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郑州大学2 0 0 6 届硕士学位论文 固液分离用水力旋流器的三维数值模拟研究 摘要 水力旋流器是一种利用流体压力产生旋转运动的装置，可用于使存在密度差 的两相或多相进行分离。尽管早在1 8 9 1 年水力旋流器已经问世，然而其有关的 研究与应用所涉及的大都是分级方面，应用于固，液分离方面的则少很多。由于 其具有结构紧凑、成本低、处理量犬和分离效率高等优点，因而其在固一液分离 领域的应用越来越受到关注。 本文针对水处理中用于地下水除沙的固液分离用的水力旋流器，利用计算 流体动力学( c f d ) 商业软件f l u e n t 对其进行了数值模拟研究。在深入了解 水力旋流器的基础之上，模拟研究了多种情况下的清水流场、颗粒运动轨迹、分 离效率、压降等。经过大量的系统的对不同几何结构和工艺条件下的水力旋流器 的数值模拟并对结果进行了大量的比较研究后，得出如下结论： 1 实际工况下所使用的固- 液分离用水力旋流器内部是气、液、固三相共存 状态。其内部由于中心负压而形成空气柱，当流场稳定后，该空气柱从底流口到 溢流口贯穿始终。作者首次采用了m i x h m 模型对空气柱进行了模拟，模拟效果 良好。对液流而言，切向的数量级是大，轴向速度次之，径向速度晟小。对其内 部空气柱而言，轴向速度远远大于切向和径向速度。水力旋流器内部整体的流动 为双层旋流，以零轴速包络面为界，内部向上流动，外部向f 流动，且流动旋向 相同。 2 水力旋流器内湍动能与湍动能耗散率的分布规律十分相似，在空气柱区 域附近，不仅湍动能损失严重，而且湍动能耗散损失也很严重，应该想办法改进。 3 水力旋流器内的压降沿径向呈现较好的轴对称性。整体而言，外旋流压 力较高，内旋流压力较低，其中轴心空气柱区域压力最低。压力沿轴向几乎没有 变化。在空气柱与液体交界面附近，压力梯度较大，产生的能耗较大。 4 旋流器内的颗粒轨迹大体可分为从底流口排出、从溢流l 逃逸、在旋流 器内做死循环这三种情况。与小粒径颗粒相比，大粒径颗粒所受离心力大，在旋 流器内停留时间较短，更容易分离。颗粒的入射位置也较为重要，从进口下部射 郑州大学2 0 0 6 届硕+ 学位论文 入的粒子一般比从中部、上部入射的粒子更容易分离。 5 随着进口流量的增大，分离效率随之提高，旋流器的压降也会随之增大， 因此能耗也会增大。但当流量增大到某一程度时，分离效率反而下降。小粒径颗 粒受液流流量影响较大，而大粒径颗粒几乎不受液流流量的影响。 6 在入口流量一定时，随着颗粒浓度的增大，总的分离效率呈明显下降趋 势；随着颗粒粒径的增大，分级效率均随之增大，当粒径增达到一定程度时，分 级效率增大的幅度剧减；当达到某一粒径时，分离效率接近1 ，大于该粒径的颗 粒几乎都可以被分离。 7 在入口流量一定的情况下，随着溢流管直径的增大，静压降、动压降绝 对值、总压降都随之减小，然而其分离效率也随之减小；溢流管的插入深度在某 个限度内的增加会使总的分离效率增大。 8 正交试验表明，入口流量在水力旋流器性能的各影响因素中所占比重最 大，由于其对压降和分离效率的影响是互相矛盾的，因此要根据生产要求选择一 最佳的入口流量值。 关键词：固- 液水力旋流器数值模拟f l u e n t 性能正交试验 i i 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位论文 t h e3 dn u m e r i c a ls i m u i a t i o ns t u d yo ns o l i d - l i q u i d h y d r o c y c l o n e a b s t r a c t h y d r o c y c l o n ei sab n do fe q u i p m e n tw 1 1 i c hc a nu s et h e1 i q u i dp r e s s u r et oc r e a t r e v o l v m gm o v e m e n t 柚dc 如b eu e df o r s e p a r a t i l l gt w o - p h a s eo rm u l t i - p h a s e m a t e r i a lt 1 1 a th a sd i 丘e r e n td m s i 够 a se a d ya s18 91t h eh y d r o c y c l o n eh a sb e e n c r e a t e d ，b u t 廿l em o s tr e s e a r c ho ni ti su s e df o rc l a s s i f i c a t i o n ，廿1 eu s eo ns o l i d 1 i q u i d s 印删t i n gi sm u c hl e s s b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c ts 仃u c t u r e ，l o w 埘c