（化工过程机械专业论文）旋流器内空气柱的形成与发展及对分离的影响.pdf

二j 型一f 嬲 - - _ - - 。- - _ _ _ _ 。_ 。- _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - - _ _ _ 。- o o o 。o 。o o o o o 。_ o _ - l - - _ _ _ 。_ j ，j 一二二” 摘要 旋流器是一种利用离心力场分离非均匀相物系的高效分离设备。其结构简 单、成本低、处理量大、分离效率高，因而被广泛应用于化工、石油、采矿等诸 多领域。空气柱是旋流器流场中的一种特有现象，它对旋流器的分离效率和能耗 有重要影响，所以研究空气柱的形成、发展及运动规律具有重要意义。 本文借助流体计算力学( c f d ) 软件f l u e n t 对固一液分离用旋流器进行 了数值模拟研究。阐明了空气柱的运动特征及流动参数分布，探讨了空气柱的产 生和发展机理；研究了结构参数及操作参数对空气柱直径和形状的影响；分析了 空气柱对旋流器分离效率和能耗的影响。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 阐述了r a n s 方程、r s m 模型、s i m p l e 计算方法、边界条件以及建 模方法，总结了国内外空气柱的研究现状和发展趋势。 ( 2 ) 利用g a m b i t 前处理软件对旋流器造型，采用结构网格与非结构网格 结合技术对实体模型进行网格划分，设置计算区域和边界条件。 ( 3 ) 借助流体体积函数模型对旋流器在不同条件下的三维湍流流场进行了 数值模拟，得到了压力分布、速度分布及空气柱的体积分布规律，分析了旋流器 内流场特征，得到了空气柱的运动规律，为分析空气柱的产生、发展机理提供了 依据。 ( 4 ) 采用随机轨道模型计算了旋流器内粒子的分级效率，通过对旋流器内 有无空气柱条件下的粒子分级效率进行比较，阐明了空气柱对分离效率的影响i 通过分别计算旋流器内无空气柱条件下的压力降，进而探讨了空气柱对能耗的影 响。 主要研究结论如下： ( a ) 空气柱产生的主要原因是，由于旋流器的底流管和溢流管直接与大气 连通，进入旋流器的两相流以强烈的螺线涡运动，当切线速度增大到一定数值， 引起轴向负压，空气进入旋流器，在轴向负压和流体对流传输的共同作用下，空 气柱发展，直至稳定。 ( b ) 旋流器流场的速度和压力分布具有非对称性；流场的湍流特性和非对 摘要 称性导致了空气柱的不稳定，空气柱的不稳定性又加剧了流场的不稳定。 ( c ) 空气柱形成和发展过程中，时断时续，存在萎缩、消失的现象；旋流 器不同高度处，空气柱的形状和大小不同；空气柱的直径随旋流器的底流管直径、 溢流管直径、锥角、进口流速、进口压力的增大而增大，随液体黏度的增大而减 小。 ( d ) 空气柱的存在导致旋流器能耗增加，效率降低。因此应该尽可能减小 或消除空气柱。 关键词旋流器空气柱形成发展分离效率 h a b s t r a c t ，h y d r o c y c l o n ei s o n ek i n do f1 1 i 曲l ye 伍c i e n ts e p a r a t i n gd e v i c ef o rh e t e r o p i c s y s t e mb a s e d0 nc e n t r i m g a ls e d i m e n t a t i o np r i n c i p l e ，a 1 1 di t i sw i d e l yu s e di nc h e m i c a l e n g i n e e r i n g ，p e 廿d 1 e 啪a n dm i n i n g i n d u s t r i e sb e c a u s eo fi t sa d v a l l t a g e ss u c ha s s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，l a 玛ec a p a c i t ) ，a n dh i 曲e 衔c i e n c y a i rc o r e ，a s o n eo f c h a r a c t e r so ff l o wf i e l di nh y d r o c y c l o n e ，h a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c eo nt h es e p a r a t i o n e m c i e n c ya n de n e 唱yc o n s 啪p t i o n t k r e f l o r e ，i t i sv e d ，i m p o n a n tt os t u d yt h e g e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dm o v e m e n to f a i r i c o r e f l u e n t ，a j li n n u e “c o m p u t a t i o n a lj f