（机械设计及理论专业论文）水力旋流器的流场模拟与控制研究.pdf

鞍山科技大学项士学位论文 摘要 水力旋流器的流场模拟与控制研究 摘要 水力旋流器内固一液两相流场是极其复杂的三维强旋转流流动，这给旋流器的 流场数值模拟和实验测量带来了一定的困难。针对旋流器内部的这种复杂两相湍 流运动，本文采用了f l u e n t 软件中的r n gk - s 模型和雷诺应力模型( r s m ) ， 利用贴体网格与分块网格技术，对旋流器内液相流动状态进行了数值模拟，并将 模拟结果与实验数据进行分析和比较，结果表明雷诺应力模型( r s m ) 比r n gk - e 模型更准确地描述了旋流器内部的流动状态。固一液两相流的模拟是在液相流场计 算的基础上，采用d p m 模型和涉及湍流扩散影响的随机轨道模型，同时在湍流模 型中加入了颗粒影响的源项，总结了不同直径的颗粒在不同入口位置进入旋流器 后的运动轨迹和颗粒分离效率。 根据数值模拟的结果，分别进行了实验室实验与工业试验。在实验室实验中， 分析了入口压力与入口流量的关系，还对旋流器的生产能力、分流比进行了详细 的研究，对于确定旋流器的合理工艺参数，解决旋流器分级工艺中的问题，旋流 器分级工艺的设计以及对旋流器开展理论研究与新型旋流器的开发等具有重要意 义；工业试验是在实验室实验与数值模拟的基础上，在齐大山选矿厂二选车间的 1 1 # 磨矿系统用水力旋流器代替螺旋分级机，采用分散式控制，试验结果表明控制 方案的可行性。同时也提出了一些新的改进方案，用现场总线与p l c 相结合，完 善了控制系统，稳定性和分级效率也提高了很多。 关键词：数值模拟，水力旋流器，雷诺应力，随机轨道，分散式控 制，现场总线 鞍山科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o na n d c o n t r o lr e s e a r c ho fh y d r o c y c i o n e a b s t r a c t t h es t r o n gs w i r lt u r b u l e n tf l o wi nh y d r o c y c l o n ec a u s e dm a j o rd i f f i c u l t i e si n m o d e l i n gt h e i ri n t e r n a ls o l i d l i q u i df l o w s i nt h i st h e s i s ，t h es t r o n g l ys w i r l i n gt u r b u l e n t f l o wi ns o l i d l i q u i dh y d r o c y c l o n es e p a r a t o r si ss i m u l a t e du s i n gr n gk - sm o d e l sa n d r e y n o l d ss t r e s se q u a t i o nm o d e l s ( r s m ) o f f l u e n ta p p l i c a t i o n st ou s et h eb o d y f i t t e d a n dp a r t i t i o nm e s h e si ti sd e m o n s t r a t e dv i ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s w i t he x p e r i m e n t a ld a t at h a tt h er s mm o d e li s s u p e r i o rt ot h er n gk - sm o d e l s i t c o r r e c t l yp r e d i c t st h er a n k i n gv o r t e xo f t a n g e n t i a lv e l o c i t ya n dt h ea n i s o t r o p i cb e h a v i o r o ft h er e y n o l d ss t r e s s e sc e r t a i nd i s c r e p a n c yr e m a i n sb e t w e e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，n o to n