e ，h i 曲p r o d u c t i o nc 叩a c n ya i l dh i g he m c i e n c ya 1 1 ds oo n ，i t sa p p l i c a t i o no n s o l i d - l i q u i ds 印a m t 曲gi sb e i n gp a i dm o r e 蚰dm o r ea t t e n t i o n 毗sm e s i sd i d 岫n 啪鲥c a l 妣u l a t i o nr e s e a r c ho ns o l i d 1 i q u i dh y d r o c y c l o n e f o re l i m i n a t i l 培s a i l d ，u s i n gf l u e n t6 1 2 2 ，t h eb u s i n e s ss o 角 w eo fc f d 0 n t 1 1 e b a s eo fd e e p l yu n d e r s t a i l d i n go f h y d r o c y c l o n e ，t 1 1 ea u t h o rs t u d i e dn l e 、v a t e rn o w f i e l d t r 粥k so fp 训c l e s ，s e p a r 锄e de 伍c i e n c y ，p r e s s u r ed r o pa n ds oo ni nm 觚yd i 脏r e m c o n d i t i o n s a r e ram a s so fs y s t e m i cn 眦e r i c a ls i m u l a t i o n 、】i ，i t hd i 毹r e n ts t m c t u r e s 觚dt e c l l n i c a lc o n d i t i o n s 、e r em a d e ，s o m ec o n c l u s i o l l sw e r ed r 鲫mo u ta sf o l l o w s ： 1 s o l i d - l i q u i dh y d r o c y l o n eu s e di np r a c t i c a lp r o d u c t i o nh 嬲t l l r e ed h a s e s g a s ，l i q u i da n ds 0 1 i dc o e x i s t e n c ei ni t si 肌e rn o wf i e l d s a i rc o r ec o m e si n t ob e i n g b e c a u s eo fc e i 疵a lm i n l l sp r e s 汕ea n dg o e s l l o u 曲m eh y d r o c y c l o n e 舶mt l l e o v e 棚0 wg 如t ot 1 1 eb o n o m o u t l e t 心e rm ef l o wf i e l d b e c o m e s t e a d y a u 也o rc h o o s e s t l l e m i x t u r e ”m o d e rt os i m u l a t em ea i rc o r e 锄dt h ee f r e c to fs i m u l a t i o ni s g o o d f o 。w a t e r ，t h et a i 唱e m i a lv e l o c i 够i st 1 1 eb i g g e s ta i l d 山ea ) 【i a lv e l o c i t ) ，i s b i g g e rt l m r a d i a lv e l o c i t y ；f 0 ra i rc o f e ，t l l et a n g e n t i a lv e l o c i t ) ri sm u c h b i g g e rt 1 1 a na x i a lv e l o c i t y a i l di a d i a lv e l o c i 够n l ew h o l en o w i nt l l eh y d m c y c l o n ei sd o u b l ev o r c e x w i t l lt l l e b o u n d a r yo fl z v vo u t s i d eo fw h i c hi s t l l e r e v o l v i n gn o wd o 啪w a r d s ，i n s i d eo f w h i c hi st l l er e v 0 1 v i n gf l o wu p w a r d s ，a i l dt l l e i rr e v o l v e dd i r e c t i o ni st h e s 锄e 2 t h ed i s t r i b u t i o nm l eo ft u r b u