l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o 做a r e ，w a su s e d t 0s i m u l a t et h en o wi ns o l i d 1 i q u i dh y d r o c y c l o n ei n t h i st h e s i s t h em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i ca n df l o wp a r a i l l e t e rd i s t r i b u t i o nw a sd i s c u s s e d ，a n dt 1 1 em e c h a i l i s mo f g e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fa i r c o r ew 2 u sr e s e a r c h e d t h ee 强：c t so fo p e r a t i n ga 1 1 d s t m c t u r ep a r a m e t e r so fh y d r o c y c l o n eo na i r c o r ed i a m e t e ra n ds h a p ew e r e a l s o a n a l v z e d f u r t h e m l o r e ，t h ei n n u e n c eo fa i r - c o r eo ns e p a r a t i o ne m c i e n c ya n de n e 唱y c o n s 啪p t i o no fh y d r o c y c l o n e w a si l l v e s t i g a t e d n l em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) n 圮r a n se q u a t i o n s ，t h er s mm o d e l ，t h es i m p l em e t h o d ，t h eb o u n l a r y c o n d i t i o n sa n dt h em o d e l i n gn l e t h o dw e r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d t h er e s e a r c h s i t u a 【t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do fa i r - c o r ea l lo v e rt h ew o r l d w e r ea l s os u m m a r i z e d ( 2 ) s o f h a 1 eg a m b i tw a sa p p “e d t ob u i l d i n g t 1 1 e g e o m e t r i cm o d e l so f h y d r o c y c l o n e ，n o n s t m c t u r a l 留i d sa n ds t m c t u r a l 可i d sw e r e u s e dt om e s ht h em o d e l a n dc o m p u t a t i 6 n a lz o n ea n dt h eb o u n d a d ，w e r ed e f - m e d ( 3 ) t h et h r e e d i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o wf i e l di nh y d r o c y c l o n eu n d e rd i f i i e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n sw a ss i m u l a t e db yu s i n g 、b l u m eo ff l u i dm o d e l ，a n d t 1 1 ep r e s s u r e ， v e l o c i t vd i s t r i b u t i o na n dv o l 啪e 矗a c t i o no fa i rw e r eo b t a i n e d t h ei n t e m a lf l o wf i e l d c 1 1 a r a c t e r i s t i cw a sa 1 1 a l y z e da i l da i r - c o r em o v e m e n tr e g u l a r i t yw a so b t a i n e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d ei m p o m m td a t af o rs t u d y i n gm e c h a n i s mo