l yc a u s e db yt h et u r b u l e n tm o d e l ，b u ta l s ob yt h e s i m p l i f i c a t i o n o ft h ei n l e tb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h em e s hg e n e r a t i o nm o d e l i n g s o l i d l i q u i di n t e r a c t i o nf l o w si sc o m p l e xl i q u i dp h a s et r a n s p o r te q u a t i o n sc o u p l e dw i t h t h es o l i dp a r t i c l e si n t e r a c t i o na r ed e r i v e db a s e do nt h er s mt u r b u l e n tm o d e l st oh a n d l e t h ei n t e r a c t i o no fm o m e n t u ma n dk i n e t i ce n e r g yo ft u r b u l e n c eb e t w e e nt h el i q u i da n d s o l i dp a r t i c l e s ，i nt h i st h e s i sd p mm o d e l sa n ds t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e l sa r ea d o p t e d ， a n dj o i nt h es o u r c eo fp a r t i c l e si n f l u e n c ea tt h eb a s eo ft u r b u l e n c em o d e l s ，s u m m a r i z e t h em o v e m e n tt r a c ka n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yw h i l ed i f f e r e n td i a m e t e rp a r t i c l e si n d i f f e r e n td i s p l a c e m e n te n t e rt h eh y d r o c y c l o n e a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e l a be x p e r i m e n ta n di n d u s t r i a l e x p e r i m e n ta r ei m p l e m e n t e di nt h i st h e s i st h er e l a t i o no ft h ei n l e tp r e s s u r ea n df l u xi s a n a l y z e di nt h el a be x p e r i m e n t ，a n dt h e nt h er e l a t i o nc u r v eo fp r o d u c t i o nc a p a c i t y i n l e t p r e s s u r ea n ds e p a r a t i n gp r o p e r t y i n l e tp r e s s u r ei sa l s op r o t r a c t e d t h el a be x p e r i m e n t h a sg r e a tv a l u et oc o n f i r mt h ea d v i s a b l et e c h n o l o g yp a r a m e t e r , s o l v ec l a s s i f i c a t i o n t e c h n i q u ea n di t sd e s i g n ，s t u d yt h e o r ya n dd e v e l o pn e wt y p eo fh y d r o c y c l o n e ；o nt h e f o u n d a t i o no f t