l e n tb n e t i c e n e 喀yi sm u c hm es 帅ea s 龇 i i l 郑州大学2 0 0 6 届硕十学位论文 t u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t e n e a rt 1 1 ea j rc o r ea r e a ，b o t ht 1 1 et u r b u l e n tk i n e t i ce n e 唱yl o s s a n dt u r b u l e n td i s s i p a t i o nr a t ea r es e r i o u sa i l ds o m em e a s u r e ss h o u l db et a k e nt o i m p r o v e i t 3 t h ep r e s s u r ed r o pi n 也eh y d r o c y c l o n et a k e sab e t t e ra x i a ls y m m e 仃ya l o n gt h e m d i a ld i r e c t i o n o nt 量l ew h o l e ，t l l ep r e s s u r eo fo u t s i d ev o r t e xi sh i g h e rt h a ni n s i d e v o r t e xa 工l dt l l ep r e s s u r eo fa i rc o r ea r e ai st h el o w e s t t h ep r e s s u r ea l m o s th a sn o c h a n g ea l o n gt 1 1 ea x i a ld i r e c t i o n n e a rt 王l ei n t e r f a c eo fa i rc o r ea 1 1 dw a t e r 吐l ep r c s s u r e g r a d i e n ti sl l i 曲a i l d 谢ub r i n gm o r ee n e 唱yl o s s 4 g 瞰e r a l l y ，t h ep a i t i c l e si nt 1 1 eh y d r o c y c l o n eh a v et 1 1 r e ek i n d so ft r a c k s ： e s c a p i n gf 沁m 也eb 蛐o u t l e t ，e s c a p i n g 矗o mt ：h eo v e r f l o wg a t e ，t r 啪e di n s i d e 也e h y d l o c y c l o n e c o m p a r e d 谢也s m a l lp a n i c l e s ，t h eb i gp a r t i c l e sa r eo p e r a t e db ya s t r o n g e rc e n t r i 血g a lf o r c et 1 1 锄s m a l lp a n i c l e sa i l de a s i e rt ob es 印a r a t e d 肋mt 1 1 e w a t er t h ee n t r a n c ep o s i t i o no f p a r t i c l e si sa l s oi r n p o r t a n t t h ep a z t i c l e si i 巧e c t e d 丘o m t 1 1 eb o t t o mo ft 1 1 ei i l l e ta r ee a s i e rs e p a r a t e dt l l a l lt l l ep a r t i c l e si n j e c t e d 丹o mt 1 1 em i d d l e o rt o po f t h ei n l e t 5 w i t ht h ea c c r e t i o no ft h ei m e tn u x ，b o t l lt 1 1 e s e p a r a t e de 伍e n c ya i l dt l l e p r e s s u r ed r o pb e c o m eh i 曲e r 硼ds ot 1 1 ee n e 玛yl o s sb e c o m eh i g l l e r w h e nt h en u x i n c r e a s e st os o m ee x t e n t ，i n s t e a do fg o i n go ni n c r e a s i n g ，t l l es 印a r a t e de 佑e n c y 诚l l d r o p n l ei n l e tf l u xh a sad e 印e 位c to ns m a l lp a n i c l e sa 1 1 d1 1 a sl i t t l ee 疏c to nb i