ft 1 1 eg e n e r a t i o n a r i dd e v e l o p m e n to fa i r - c o r e ( 4 ) s t o c h a s t i cp a n i c l et r a c k i n g m o d e lw a su s e dt op r e d i c tt h epa _ r t i c l e c i a s s i 6 c a t i o ne f n c i e n c yi n s i d em eh y d r o c y c l o n e b yc o m p a r i n g c l a s s i f i c a t i o n n i a b s t r a c t 。 e 施c i e n c ya n dp r e s s u r ed r o po fh y d r o c y c l o n ew i t 量la i r c o r ew i mt h o s ew i t h o u ta i r c o r e ， t l l ee f f e c to fa i r - c o r eo ne m c i e n c ya i l de 1 1 e r g yc o n s 嘲p t i o no fh y d r o c y c l o n ew a s c l a r i f i e d t h em a i nr e s u l t s i nt h i st h e s i sa i | es u n u n a r i z e da sf o l l o w s ： ( a ) a i r - c o r eg e n e r a t e sb e 6 a u s 百v o n e xf i n d e ra n ds p i g o to p e nt oa t m o s p h e r e ，a n d a j rc a l le a s i l y g e ti nh y d r o c y c i o n e d u et oh i 曲s p i r a ln o wo ft w o p h a s en o w ， l o w - p r e s s u r e a r e ai sf o m e da l o n gt h eh y d r o c y c l o n ea x i sw b e nt a n g 如t i a lv e l o c i t y c o m p o n e n ti n c r e a s e st oac e r t a i nv a l u e b e c a u s eo fi n t e i i a c t i o n0 fl o w p r e s s u r ea n d c o n v e c t i o nt r a n s p o r te f r e c t ，a i r c o r e g e n e r a t e sa n dd e v e l o p s ，a n df i n a l l yt e n dt o s t a b i l i z e ( b ) v e l o c i t ya j l dp r e s s u r ei nn l en o wf i e l do fh y d r o c y c l o n ed i s t 曲u t e da x i a l l y a l s y m m e t r i c a l l y t h ea s y m m e t 叮a 1 1 dt u r b u l e n tc h a r a c t e r i s t i co fm ef l o wf i e l dr e s u l ti n m ei n s t a b i l i t yo fa i r - c o r e ，w h i c hc a u s e st h ef l o wf i e l dt 0b es 们n g l yt u r b u l e n t ( c ) d u r i n gt h ep e r i o do fg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n t ，a i r - c o r es o m e t i m e sm a y s 1 1 1 i m “。在式 ( 2 1 ) 中，必有“ 。，从而p 风，即流体的静压力转换为速度头。 在水力旋流器流场中，进入水力旋流器的固体颗粒或者液滴、气泡等受到的 离心力比在重力场中所受到的重力要大得多。通常用离心力强度是。来表征这种 强化作用。离心力强度定义为离心加速度与重力加速度之比，即 驴等 ( 2 - 3 ) 可见，回转半径减小，离心力强度急剧增大。 颗粒在流场中受力达到平衡时有 d _ 器 l 2 协4 ， 式中：仁颗粒的粒径，m ： 第二章水力旋流器的流场特征 ，卜液体黏度，p a s ； 础l 颗粒的密度，k g m 3 。 ， 由( 2 4 ) 可知，在受力平衡的条件下，粒度越大的颗粒，达到受力平衡后 的回转半径，也就越大。