h e1 a be x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i v er e s u l t s i nt h e1 1 # s y s t e mi n t h es e c o n dd e p a r t m e n to ft h eq i d a s h a nm i l l i n gf a c t o r y , t ou s et h eh y d r o c y c l o n et o s u b s t i t u t ef o rt h es p i r a lc l a s s i f i e ra n dt oa d o p tt h ed i s p e r s i v ec o n t r o l ，t h er e s u l t si n d i c a t e t h ef e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o lp r o j e c t s ，a tt h es a m et i m es o m en e wi m p r o v e dp r o b l e m sa r e p u tf o r w a r di nt h i st h e s i s ，a d o p tt h ef i e l d b u sa n dp l c ，a n dp e r f e c tt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e i i j 苎生翌塾查兰堡圭兰垡堡查 垒! 璺翌! ! s t a b i l i t ya n ds e p a r a t i o ne f f i c i e n c yo fn e w c o n t r o ls y s t e mh a si m p r o v e d k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h y d r o c y c l o n e ，r e y n o l d s s t r e s s ， s t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e l s ，d i s p e r s i v ec o n t r o l ，f i e l d b u s i i i 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 水力旋流器( 或称旋流分离器) 是一种分离非均相液体混合物的设备，它是 在离心力的作用下根据两相或者多相之间的密度差来实现两相或多相分离的，由 于水力旋流器所具有的特殊特征，因而它比其他重力分离设备的分离效率要大得 多。而且多相分离在石油、化工、冶金和环境等工程中占有十分重要的地位，据 统计用于这些过程的工程投资约占总投资的5 0 - - 9 0 ，其运行费用高达总生产成 本的7 0 ，在一些场合，过去依赖离心分离机完成的许多分离工作，正逐步由旋 流分离器所取代。 回顾旋流分离技术，其出现可以追溯到1 9 世纪末，早在1 8 9 1 年，eb r e t n e y 在美国获得了世界上第一项专利权，然而这项专利技术没有被重视，1 9 1 4 年水力 旋流器正式应用于磷肥的工业生产，直到1 9 3 9 年d r i e s s e n 2 1 才在荷兰首次应用于 煤泥的澄清作业，才以商品的形式出现，当时被用作固一液两相介质的分离装置， 从水中分离固体介质，如煤的精选等。并在当时出现了一些综合性能比较好、几 何形状相对稳定的旋流器结构模型，同时对其内部的流场的研究也被人们所重视， 但仅限于在采矿工业中使用，未被其它行业所重视 3 - 5 。随着学科之间的沟通与交 流，其应用范围逐步扩大，在石油、化工、冶金、造纸、动力发电和废水处理等 许多部门都开始应用，但一直局限于固一液和气固两相的分离。但在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一水系统的分离；1 9 5 3 年， v a n r o s s u m j i a n g 将水力旋流器用于脱出油中的水分陋】；2 0 世纪6 0 年代末期，英 国南安普敦( s o u t h a m p t o n ) 大学的m a r t i nt h e w 等人开始研究用水力旋流器来分 离油一水两相介质的可行性p 1 。