g p 砒i c l e s 6 w h e nt l l ei n l e tn u ) ( i ss t e a d y ，w i mt l l ea c c r e t i o no fm e p a n i c l ec o n c e n t r a t i o n ， t h et o t a ls e p a r a t e de f n c n c yd r o p so b v i o u s l y ；晰t ht 1 1 ea c c r e t i o no f t h ed i a m e t e ro fm e p a r t i c l e s ，t 1 1 ec l a s s i f i c a t i o ne 箭e 1 1 c yw i l li n c r e a s e w h e nt h ed i a m e t e ro ft h ed a n i c l e s i n c r e 嬲e st os o m ee x t e n t ，t h ea i l l p l i t u d eo ft i l ec l a s s i f i c a t i o ne 蚯e n c yd p ss 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e t n u xb a s e do nt 1 1 ep r a c t i c a lp r o d l l c t i v er e q u i r e m e n t k e y w o r d s ： s 0 1 i d l i q u i d h y d r o c y c l o n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u e n t p e r f o m l a r l c e ， o m l o g o n a lt e s t v 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位论文 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文 没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人 愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 论文作者签名 2 0 0 6 年5 月2 5 日 郑州大学2 0 0 6 届硕二f ：学位论文 引言 水力旋流器是一种应用非常广泛的液体非均相混合物的分离设备。尽管早在 1 8 9 1 年水力旋流器已经问世，然而其有关的研究与应用所涉及的大都是分级方 面，应用于固液分离方面的则比较少。由于其具有结构紧凑、成本低、处理量 大、分离效率高并且可连续操作等优点，因而其在固液分离领域的应用越来越 受到关注。 本文主要针对地下水除沙，对固一液分离用的水力旋流器进行数值模拟研究。 从2 0 世纪5 0 年代起，由于对水力旋流器进行精确的解析求解十分困难，人们对水 力旋流器的研究主要是实验研究。然而由于实验条件的限制，单纯通过实验的方 法，周期长、费用高。数值计算技术则克服了上述缺点，并且由于其仿真模拟能 力强，因此具有重要的工程应用价值。本文将利用计算流体动力学( c f d ) 商业 软件f l u e n t 对水力旋流器进行数值模拟。本文的研究从水力旋流器内清水液体 流动入手，对至今仍模糊的一些特性进行模拟和分析，进而对其多相流场进行考 察，改变结构参数和操作参数来分析其压降和分离性能，最后采取正交试验的方 法对影响旋流器性能的各个参数加以分析，以求最优操作参数和最优结构参数。 郑州大学2 0 0 6 屈硕上学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 根据b r a d l e y 的定义【1 l ，水力旋流器是一种利用流体压力产生旋转运动的装 置，可用于使存在密度差的两相或多相进行分离。由于离心力场的强度较重力场 大得多，因此水力旋流器比重力分离设备的分离效率大得多。与重力分离设备相 比，水力旋流器具有结构紧凑、体积小、质量轻、无运动部件、设备成本以及维 修费用低、易于安装和调节等优点，因此在一些场合，过去许多依赖于大型重力 浓缩机和离心分离机完成的工作i _ f 逐步由水力旋流器所承担。目前，水力旋流器 已经在广泛的领域内被认同，如化工、石油、选矿、环保、制药、城市废水处理、 建材及煤炭等诸多行业。 水力旋流器按用途可分类为：分级【2 l 、分离网、脱泥【4 】、浓缩【5 l 、洗涤6 1 、澄 清【3 】等。本文主要针对用于地下水除沙的固液分离用的水力旋流器，进行数值 模拟研究。在管井涌沙较严重的地区，可导致输水管道内产生大量的泥沙淤积。 水力旋流器由于结构简单，体积小，处理能力大，效率高等自身的优点而越来越 多的用于地下水除沙。 虽然水力旋流器结构简单，但是其内部的流体流动为三维强旋转和高度湍流 的多相流动，流动规律十分复杂。