这样，只要水力旋流器内的分离空间足够大，则在离心 力场的作用下，不同粒度的颗粒( 包括液滴、气泡) 沿水力旋流器的径向就形成 了一定的分布规律，这种分布规律是颗粒进行分离的条件。水力旋流器的工作原 理可以概括为三个部分：首先，依靠切向输入流体的静压力产生旋转运动；继而， 在旋流中完成待分离物料的空间规律性分布；最后，经特殊的结构实现分离【5 2 1 。 2 2 水力旋流器中流体运动的基本形式 水力旋流器在正常工作的过程中，流体运动的基本形式大致有以下六种。 2 2 1 外旋流和内旋流 呈渐开线或螺旋线或切线方式进入水力旋流器内的流体，首先沿器壁以螺旋 流方式向下运动，形成外旋流；部分流体运动过程脱离外旋流，以螺旋涡形式内 进料 图2 1 旋流器内流体流线图 f i g 2 - 1s t r e 啪l i n e dd i a g r 锄 迁，这部分内迁的流体，沿轴线方 向向上运动，形成内旋流。外旋流 和内旋流是水力旋流器流体运动 卜憎 m 的重要形式，两者的运动方向相 反，外旋流从底流管排出，为底流 产物；内旋流从溢流管排出，为溢 内旋流 流产物。 2 2 2 短路流 外旋流 短路流是水力旋流器中一种 常见的现象，进入水力旋流器中的 两相流体，受到水力旋流器壁面摩 擦力的作用，部分流体沿顶盖下表 面向内，随后沿溢流管外壁向下运 动，最后由溢流管排出，即是所谓 的短路流。对于固一液分离来说，短路进入溢流管的这部分流体中所含的固体颗 粒，j 下常情况下应该从底流管排出，但是由于短路流的存在，这部分流体没有经 硕士学位论文 过分离直接从溢流管排出。一般情况下，短路流的流量约占总流量的1 0 2 0 ， 它与水力旋流器的给入方式，进口位置和器壁的粗糙度等因素有关【1 6 】。 2 2 3 循环流 - 水力旋流器中的两相流体从外旋流以螺线涡形式内迁到内旋流，在溢流管中 来不及排出，在溢流管和器壁之间反复运动多次，形成循环流。循环流一般占总 流量的2 0 3 0 ，循环流中夹带的大部分粒子是中等粒度的颗粒。循环流对水 力旋流器分离过程有一定的影响，降低了分离效率。徐继润【1 6 】等曾根据边界层厚 度和边界层流量数学模型预测，普通的水力旋流器，循环流占总流量的2 5 1 左 右，溢流管壁加厚后，循环流将降至1 4 5 左右。 2 2 4 零速包络面 由于外旋流和内旋流的流体运动方向不同，而且内旋流由外旋流运动过程中 逐渐内迁形成，那么其中必有轴线速度等于零的轨迹。水力旋流器正常分离过程 中，流体轴向速度为零的轨迹叫零速包络面( l z v v ) 。零速包络面是循环流的 中心线，也是外旋流和内旋流的分界线。结构参数一定的水力旋流器，其零速包 络面的形状和大小基本不变。 2 2 5 最大切线速度轨迹面 进入水力旋流器的两相流体，外旋流以螺线涡形式向内旋流内迁的过程中， 其中流体质点的切线速度有一最大值，即最大切线速度。正常工作时，水力旋流 。器中流体质点最大切线速度的轨迹叫做最大切线速度轨迹面。最大切线速度轨迹 面具有独特的流体力学性质，它是水力旋流器分离过程赖以进行的基础，它是水 力旋流器工艺计算的依据。结构参数二定的水力旋流器，其最大切线速度轨迹面 的形状和大小基本不变。 2 2 6 空气柱 空气柱是固一液型水力旋流器中的一种现象。水力旋流器内以螺线涡运动的 两相流体，其切线速度随半径的减少而增大，增大到某一数值时，水力旋流器轴 线附近的压力将低于外部的大气压，从而形成负压区。这样导致外界的空气和水 力旋流器内液体中的气体从低压区析出，最终导致水力旋流器内空气柱的形成 【l 】o 第二章水力旋流器的流场特征。 2 3 水力旋流器内的速度场分布 水力旋流器内的流场对水力旋流器的分离性能有很大影响，对研究和认识水 力旋流器的分离机理，进而提高分离效率、优化结构具有重要意义。 水力旋流器内液体流动的雷诺数为 胞：堡竺 ( 2 5 ) 。 临界雷诺数为1 0 5 的数量级，但是大部分的水力旋流器，其内液体的雷诺数 远远超过临界值，故水力旋流器内流体的流动状态是充分发展的湍流。这就意味 着水力旋流器内的流体是各向异性的，其瞬时速度符合一定的统计规律。流体流 速是反映水力旋流器流场的主要特征，为了便于研究，可把水力旋流器内液体的 流动速度在柱坐标系中分解为切向速度、轴向速度和径向速度。下面对三维流场 中流体的速度进行简单介绍。 2 3 1 切向速度分布 切向速度分布的研究是从k e i s a l l 开始的，1 9 5 2 年k e l s a l l 利用光学法测量 了透明水力旋流器内流体的切向速度，得到了切向速度分布规律。认为切向速度 不是呈现自由涡运动，而是呈准自由涡运动，即满足：，竹= c ，式中胛与c 随 着轴向截面位置的变化而不同。 2 3 2 轴向速度分布 k e l s a n 通过测量发现轴向速度具有以下特点：( 1 ) 溢流管以下区域，向上比 向下的流动要快得多，意味着大部分介质进入溢流；( 2 ) 轴向速度的转折点在内 旋流和外旋流之间，这些点构成了零轴向速度包络面，其呈倒锥状；( 3 ) 在溢流 管底部以上的各水平面靠近溢流管壁附近，轴向速度下降，说明存在短路流。 b r a d l e y 和p u l l i n g 采用示踪剂法研究了水力旋流器内流场，发现轴向速度的 零轴速包络面与k e l s a l l 的测试结果有所不同。