随后他们用了将近十年的研究，终于得出了肯定的 结论，通过结构改进将水力旋流器的分离效率由2 0 提高到8 0 左右，证明水力 旋流器完全可用于液一液两相介质的分离，并设计出了样机。1 9 8 3 年，他们设计的 液一液分离水力旋流器在两个公司进行了商标注册，并生产出第一个商用的高压 v o r t a i l 型水力旋流器，利用该旋流器在澳大利亚的b a s ss t r a i t 油田的平台上进行试 验，取得了满意的结果。 目前，许多国家的油田中，尤其是海洋平台上，由于空间的限制而大量使用 水力旋流器作为原油脱水或生产用水的水处理设备。水力旋流器的用途也在不断 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 扩大，己由主要进行固一液分离而扩展到两种互不相溶液体介质的渗液分离以及气， 液分离、气一同一液三相分离等，如液体的净化、泥浆净化、液体脱气、固体筛分、 固体介质清洗和按密度或形状进行固体分类等许多方面，己成为种多用途的高 效分离装置。在核工业、船舶工业、食品加工工业、生物工程等领域也开始采用 水力旋流器作为重要的分离设备，在固一液分离方面它可用来净化液体，除去其中 的悬浮物及固体杂质，水力旋流器可以分离出微米级的悬浮物，这是最普遍的应 用之一；它可以用于固体悬浮液的稠化，使其中固体悬浮物的含量达到5 0 左右， 如用在采矿工业中的选矿；它也可以冲洗固体，达到净化的目的；它还能按固体 。 的密度及颗粒形状进行分类等。在液一液分离方面，可以用于两种互不相溶液体介 质的分离，如油一水两相的分离、用于原油脱水或含油污水的净化处理等。另外， 也可用于液体脱气及轻质相介质的高度浓缩等方面，现在研制出的气一固一液三相分 离水力旋流器，同时分离出液体中的气体及固体悬浮物。在气一固分离方面，用旋 流器除去气体中粉尘的旋风除尘器己使用了多年，最新发展的动态水力旋流器还 可用于介质粘度大、密度差小等极难处理的场合，如油田聚合物驱采出液的分离、 重油介质的分离等。用水力旋流器处理船舶的底舱水和油轮的压舱水，使处理后 的水完全符合公海排放标准。在核工业中，可用于从均相反应堆中分离出较为粗 大的颗粒，如稀土元素和裂变物质等，这种水力旋流器内部无任何运转部件，通 常我们把它称静态水力旋流器。近几年来随着用途的不断扩大以及分离难度的加 剧，又出现了一种效率更离的水力旋流器，即动态水力旋流器，它是利用外壳旋 转来带动液体介质运动的，克服了静态水力旋流器中由于沿轴向液体运动速度衰 减引起的液流旋转强度下降的现象，因而使分离效率大幅度提高，同时也极大地 扩大了水力旋流器的应用范围。 在选矿方面，水力旋流器已得到广泛的应用，其中主要应用如下：( 1 ) 磨矿 循环中的检查分级、预先分级和控制分级：( 2 ) 矿浆的浓缩和回水的澄清；( 3 ) 溢流和沉砂分别入选时的分级；( 4 ) 为改善选别作业的脱泥、脱药；( 5 ) 产品过 滤前的浓缩、尾矿分级筑坝等。其中作为磨矿循环中的分级作业，水力旋流器的 应用比较广，由于其分级效果对生产指标有很大的影响作用，因此对旋流器的控 制方法的研究，已经成为比较热门的话题。目前，二、三次磨矿和中矿再磨回路 中的分级作业已普遍采用水力旋流器代替其它分级设备。在国外，在一次磨矿的 分级作业已经普遍采用水力旋流器，但国内的选矿厂有很大一部分仍然采用螺旋 分级机，因此，采用水力旋流器代替螺旋分级机的工业应用，以在部分选矿作业 中进行工业试验，也已初步证明水力旋流器代替螺旋分级机的优势，但对于整个 一次闭路磨矿系统的控制系统仍然还不完善。 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪 论 1 2 水力旋流器的优缺点 水力旋流器之所以日益被更多的部门所重视并获得越来越广泛的应用，是因 为它具有一般的分离设备所不具备的优点：( 1 ) 结构紧凑，需要系统配件少，成 本低廉，易于安装和操作；( 2 ) 体积小，单位面积处理量大，可节省现场空间；( 3 ) 存在较高的剪切力，可破坏颗粒间的凝聚，有利于固相颗粒分级与洗涤；( 4 ) 用 途广泛，可完成液体澄清、浓缩、颗粒分级、分离与洗涤，液体除气与除砂，以 及非互溶液体的分离等；( 5 ) 处理工艺简单，运转连续。 但同时水力旋流器也存在缺点：( 1 ) 高速旋转对旋流器内壁会产生一定的磨 损，设备磨损快，特别是迸料口与底料口周围；( 2 ) 存在较高的剪切力，对脆性 物料会引起破碎，不利于分离；( 3 ) 泥化程度高，原料受到泵和旋流器的强烈搅 动和磨擦，磨碎严重，增加了分选的困难；( 4 ) 对运行条件要求较高，要求给料 的浓度、粒度和压力稳定，否则对分离效率的影响很大。 