从2 0 世纪5 0 年代起，人们对水力旋流器的研 究主要是实验研究【7 引。而单纯通过实验的方法周期长、成本较高、且受到模型 尺寸、人身安全和测量精度上的限制。近些年来国内外重点加强了设计制造方法 学的研究提出通过“数值试验”一计算流体力学( c f d ) 模拟计算，来评价、选择 和优化设计方案，从而大幅度地减少实验室研究工作量【9 】。本文将利用计算流体 动力学c f d 商业软件包f l u e n t 对固一液分离除沙用水力旋流器进行数值模拟 研究。 1 2 水力旋流器几何结构及工作原理 _ _ - _ _ - _ - _ _ _ 一 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位论文 常见的固液分离用水力旋流器如图1 底流管、圆筒体、圆锥体等构成。 当沿切向输入的流体以一定的速度 进入旋流器后，在不计损失的情况下，其 旋转动量矩将保持不变1 0 1 ，即u e r = 常数 ( 其中u o 为切向速度) 。随着回转半径的 减小，切向速度增大，静压头转换成了动 压头，流体产生强烈的向下旋转运动，此 即外旋流。外旋流旋转过程中使周边压力 升高，在圆锥中心部位形成低压区，当流 体到达锥体下端某一位置时，在该低压区 1 所示，一般都是由进料管、溢流管、 吸引下，向分离器中心靠拢，由下反转向上，图1 1 水力旋流器分离示意图 继续作螺旋运动，此即内旋流。而在水力旋流器的轴线附近，由于静压很低为负 压，而离心力又很大，以致液体涡核无法存在，而固液旋流器一般底流口直接 与大气相通，所以空气就会沿底流口进入并在轴心处形成一个上升的旋风气流 柱，称为空气柱。由于密度较大的固体颗粒受到较大的离心力作用，被甩向筒壁， 并沿着筒壁向下做非对称的螺旋运动，至底流口排出。而密度较小的轻相沿中心 轴线由下向上作内螺旋运动，其螺旋方向与外螺旋方向相同，至溢流口排出，从 而完成了相应的分离。 1 3 水力旋流器的主要参数 1 3 1 物性参数 物性参数主要包括分散相的颗粒尺寸，两相的密度、黏度及表面张力。由于 旋流器的分离效率随分散相颗粒尺寸的增大而提高，所以颗粒尺寸是影响旋流 器操作性能的重要参数。而两相之间密度差的大小决定一定操作条件下离心力场 的强度大小，粘度及表面张力则影响流体的剪切力大小。 1 3 2 操作参数 郑州大学2 0 0 6 屑倾十学位论文 ( 1 ) 温度t 温度的高低影响物性参数，特别是流体的黏度，表面张力等。尽管如此，一 般旋流器的操作都是在进料的温度下进行，而很少在进入旋流器之前对料液进行 任何形式的换热。 ( 2 ) 料液的流量q 流量q 的大小决定了内流场的强度。当流量较小时，旋流器内的流速也较小， 不能进行有效分离；当流量增大时，通过旋流器的压降将会增大。在旋流器技术 中一般用流量调节比r q 来表示这个范围，其定义为维持高效率操作所允许的最 大进口流量与最小进口流量之比，即： = 瓯。q k 。 ( 1 1 ) 式中：q m 。维持高效率操作的最大进口流量，i n 3 m ； q m 。维持高效率操作的最小进口流量，m ： ( 3 ) 进口压力p i 进口压力的大小对很多性能参数以及其它的操作参数都会发生影响。 ( 4 ) 进口分散相浓度k j 或c j k i 表示进口分散相的体积浓度，c i 表示进口分散相的质量浓度。进口分散相 浓度的大小决定被分离的分散相的流量的大小。 ( 5 ) 分流比( 流量比) f 分流比表示分散相料液排出口处的体积流量占进口体积流量的比值。针对固 - 液分离，分流比也叫做流量比，定义为： f = 璺 ( 1 - 2 ) o - + 式中：幺分散相料液排出口处的体积流量，m 3 1 1 ； q 进口体积流量，m 3 m ； ( 6 ) 出口压力p u 、p 。 对于固- 液分离，底流口与大气相接，因此底流口压力p u 就是大气压力，而 溢流口压力p 。可根据旋流器在不同的流程的情况有所区别。 1 3 3 性能参数 郑州大学2 0 0 6 届硕i ：学位论立 所谓性能参数，是指反映一个旋流器各方面操作性能的量化指标，是我们设 计水力旋流器的主要依据。水力旋流器的主要性能指标有： ( 1 ) 生产能力q 生产能力是指单位时间内水力旋流器处理料液的体积量，即： q 2 三州i 2 ( 1 _ 3 ) 式中：q 一水力旋流器生产能力，m 3 1 1 ； 山进料管当量直径，m ： v i 进料管中物料的平均流速，耐s ； ( 2 ) 分离效率s 分离效率是水力旋流器分离性能的重要指标。 分离效率s ：是指底流口流股中的固相物料的质量流率与进口料液中固相物 料的质量流率之比，即： 占：丝 ( 1 4 ) m “ 式中：占总分离效率，无量纲； m 。底流口固相物料的质量流率，k s ； 。进口固相物料的质量流率，k g ，s ： ( 3 ) 压力降p 水力旋流器的压力降是评价其性能、反映其能耗的重要技术指标，研究压力 降及其分配规律对于充分利用旋流器的输入能量，降低不必要的消耗具有重要意 义。 理论上，压力降是指进口处压力与出口处的压力之差。忽略重力的影响，即 压力降可表示为【2 8 】： p 2 e ，一o e 。 ( 1 5 ) 式中：e 、玩、e 。进口、溢流口、底流口出的能量； 对压降的计算常采用经验公式法，其计算经验公式模型很多，在此不再一一 列举。 郑州大学2 0 0 6 届硕士学位论文 1 4 水力旋流器的发展概况 早在1 8 9 1 年，b r e t n e y l 】就在美国专利上申请了第一个水力旋流器的专利。 由于其结构简单、便于制造和安装，以及处理量大等优点，受到了各国选矿专家 的推崇。1 9 1 4 年水力旋流器正式应用于磷肥的工业生产。直到2 0 世纪3 0 年代 后期，水力旋流器才以商品的形式出现，主要是用于在纸浆工业中的水处理。在 2 0 世纪4 0 年代前期，荷兰国家矿产部开始资助大吨位的选煤和矿石处理方面的 研究，此时水力旋流器的应用提供了两相分离所需的动量。1 9 4 3 年，美国原子 能委员会的t e p e 和w o o d s 将水力旋流器用于乙醚水系统的分离。从2 0 世纪5 0 年代起，旋流器的应用领域以及规模均得到了迅猛的发展。至1 9 6 5 年，文献中 共累计有6 0 0 多篇有关水力旋流器方面的研究论文及5 5 篇专利，此时水力旋流 器已经成为一种标准的固液分离设备。从1 9 8 0 年起，开始定期举行由英国b h r a 流体工程中心发起的旋流器分离国际研讨会。随着现代测试技术和计算与模拟技 术的飞速发展，人们对旋流器的工作能力及过程行为有了越来越深刻的认识。在 科学与技术日新月异的今天，旋流器也在逐年发展成为高科技含量的分离设备。 在我国，从2 0 世纪9 0 年代以来对旋流器特别是多相分离的水力旋流器的研究和 开发掀起了热潮。 1 5 水力旋流器分离理论及其进展 水力旋流器内的固体颗粒在流体中运动时的受力包括自身重力、离心力、流 体作用的曳力等。重力的影响可忽略不计，并假定颗粒在切向和轴向不受任何反 力，这样可认为颗粒在这两个方向上的分速度等于相应的液流速度。因此，固体 颗粒能否被分离主要取决于作用在其上的离心力和曳力。如果离心力大于曳力， 则颗粒向外壁运动；反之，则向中心运动。因此颗粒能否被分离取决于它的大小、 形状及与液体的密度之差、所处的原始位置、运动的轴向速度和径向速度、以及 液体的粘性系数等因素。 由于水力旋流器流型比较复杂，再加上影响旋流器分离过程的某些现象( 如 湍流和短路流等) 仍未完全清楚，迄今尚无一个统一、完善的理论。目前，具有 郑州大学2 0 0 6 届硕十学位论文 代表性的旋流分离理论主要有四种：平衡轨道理论、停留时间理论、群集理论( 拥 挤理论) 、湍流模型理论。这四种理论从不同角度描述了旋流器的工作过程，并 且提供了各具特点的定性与或定量的模型。 ( 1 ) 平衡轨道理论 平衡轨道理论首先由d r i s s e n 和c r i n e r 1 2 】提出，并被b r a d l e y 嘲和s v a r o v s k y 【1 3 所采用。其基本思想是：当固体颗粒所受到的径向离心力与流体的径向阻力相平 衡时所对应的颗粒粒度就是旋流器的分离粒度。颗粒所处的半径位置r 即为“平 衡半径”。在平衡半径处，颗粒的径向沉降速度正好等于液流的径向速度，从而 颗粒处于动态平衡的悬浮回旋状态。按照平衡轨道理论，不同尺寸的颗粒在不同 的轨道( 不同的旋流器径向位置) 上才能够达到受力平衡，因此选择哪个轨道面 作为计算分离粒度的平衡轨道是非常关键的。一般说，选择的这个轨道面应该是 这样的一个立体界面：在该轨道面以内的固体颗粒都流入溢流口，而在该轨道面 以外的固体颗粒都进入底流口。平衡轨道面的选取目前主要有四种类型，即最大 切线速度轨迹面法、内旋流法、外旋流法和零轴向速度包络面法。 平衡轨道理论的缺点是没有考虑到颗粒在旋流器内的停留时间及流体湍流 的影响，实际上，并不是所有的颗粒在旋流器内都能达到其相应的平衡轨道。但 是尽管如此，当固体颗粒的浓度较小时，如果操作条件及旋流器的几何尺寸类似， 平衡轨道理论可以比较准确地预测旋流器的操作性能。 ( 2 ) 停留时间理论 该理论首先由融e t e m a 4 】提出，这种理论认为旋流器中不存在颗粒的所谓“平 衡”条件，即认为固体颗粒在旋流器内不可能达到平衡受力状态。颗粒能否进入 底流仅取决其能否在可获得的“停留时间”内到达旋流器边壁。这一理论假定所 有尺寸的颗粒在旋流器入口管道的横截面上均匀分布，如果处于入口管中心的某 种颗粒在其停留时间内恰好到达旋流器器壁，则这种颗粒的粒度就是分离粒度。 融e t c m a 的停留时间理论中没有考虑颗粒的径向流速、浓度及流体湍流的影响， 以后的h o l l a n d b a t t 【1 5 在“集总模型”中以平均停留时间作为依据，采用平均径 向流速的情况下用流体连续性方程导出了分割尺寸的表达式。 ( 3 ) 群集理论( 拥挤理论) 浚理论仅提出了一种观点，没有得出数学模型，f a l l l s t r o m 于2 0 世纪6 0 郑州大学2 0 0 6 届硕j j 学位论文 年代初提出的。该理论的基本思想是：水力旋流器的分离粒度主要是底流口的通 过能力以及被分配的固体颗粒粒度分布的函数。