发现零轴速包络面的锥顶与水力 旋流器锥顶重合，在o 7 d 的截面以上，其为一柱形曲面，在这个截面以下，其 测试结果与k e l s a l l 的结果基本一致。 b l o o r 和i n g h 锄f 4 2 】，d a b i r 和p e 竹【5 3 】，f i s h e r 【5 4 】等先后对水力旋流器的速度 场进行了研究，研究结果与k e l s a l l 和b r a d l e y 的研究结果基本相同。轴向速度的 硕士学位论文 计算式多采用下式表达：甜：= l n 。式中的系数口、6 与水力旋流器的结构和 口+ d ， 位置有关，但该式并未得到试验证明。 t 2 3 3 径向速度分布 径向速度在三个速度分量中最小，很难测量到。k e l s a u 曾经利用连续性方程 计算得到径向速度，发现水力旋流器壁面附近的切线速度最大，沿半径方向逐渐 减小，在某一位置处减小到零。这个结论在很长时间里被人们所沿用，但是近年 来的研究者如徐继润【1 6 】、d a i 【5 5 】、b e r g s t r 6 m 【5 6 】等发现这一结论与采用多普勒激光 测速仪测得的径向速度存在很大的差别，他们认为径向速度的分布应该是：径向 速度由四周向轴心处增大，但在空气柱的边缘附近却迅速降低，在锥段始终由壁 面指向轴心；内旋流区中的径向速度的变化幅度比外旋流区中的大。径向速度与 径向位置的关系为：“，”= 七，式中的参数聊、后与水力旋流器的尺寸、轴向位 置等有关。 2 4 水力旋流器内的压力分布 水力旋流器内流场的压力分布与其分离过程及内部能耗有密切关系。压力降 是计算生产能力、选择泵和能耗的主要依据，其对水力旋流器的分离效率和分离 粒度都有重要的影响。下面分别介绍水力旋流器半自由涡和强制涡的压力及压力 降分布规律。 。 2 4 1 半自由涡的压力分布 压力降在水力旋流器总压力降中起主导作用，对水力旋流器的生产能力和能 量消耗起支配作用。半自由涡的压力分布和压力降分别为刚 p 等卜( 舒 6 ， 印铂一簪研”叫 亿7 ， z 刀 ， 址= 蓦研”叫 8 ， 式中：p 半自由涡任一半径处的压力，p a ； p 水力旋流器器壁处与半自由涡任一半径处的压力降，p a ： 第二章水力旋流器的流场特征 幽水力旋流器器壁处与半自由涡任一半径处的水头损失，p a ； 卜半自由涡任一半径，m ； 卜半自由涡任一半径处的水头，p a ； z r 水力旋流器器壁的切线速度，即周边速度，州s 。 由式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可知，旋转半径越小，压力降越大，当严时( 为最大切线速度轨迹面处的半径) ，半自由涡的压力降最大。 2 4 2 强制涡的压力分布 强制涡的压力分布是影响水力旋流器分离粒度和分离精度的重要因素，也是 控制空气柱真空度的基本依据。强制涡的压力、压力降分别为【5 7 】 一一譬) 2 协9 ， m 一孕) 2 小讣2 协 式中：p 。水力旋流器强制涡任一旋转半径处的压力，p a ； p m 最大切线速度轨迹面处的压力，p a ； 舰强制涡的最大切线速度轨迹面处与任一旋转半径间的压力降， 忽强制涡的最大切线速度轨迹面处与任一旋转半径间的水头损失， 办广强制涡的任一旋转半径处的水头，p a ； r 广强制涡的任一旋转半径，m ； 厂。广最大切线速度轨迹面半径，m ； “m 广最大切线速度轨迹面处的速度，州s 。 由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可知，在水力旋流器中的强制涡域的轴心处的绝对压 力最小，最大切线速度轨迹面到轴线处的压力降最大。 硕士学位论文 组合涡是由半自由涡和强制涡组成的，组合涡的压力降是半自由涡和强制涡 的压力降之和，即【5 7 】 印= 唧争 十譬) 2 沼印 脯= 牝) 2 _ 1 + 讣2 协 当r c - 0 时，水力旋流器壁面到轴心的最大压力降为 瓴_ 等”一l + 等二 协 当，。= o 时，水力旋流采壁面到轴心的最大水头损失为 峨= 等脚”一悟 协t 5 ， 式中：卸卜一水力旋流器内部的压力降，p a ； 卸。水力旋流器内部最大的压力降，p a ； 卜水力旋流器内部的水头损失，p a ； 风水力旋流器内部最大的水头损失，p a 。 2 5 水力旋流器内的粒度分布 水力旋流器内颗粒的粒度沿径向分布可用下式表示【5 7 】 d ：1 9 1 警冬i 堑i ， ( 2 - 1 6 ) ( 万一p ) j 式中：仁沿径向分布的颗粒粒度，m ； 掰。颗粒沿径向的离心沉降速度，州s ； “r 颗粒的切线速度，州s ； 卜阻力系数。 当颗粒与介质的相对运动为层流时，采用斯托克斯阻力系数：纯2 薏，它 适用于水0 1 0 m m 颗粒。 当颗粒与介质的相对运动为过渡区时，采用阿连阻力系数：纸= 车，它 4 尺p 第二章水力旋流器的流场特征 适用于脚1 0 1 5 0m m 颗粒。 当颗粒与介质的相对运动为紊流时，采用牛顿阻力系数：纨= 景孟，它 适用于痧1 5 0 m m 颗粒。 由式( 2 1 6 ) 可见，不管采用哪种阻力系数，当分离密度相同而粒度组成不 同的固体颗粒群时，在水力旋流器中呈平衡旋转的颗粒粒度与其旋转半径成正 比，半径越大粒度越大。 