1 3 水力旋流器的工艺参数限9 由于分离设备操作的目的不同，其主要工艺指标的要求也不尽相同。固一液分 离、悬浮液浓缩和液体澄清等操作要求尽可能地把悬浮液中的固相颗粒回收或者 除掉，总分离效率是旋流器的一个工艺指标。固一液分级操作要求把某一粒度以上 的固体颗粒分离掉，分割粒度和分级效率也是旋流器的一个工艺指标。又因为旋 流器是一种能耗的分离设备，具体的能耗大小是由被处理的物料经过旋流器时的 压力降的大小来表示的，因此，压力降同样也是旋流器的主要工艺指标之一。 1 3 1 分离效率 分离效率是衡量一个分离设备分离过程完善程度的技术指标，是所有旋流器 的最关键的性能。 1 总分离效率丘 总分离效率辱，简称为分离效率，是指进入旋流器的物料中，被分离的固相 物料占进口料液中固相物料的比例。 若旋流器中无固相物料积累，则进料总质量必定等于两相物料总质量之和， 亦即： 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 m = m ，+ m ， ( 1 1 ) 式中， 坼底流口处固相物料的质量流量，幻s ： m ，进口处固相物料的质量流量，堙j 。 长期以来，一直以给料中固相物料进入底流中的质量分率来表示该固相物料 的总分离效率，即将总分离效率定义为分离出的固相颗粒总质量坼与给料中的固 相物料质量m 之比，也就是： 辱= m c m 亘y c e , t = l m f m ( 1 - 2 ) 2 分离修正效率 总分离效率用以衡量分离性能时只能表达固相物料的分流作用，而不能衡量 净分离效果，为了考查其净分离性能，在底流与通过量的比值r ，( 以体积表示) 比较大的情况下，考虑到进料分流或“死通量”对分离效率的影响，需要对总分 离效率进行修正，公式为： e 。：丛( 1 - 3 ) l r 。 式中，e 。为分离修正总效率； e 为总分离效率： 尺，为底流与进料的体积流量之比。 1 3 2 ( 分) 级效率与( 分) 级效率曲线i ” 分离效率或分离修正效率只能衡量具体的物料的分离结果，当物料的粒度不 一样时，旋流器的分离性能就不一样，如果只用分离效率和分离修正效率来衡量， 就会给旋流器的设计带来一定的困难，只有给出不同粒度下的分离效率才能设计 出最优的模型，由于总分离效率很大程度上取决于进料周相的粒度分布，因而以 总效率作为分离效率的指标是不合适的，而是采用分级效率来衡量。如果不对物 料进行实测试验，单是总效率值刁- 、- z f j 匕, 。用于推断设备对任何物料的分离能力】。 若在分离器内固相粒度不变，则质量平衡也应适用于进料中存在的任何粒度 级别的颗粒。因此，对进料中粒度为d 的颗粒 ) 。= ( ) 。+ ( 坼) 。( 1 4 ) 由总分离效率公式，定义粒度为d 的分离效率g ( d ) ： g ( d ) = ( m e ) 。( m ) 。或g ( d ) = 1 ( 聊，) d ( m ) 。 ( 1 - 5 ) 修正分离效率： 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪 论 g 。( d ) ：_ g ( 了d ) - r ：0 - 6 ) 、7 1 一月， 通常在工业生产中，把分级效率理解为在所研究的分级情况下溢流中一定粒 度的物料数量的增量对在理想分级情况下溢流中同样粒度的物料数量增量之比。 由此定义，分级效率可用下列公式表示： e ：要黧1 0 4 ( 1 - 7 ) 甜f l c c ) ( p 0 ) 式中，a 、p 、0 分别为计算级别的颗粒在进料、溢流、底流中的百分含量( 粒 度) ，以小数表示。 若能求得每种粒度d 的分离效率，可得到一条称为( 分) 级效率函数的曲线2 】， 此函数通常不受固相粒度分布或固相浓度的影响。 由于分级效率值具有概率性，所以级效率函数曲线也称为概率分配曲线，它 表示进料中任何特定粒度的颗粒被分离或随流体带走的概率。通过级效率函数曲 线，可以得到分割粒度、分割极限和分离精度三个重要的分离指标。 1 分割粒度6 8 1 分级效率曲线上级效率为5 0 所对应的粒度，也就是具有5 0 的颗粒被分离 概率的颗粒粒度，即为分离粒度氐。这个粒度也成为等概率粒度，表示这种粒度 的颗粒从底流口与溢流1 3 排出的几率各占5 0 。对于水力旋流器来说，小于吐。的 颗粒从溢流i x l 流出，而大于氏的颗粒则从底流口被分离掉。 