在旋流器的底流口附近，颗粒浓 度己经相当高，大量颗粒“拥挤”着经底流口排出，因而从颗粒进入底流的质量 分数可以反映出分离粒度的大小。该理论从原理上讲是可行的，然而在将依此理 论获得的分割尺寸与平衡轨道法获得的分割尺寸进行比较时出现了差别， f a l l l s 仃o m 将这种差别归咎于挤流效应。而且还发现这种差别与颗粒的粒度也有 关系。现在已经证实，这种差别是由于分级效率曲线的奇异性引起的，而且还有 挤流效应是否存在的问题【l ”，后来b 1 0 0 r & i n 曲咖在数学模拟方面的研究证实 了挤流理论的科学性【l 。总而言之，群集理论在原理上是可行的，问题是如何 定量地描述挤流效应或以此计算分割尺寸还有待于进一步的研究。 ( 4 ) 两相湍流理论 该理论考虑了旋流器湍流对分离性能的影响，将其与前述的理论模型相结 合，从而全面地反映旋流器内流体运动的规律，以期得到完善的关系式来预测旋 流器的分离性能，指导旋流器的设计。旋流器中的湍流效应是很多研究人员需要 考虑的，其中的一个问题就是湍流效应如何影响旋流器内的切向速度分布。 r i e t e m a 【 首先对此问题进行研究并利用k e l s a l l 【1 9 】测得的切向速度分布来估算湍 流黏度。s c h u b e r t 和n e e s s e 【2 0 1 在两相湍流的基础上提出了一个分离模型，他们借 助于悬浮泄流( s u s p e n s i o n - t a p p i n g ) 的横流( c m s s n o w ) 分离模型类比水力旋流器分 离模型。认为湍流扩散与离心沉降的平衡决定分离粒度。s v a r o v s k y 曾经用该模 型与许多发表过的实验结果进行对比【2 ”，发现对于伞状卸料( 喷雾状) 的旋流 器，该模型可给出很好的预测结果。由于湍流流动的复杂性，两相湍流理论仍有 待进一步深化。 1 6 水力旋流器数值模拟研究进展 由于水力旋流器内部流体的流动及固相颗粒的运动十分复杂，使用解析法对 其内部流场进行求解是十分困难的。2 0 世纪5 0 年代，人们对水力旋流器的研究主 要是实验研究。刖。之后，人们开始将实验研究与数据回归方法结合起来寻求水 力旋流器操作性能的规律。然而通过实验来研究水力旋流器的性能不仅周期长、 郑州大学2 0 0 6 屑硕士学位论义 经费投入多、人力物力消耗大，而且往往会受到模型尺寸、测量精度的限制。伴 随着计算机技术的发展，人们开始借助于计算机模拟技术来解决这一问题。 计算流体动力学( c o m p u 协t i o n a lf l u i dd y i l a m i c s ，简称c f d ) 的出现大大丰 富了流体力学的研究方法。该方法是通过计算机数值计算和图像显示，对与流体 相关的流动、热交换、分子输运等现象的问题在时间和空间上定量描述流场的数 值解，从而达到对物理问题研究的目的。经过4 0 年来的发展，计算流体动力学己 经成为一种有力的数值实验与设计手段。而近十多年来，计算流体动力学技术的 迅速发展更是促进了水力旋流器的研究发展。由于其防真能力强，相当于“虚拟” 地在计算机上做实验，用以模拟仿真实际的流体流动情况，而且其强大的数值计 算能力可以解决用解析法无法求解的方程，因此它的使用大大减少了实验次数， 简短了研发周期。 利用c f d 技术对固一液分离用水力旋流器的数值模拟主要体现在对清水流场 的模拟和对固一液分离现象的模拟。由于水力旋流器内部流体流动为三维强旋转 和高强度湍流，因此清水流场的湍流数值模拟模型和两相分离数值模拟模型是计 算机数值模拟的关键所在。本文将在此对c f d 软件本身作一简介，并分别对两类 模型及其进展作一介绍。 1 6 1c f d 软件简介 ( 1 ) c f d 的计算方法 c f d 计算方法包括有限差分法、有限元法、有限体积法。自1 9 8 0 年，p a t a i l k e r 在其专著n 啪e r i c a lh e a tt r a n s f e ra i l df l 试df l o w 中对有限体积法作了全面 的阐述之后，该方法得到了广泛的应用，是目前c f d 应用最广泛的一种方法。当 然，对这种方法的研究和扩展也在不断进行，如p c h o w 提出了适用于任意多边形 非结构网格的扩展有限体积法埘。 ( 2 ) c f d 的求解过程 c f d 求解过程的基本思路是：建立控制方程一确定边界条件与初始条件一划 分计算网格一建立离散方程一离散初始条件和边界条件一给定求解控制参数一 求解离散方程一判断解的收敛性一显示和输出计算结果。 ( 3 ) c f d 软件结构 c f d 软件通常包括三个模块：前处理( p r e p r o c e s s i n g ) 模块、求解( s o l v e 血g ) 郑州大学2 0 0 6 届硕上学位论史 模块以及后处理( p o s t p m c e s s i n g ) 模块。在前处理模块过程中通常要建立描述问 题的几何模型，输入各种必需的参数，最后由软件自动生成网络。所完成的任务 概括为两项：几何建模及自动生成网络。