图2 2 理想条件下旋流器中的粒度分布 f i g 2 2d i s t r i b u t i o n0 fp a r t i c les 幻跫si n h y d r o c y c l o n eu n d e ri d e a lc o n d i t i o n 2 6 流体边界层 上述沉降速度的粒度分布规律是球 形颗粒在离心力场自由沉降的理想条件 下导出的，它适用于体积浓度c v o 5 的 分离介质沿径向的自由沉降。根据上述规 律，当分离密度相同而粒度不同的球形物 料时，沿径向粒度分布的规律是：小于分 离粒度的细物料应该进入溢流产物，而粗 物料进入底流产物，如图2 2 所示。当分 离密度和粒度均不相同的球形物料时，沿 径向粒度分布的规律亦是：小于分离粒度 的细物料亦应该进入溢流产物，但在各自 的物料中小密度物料的粒度要大于大密 度物料的粒度【5 7 】。 水力旋流器内的液体通常在高雷诺数下流动，因此在水力旋流器边壁和顶盖 附近会形成边界层。边界层对水力旋流器的分级效率、分离精度以及能量损耗有 明显的影响。水力旋流器的边界层可分为边壁边界层和顶盖边界层。边壁边界层 将一些细小的颗粒携带进入底流，使底流中混入细小颗粒；顶盖边界层会造成短 路流或称盖下流，从而使进料中的一些大颗粒不经分离直接带入溢流管，造成大 颗粒在溢流中的混杂。另外，边界层中的液体流动时会造成相当大的能量耗散。 尽管边界层对水力旋流器的运行有较大的影响，但是受研究仪器等手段的限制， 目前相关的研究相对较少。 硕士学位论文 第三章水力旋流器的数值模拟 3 1引言 前面已经简单介绍了研究水力旋流器的解析方法、实验方法及数值模拟方 法，三种方法相互补充，可有效解决实际工程问题。其中，数值模拟方法是随着 流体力学和计算机技术的迅速发展而发展起来的一种方法，具有时间短、效益高、 方便、快捷等优势，逐渐成为研究水力旋流器内流场的重要方法。 3 2 几何模型 水力旋流器内部流场是三维强旋转和高度各向异性的湍流流场，且兼有二次 流或回流运动。为了和试验对比，本文采用n 2 u r 2 l s i m h a 【3 4 】试验中模型。水力旋流 器的直径为1 0 l m m ，由进料管、柱段、溢流管、锥段、底流管等五个部分组成。 其主要结构参数如表3 1 所示。 表3 1 水力旋流器基本尺寸 t i a b 3 一lf u n d a m e n t a ld i m e n s i o n s0 fh v d r o c y c l o n e 水力旋流器单元尺寸 柱段直径d ( m m ) 进料管尺寸口6 ( m m ) 柱段长度厶( m m ) 锥段长度2 ( m m ) 底流管长度3 ( m m ) 溢流管直径磊( m m ) 溢流管插入深度厶( m m ) 底流管直径磊( m m ) 锥度( o ) 3 3 网格及边界条件 对流场进行数值模拟，首先需建立模型并生成网格，即对空间上连续的计算 区域进行剖分，把它划分成多个子区域，并确定每个区域中的节点。网格是c f d 模型的有限元表达形式，也是模拟与分析的载体，网格生成的质量直接关系到计 算结果的好坏与成败。 采用数值模拟方法对水力旋流器进行c f d 分析时，做如下假设： 踮 抛 如 ” 如 加 加 第三章水力旋流器的数值模拟 ( 1 ) 入口液体的流速均匀，流动处于湍流状态； ( 2 ) 假定内壁光滑，忽略粗糙度的影响； ( 3 ) 流场恒温，不考虑能量传递； ( 4 ) 忽略水力旋流器其它辅助装置的影响。 基于以上假设，根据水力旋流器尺寸建立有限元模型如图3 1 所示，划分网 格后的模型如图3 - 2 所示。 8 d h 图3 1 旋流器水力模型 图3 2 旋流器的网格划分 f i g 3 一lh y d r a u l i cm o d e lo f h y d r o c y c l o n ef i g 3 2m e s h e so f h y d r o c y c l o n e 本文涉及的边界条件主要包括进口、出口和固体壁面边界条件。进口应给定 所有物理量，且分布均匀。出口设为充分发展条件，即所有物理量沿流动方向导 数为零。固壁上给定粘性条件，即速度和湍流度均为零。在对每种边界条件进行 量化时，要尽可能地反映出所要模拟流场的本质特征。 ( 1 ) 速度入口：进口边界条件的设置对于整个模拟结果有很大的影响，包 含的信息主要有：介质组成和相关的物性参数；介质的进入方式：包括各成 分的体积比、速度、压力等参数；各成分的温度情况( 本文忽略这一因素的影 响) ；介质进入时的湍流状况描述( 即湍流模型的选择) 。f l u e n t 软件提供三 类进口边界条件：速度进口，压力进口和质量进口。本文采用速度入口边界条件。 设置第一相为水，温度为常温，体积比为1 ；第二相为空气，温度为常温，体积 硕士学位论文 比为0 。进口液体速度分别为5 9 1i i l s ，8 2 5i i l s ，9 5 州s ，1 0 7 州s ，1 1 3 5r 1 1 s 和1 2 3 5i 砒。入口边界湍流特性根据水力直径仇和湍流强度，的组合取值f 5 8 】。