重介质旋流器中， 入口给料悬浮液由多种物质（水、煤粉颗粒、不同粒径磁铁矿颗粒、其它非磁铁 矿颗粒）组成，致使 DMC 中的流场十分复杂。因检测技术的局限性，流场的准 确精密测量相当困难，本文拟采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法，数值模拟研究具有蜗壳包角以及内置涡核破碎翼结构的 DMC，以 期探索蜗壳入口结构以及涡核破碎翼结构对 DMC 的影响。研究过程中，流场对 比和颗粒受力分析更有助于了解 DMC 的分离机理，为 DMC 的性能优化提供理 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 4 论基础和方向。 1.3 研究内容 本论文拟采用计算流体力学方法对直径为 1000mm 的蜗壳入口 DMC 进行数 值模拟研究。首先确定模拟使用模型，建立成套的重介旋流器模拟方法；其次， 以改变 DMC 的几何结构为优化方向，基于当前较为普遍应用的 1000mm 大直径 DMC，设计不同蜗壳包角及涡核破碎翼结构的重介质旋流器，完成网格模型建 立和操作参数确定。其中，入口形状以当前工业应用较多的蜗壳入口为基础，以 蜗壳包角为设计变量进行模拟，随后对比不同蜗壳包角下 DMC 的操作性能和分 离性能、流场差异、颗粒相差异等，确定较优设计，再进行入料压头影响研究。 涡核破碎翼的设计将着重于空气柱的抑制和 DMC 内部旋转流场的控制，在重介 质旋流器轴心置入涡核破碎翼进行研究。 主要研究内容包括五个部分 1 对重介质旋流器进行研究综述，了解其研究背景、国内外的发展历程、 多相流场的研究方法以及分选影响因素， 并着重对入口结构以及涡核破碎翼结构 的研究现状进行介绍。 2 选定模拟使用模型，确定重介质旋流器模拟过程。设计不同蜗壳包角的 DMC 和内置涡核破碎翼的 DMC，完成网格模型建立和操作参数确定，对模型进 行验证。 3 运用计算流体力学方法模拟各种结构重介质旋流器，完成流场计算和颗 粒追踪，用数据处理工具对模拟结果进行处理，获取流场三维速度分布、密度分 布、压强分布和流线分布，以及操作性能和分离性能，颗粒分布和颗粒受力情况 等信息。 4 对不同蜗壳包角 DMC 进行性能对比、流场分析、颗粒分布和受力分析， 确定较优的蜗壳包角设计，随后对较优蜗壳包角 DMC 进行入料压头影响研究。 5 对内置涡核破碎翼的 DMC 进行性能对比和流场分析， 明确涡核破碎翼对 重介质旋流器的影响。 1.4 技术路线 以上述的研究内容为论文研究核心，确立本文的技术路线，详见图 1-2。 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 5 图 1-2技术路线图 1.5 论文提纲 论文围绕研究路线展开论述，共分为六个章节。 第一章绪论。本章节先阐明了重介质旋流器的研究背景和研究意义，随 后介绍了重介质旋流器选煤的基础理论和工作机理。基于此，明确了本文研究目 的和研究内容，对技术路线进行了设计。 第二章重介质旋流器研究综述。 该章节按时间序列对重介质旋流器在国 内外的发展历程进行了简要介绍，就国内外学者的研究进展进行阐述。随后，对 当前重介质旋流器的多相流研究现状和几何结构研究现状做文献综述， 明确本文 研究要点。 第三章重介质旋流器模拟方法和模型介绍，确定数值模拟的整体过程。 设计不同蜗壳包角 DMC、内置涡核破碎翼的 DMC，完成网格绘制以及确定模拟 条件。基于实验和数值模拟结果对比，对模型进行验证，随后采用 CFD 方法完 成数值模拟。 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 6 第四章入口蜗壳包角对重介质旋流器性能影响分析。 该章节主要根据不 同蜗壳包角重介质旋流器的数值模拟结果，对比不同蜗壳包角 DMC 的性能，随 后结合速度分布、流线分布、短路流、颗粒分布和受力分析，探究蜗壳包角对 DMC 的影响机理。最后基于优选的蜗壳包角 DMC，进一步做入料压头的影响研 究。 第五章涡核破碎翼结构对性能的影响分析。本章节基于优选的蜗壳包 角，进一步研究分析了内置涡核破碎翼 DMC 的操作性能和分离性能，并分析了 涡核破碎翼结构对流场内三维速度、压强、密度分布、短路流的影响，明确内置 涡核破碎翼对 DMC 的影响机制。 第六章结论和展望。本章节针对蜗壳包角以及内置涡核破碎翼结构对 DMC 的影响做要点总结，指明研究过程中的不足之处，并对 DMC 未来研究方 向进行展望。 万方数据 兰州大学硕士学位论文入口结构及涡核破碎翼对重介质旋流器内部旋转流场和性能的影响研究 7 第二章重介质旋流器研究综述 2.1 重介质旋流器的国内外发展历程 DMC 的起源可追溯到 19 世纪末美国的一项专利分级浓缩旋流器。 在这 项专利的基础上，20 世纪中叶，荷兰国家矿山局设计研发了世界第一台圆柱圆 锥形 DMC[22, 23]，这台设备初始运行是以黄土为重介质的。随后的研究发现，以 黄土为重介质存在