c f d 的核心求解模块将根据前处理过程 所生成的模型的网格、所选的数值算法、边界( 初始) 条件等进行迭代求解，并 输出计算结果。后处理模块程序通常是对结果( 如温度场、速度场、压力场等) 进行可视化处理以及动画处理。 ( 4 ) 常用的c f d 商用软件 自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r - c d 、f i d i p 、f l u e n t 等多个商用c f d 软件，这些软件的功能比较全面、适用性强；具有比较易用的前 后处理系统和与其他c a d 及c f d 软件的接口能力：具有比较完备的容错机制和操 作界面，稳定性高；可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 本文将使用f l u e n t 软件对水力旋流器进行数值模拟。它是继p h o e n i c s 软 件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f u j e n t 提供了非常灵活的 网格特性，让用户可以使用非结构网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可以用 混合型非结构网格。f l u e n t 可以让用户定义多种边界条件，用于二维平面、二 维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定常与非定常流动分 析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、化学组分混 合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孔介质分析等。除此 以外，f l l 烈t 是使用c 语言编写的，可实现动态内存分配及高效数据结构，具 有很大的灵活性与很强的处理能力，可让用户定义多种边界条件。f l u e n t 是目 前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 1 6 2 湍流的数值模拟模型及进展 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动。总体而言，目前的湍流数值模拟方 法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。直接数值模拟( d i r e c t n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法是指在湍流尺度的网格内直接求解瞬态三 维n a v i e r s t o k e s 方程，d n s 的最大好处是无需对湍流流动作任何简化或近似，理 论上可以得到相对准确的计算结果田爿】。这种方法仍处于发展初期，目前的应用 范围有相当大的局限性，对计算机内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无 法用于真正意义上的工程计算，仅用于某些特定的简单流动 2 5 】。非直接数值模 郑州大学2 0 0 6 届硕一l 学位论文 拟方法是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化 处理。对于工程中的多数湍流流动，人们仍注重于用非直接模拟方法来进行近似 模拟。 水力旋流器内的湍流为基于各向异性的强旋转湍流，属于复杂剪切流的一 种。与简单的湍流剪切流动相比，漩涡流动增加了离心力引起的附加应力项，这 些项的极小变化即可引起湍流结构的很大变化。由于数值计算结果的好坏在很大 程度上取决于湍流模型的性能，所以选择合适的湍流模型进行模拟是十分重要 的。 目前已经出现了多种用于模拟漩涡流动的湍流模型。主要可分为大涡模拟方 法( l e s ) 和基于雷诺平均法( r a n s ) 的涡粘模型和雷诺( r e ”o l d s ) 应力模 型。涡粘模型又可分为零方程模型、单方程模型、两方程模型。雷诺应力模型则 又可分为雷诺应力方程模型( r s m ) 和代数应力方程模型( a s m ) 。 大涡模拟( l e s ) 方法是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是：用瞬时 的n a v i e r - s t o k e s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡 对大涡的影响通过近似的模型来考虑。涉及大涡模拟的数值计算对计算内存及 c p u 速度的要求比较高，还不能在工程中被广泛使用。零方程模型广泛应用于涉 及简单剪切流的工程实际问题和许多n a v i e r - s t o k e s 计算机程序中，零模型方案中 最著名的是p r a l l d u 提出的混合长度模型( 血x i n gl e n 垂hm o d e l ) 【2 6 1 。单方程模型 在湍流模型的发展早期被广泛