； ，量o 1 6 ( 尺) 叫8 ( 3 一1 ) 巩= 等划h ( 3 - 2 ) r p = p 巩“ ( 3 - 3 ) 式中：r h 流道截面积彳与润湿周边长s 之比； r p ，j h 水力直径雷诺数。 ( 2 ) 压力输出：溢流口和底流口均设定为与大气相通，即相对压力为零。 定义空气的回流系数为1 ，流场在出口处出现负压，返流的是空气。其他参照内 推边界条件确定。 ( 3 ) 水力旋流器器壁：设定水力旋流器所有的壁面是静止不动的，即按无 滑移边界条件，默认壁面粗糙度为o 5 。壁面效应是旋涡和湍流的主要来源，因 此近壁区的处理值对求解结果的准确性有重要影响。本文认为壁面不可渗透，不 存在滑移速度。通过壁面方程来计算壁面剪切应力、近壁处的湍动能、湍流扩散 率。 ( 4 ) 内部：设定不同区块之间的连接面是流场内部，全部为介质占据。控 制方程的离散采用控制容积法【5 9 】，对流项采用二阶迎风差分格式，湍流运动微分 方程的求解采用压力耦合方程的半隐式法【6 0 1 ( s e m i i m p l i c i tm e t h o d f o r p r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ，简称s i m p l e 算法) 。压力插补格式采用p r e s t o 格 式。 3 4 收敛性判别 为了使方程求解过程易于收敛，采用欠松弛迭代算法。松弛因子一般取 ( o 1 ) ，即在迭代过程中，不以本次求解的物理量作为更新值，而是与上次迭代 值进行加权平均值作为更新值，收敛的判别标准不是前后两次计算结果差值的绝 对值作为判别依据，而是把计算结果代入离散化后的连续性方程，将其余项作为 判别依据。收敛判据为流场迭代残差s 1 0 - 4 ，进出口流量误差s 1 0 - 4 。 第三章水力旋流器的数值模拟 3 5 湍流模型的选择 由于湍流的复杂性，迄今还没有完全弄清其产生机理。关于湍流的描述建立 在雷诺时均( 凡蝌s ) 方程之上。对于不可压缩流体，连续性方程和凡蝌s 方程 分别为 堕：0 ( 3 4 ) 露 警+ 等一吉害+ v 考( 考+ 鼍一号岛警 _ 毒( 刃) ( 3 a ta ) c i p 瓠ia x i 融i瓠t3 瓠k 瓠j 其中撕为速度矢量，并满足下式 “，2 “f + ( 3 6 ) f 表示物理量分量( f - l ，2 ，3 ) ，一p “，甜，是在时均化处理过程中产生的雷诺 应力项。 为了封闭r a n s 方程，一尸吩“，需要用额外的方程来表达。许多学者根据不 同的情况提出了各种各样的模型来模拟此项，f l u e n t 软件根据文献 6 1 6 4 】提供 了r s m ( t h er e y n o l d ss t r e s sm o d e l ) 模型，此模型充分考虑了由于流体旋转或 流线曲线所带来的应力张量的急剧变化。r s m 输运方程为 学饥警= 毒( 毒学h 坞嘞喁蝇峨 7 ， 式中：p j 广- 应力项。 西f 广一源项； & 广_ 扩散项； d f 广离散项； 8 f 广- 粘性耗散项； 尺f 广旋转项。 r s m 湍流模型和标准的缸模型的区别在于对尸7 “，的处理不同。缸模型 在处理一尸坼甜，时用到了湍流粘度触，并假设触是各向同性的。研究表明这一假设 对于高速旋转的湍流并不合适。r s m 模型摒弃了这一假设( 在r s m 模型里雷诺 硕士学位论文 应力夕“，是通过雷诺应力输运方程表示的) ，在对雷诺应力的表达过程中，尽 可能多地考虑了可能引起雷诺应力变化的各种因素。雷诺应力输运方程中的口i i 项和r i j 项对于水力旋流器流场而言是很重要的，因为水力旋流器内壁的流体是 在较小的空间内做高速旋转运动，且在径向的压力梯度、切向速度梯度都很大， 所以流体旋转和压力梯度对雷诺应力的影响不能忽略。r s m 模型适合模拟水力 旋流器内流场。 3 6 多相流模型的选择 水力旋流器是利用介质受到的离心力不同来实现介质分离的，对于液一固型 水力旋流器，其内是典型的气一液一固三相流动。由于其内固体含量一般小于 1 0 ，对空气柱的影响较小，为了将问题简化，可以作为气一液两相流来处理。 本文借助流体体积函数( v o f ) 模型研究空气柱存在时水力旋流器内部的流 场。下面对流体体积函数模型进行简单介绍。 v o f 模型是处理复杂自由表面流动问题的有效方法。它借助空间重构法和 时间推进算法来解决自由面的流动问题。将自由面看作物质面，引入流体体积分 数函数，利用流体体积分数函数表示流体在网格中占据空间的比例，从而实现自 由面的跟踪。所有离散网格分成三种类型：口= 1 、口= 0 和o 口 l ，它们 分别表示网格中充满流体、没有流体及含有部分流体。对于第g 相的体积分数函 。 数的控制微分方程为 5 8 】 掣瓶岛五) ：+ 窆( 脚阳毛) ( 3 - 8 ) 西 、r9 吖 鲁、网 印7 式中：a q _ 1 相的体积分数； p 旷甲相的密度； p q 叫相的密度； 峰叫相的速度； i i l q p _ 1 相向p 相的质量传递。 m ，q - 巾相向g 相的质量传递。 通常情况下瓯。= 0 ，则第g 相的体积分数函数为 拿+ 甜璺：o ( 3 - 9 ) 8 ta x 。 第三章水力旋流器的数值模拟 v o f 模型无需求解第一相。第一相的体积分数通过下式得到 ( 3 1 0 ) 体积分数函数方程可以通过隐式或显式离散法求解。 。 由上可知，体积分数函数a 是时间和空间坐标的函数，随着时间和空间坐标 的变化而变化。因此v o f 模型对流场的求解采用的是瞬态求解，为非恒定流动 ， 过程，通过对时间的逐步迭代，最终达到稳定的。 引入v o f 模型的r s m 紊流模型方程为 连续性方程为 动量方程为 害+ 要腭：o a fa x ：。t 尸：窆口。p 。 牡去言w 。 ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 。1 3 ) 户( 鲁+ _ 考) = 一詈 ( 考+ 鼍 _ 尸瓦 + p 岛c 3 ， 湍动能和湍动能耗散方程如下 p 尝= 丢 陪+ ) 善 - p 瓦詈胪 p 瓦2 瓦i 【芸邮j 瓦l 叩掣，面胪 p 尝= 毒 ( 等+ ) 丢三一c 。妻等( 考+ 鲁 2 一c ：p 等 式中：p 混合相密度； 2 f _ 混合相速度； f 湍动能耗散率； 卜湍动能； c l c 2 经验常数。 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 硕士学位论文 3 7 数值模拟计算步骤 ( 1 ) 建立几何结构，创建网格并设定相应的边界条件； ( 2 ) 在模型计算程序中读入网格并检查网格； ( 3 ) 选择求解器格式： ( 4 ) 定义流体属性和边界条件； ( 5 ) 调整解的控制，初始化流场； ( 6 ) 计算解，检查结果，保存记录。 第四章水力旋流器内空气柱的形成与发展 第四章水力旋流器内空气柱的形成与发展 4 1空气柱的主要运动特征及流动参数分布 4 1 1 空气柱的形状及其稳定性 空气柱的形状涉及两方面的内容，一是空气柱的形成与发展过程中，其直径 沿高度的变化，即空气柱直径是否上下均匀的问题：二是空气柱稳定时，其轴线 沿高度的偏移，即水力旋流器工作时的物理中心与几何中心是否重合的问题。前 者反映的是空气柱形成时的动态变化，后者反映的是空气柱形成后的静态特征。 空气柱的形状在不同工况下是不相同的，其形状大致可以分为直线型【2 9 1 、f 弦曲线型【2 9 】、抛物线型刚等。空气柱的形状发生弯曲是由于水力旋流器的工作 条件不稳定，溢流管和底流管同心度不好，以及流体湍动强烈等因素所造成的【2 j 。 图4 1 ( a ) 和( b ) 是不同时刻空气柱在水力旋流器中所占的体积分布( 萨5 9 1 m s ，“= 0 0 0 1p a s ，旋流器结构参数如表3 1 所示) 。其可反映空气柱的形状。可 以看出，水力旋流器不同时刻、不同高度处的空气柱的尺寸和形状均不同，在溢 流管底部、柱锥交界处以及锥段下部有突变。锥段下部的空气柱平均直径甚至大 于底流管直径，这是因为柱段与锥段、锥段与底流管交界区域的流场发生变化， 引起较强的湍流强度，气液界面波动强烈，产生较大的低压区，更多的区域被空 气柱占据。空气柱的形状随位置的变化而变化，溢流管内的空气柱呈葫芦状，如 图4 一l ( a ) 所示：锥段的空气柱呈扁平状，如图4 1 ( b ) 所示；底流管内的空气 柱近似呈圆柱状，如图4 1 ( a ) 和( b ) 所示。 _ k 一一 ( a ) 产2 8 0 0 e 0 2s 时的空气柱( b ) 产5 0 0 5 e 一0 1s 时的空气柱 图4 1 空气柱的形状 f i g 。4 1s h a p eo fa i rc o r e 溢流管中的空气柱为葫芦状，一方面是，流体进入和离开溢流管时的轴向速 度不同，引起流场变化，从而导致对空气柱的影响：另一方面是，溢流管的壁面 边界层对空气柱的影响。高速运动的流体进入溢流管时，在壁面处减速，流道中 硕士学位论文 心处加速：离开溢流管时，在壁面处加速，流道中心减速。图4 2 表示了溢流管 内流体边界层的变化情况。可以看出，在进口段边界层由薄变厚，在出口段由厚 变薄。溢流管内空气柱形状不规则对水力旋流器分离过程的影响很大，主要体现 在以下两个方面：一是溢流排出不规则，溢流排出受到阻碍，扒而影响了分离过 程的顺利进行；二是溢流管内的这种特殊流动反过来又影响了水力旋流器内空气 溢流管管 体边界层 图4 2 溢流管内的边界层 f 唔4 - 2b o u n d a 叮l a y e r o ff l o wf l u i di n s i d ev o n e x 柱的形状，使空气柱的形状更加不 规则，进而又加剧了分离过程的不 稳定。 空气柱偏摆和波动的程度在水 力旋流器不同高度处是不同的。在 底流口附近，空气柱具有较强烈的 整体径向晃动和波动，这是由底流 口附近的强制涡和液相流动的衍生 涡所造成的。研究发现，在不同流量条件下，空气柱最大偏摆位于水力旋流器锥 段与底流管交界处的附近区域，原因如下：一是在该区域存在大量随机分布的各 种尺度的衍生涡，使空气柱发生强烈的晃动现象：二是在该区域气液方向发生突 变，流场湍流程度大，影响了空气柱的径向位置。 可见，空气柱的形状沿水力旋流器高度不同而不同；空气柱轴线偏移的程度 沿水力旋流器高度不同亦不同。 ： 4 1 2 空气柱的速度分布 ( 1 ) 径向速度 图4 3 是萨7 0m m 和