通过理论计算得到的d 。的公式如下： ( k = 1 1 0 0 而在一般的经验公式如下： 氐娟，两菇* 11 开口l d 一以j i y l j ( 1 - 8 ) ( 1 9 ) 式中，d 、吐、a o 、0 分别为水力旋流器的柱段直径、入口直径、溢流e l 直径 和锥角：破、成分别为矿浆密度和水的密度；2 。为水的黏度；占为矿石密度。 2 分离极限 在实验中，总是存在某一个级别粒度d ，所有大于这个粒度d 的颗粒的级效率 为1 0 0 。这个粒度值就等于分离后仍留在溢流中的最大颗粒的粒度值a 。，亦 称为分离极限。然而在实践中要精确确定分离极限往往很困难，在这种情况下可 测定级效率为9 8 所对应的粒度，从而得到较容易确定的点，有时称该粒度如为 近似分离极限。 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 3 分割精确度 当固液分离原理和设备用于固相分级时，总希望使混入的物料量减至最少， 这与级效率曲线的总斜率有关，总斜率可用由多种不同方法定义的术语精确度指 数来表示，精确度指数有时简单定义为级效率曲线在氏点切线的斜率，通常则定 义为级效率曲线上5 0 点的两侧两个不同百分率所对应粒度之比。 1 3 3 颗粒特性 颗粒特性是对颗粒系统中颗粒基本性质的描述，是颗粒工艺中一切操作的基 础03 。 1 颗粒粒度 一个不规则的颗粒，可以用许多被测出的线度大小或性质表示的粒度来描述， 选择时，须认真考虑哪种量度的粒度与所控制的性质或过程关系密切。例如，在 以颗粒相对于流体的运动为控制因素的固一液分离中( 重力沉降、离心沉降和水力 旋流器) ，采用测定自由沉降直径，或更多地是测定斯托克斯直径的方法( 沉降 或流体分级法) 最为适宜。 2 颗粒粒度分布类型 对于一种给定的颗粒物料，可定义四种不同的粒度分布类型，这就是：用个 数表示的粒度分布；用长度表示的粒度分布( 实际上不采用) ；用表面积表示的 粒度分布；= f j 质量( 或体积) 表示的粒度分布。不同的方法给出不同的粒度分布， 需根据所要求的粒度及分布类型来选择测量方法，在大多数固液分离的应用中最 注重颗粒粒度的质量分布，这是因为我们更关注的是质量分离效率。 1 3 4 处理量 处理量足一台分离设备的重要：l ：艺参数，标志着设备的生产能力。 旋流器的生产能力和分割粒度以及直径之间的关系见图l4 ，也提到众多计算 水力旋流器生产能力的公式1 ”。1 “，这些公式大多采用实验数据回归得到，因而最 大的缺点是适用范围不广，对于特殊结构类型的旋流器会产生很大误差。 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 域髓爱压米 图1 4 水力旋流器生产能力、分割粒度、简体直径的关系 f i g l4r e l a t i o ne u l w eo f h y d r o c y c l o n ep r o d u c t i o nc a p a c i t y , 氏a n dd 根据庞学诗的研究结果呻】，得到水力旋流器的生产能力公式如下： o = 26 9 d ( ， 式中，d 、谚分别为旋流器直径、进口管的直径，c m q 一一旋流器的生产能力，m 3 h ； 瓴进口压力( 最大实际压力降) ，a ： 以料液的密度，t m 3 。 1 3 5 压力降 ( 1 一1 0 ) 在水力旋流器中，压力降是一个重要的操作参数。它是指进料口与溢流口压 力之差。通常情况下，水力旋流器的能耗损失一般只考虑静压损失，假定溢流的 动能等于迸料的动能，且前者可回收，故可用压力降来表示液体通过旋流器后的 能量损失。所以用压力降可近似代替单位体积物料的能耗值。另外，由于溢流管 通常与大气直接相通，那么压力降又可近似由进口压力来代替。 压力降对于水力旋流器的性能的定性影响可以概括为进口压力的增大，一般 会导致生产能力的增大，分离粒度的减小，分流比减小，总分离效率的增大，底 流浓度的增加，溢流浓度的减小，但较高的进口压力意味着较高的分离费用。压 力降是反映能耗的重要指标，一方面在进口压力一定时，减小压力降可提高出口 案1)伽撺怔求 鞍山科技大学硕士学位论文 第一章绪论 压力，回收更多的能量；另一方面，在出e l 压力不需要很高时，可降低进口压力， 达到节能的目的。由于长时间大多数研究人员偏重于对旋流器的流速以及流型的 研究，使得压力降很少被作为性能指标所关注，随着人们对节能原则的不断重视， 越来越多的学者对旋流器内压力分布及压力损失问题进行了深入的研究m 1 。 1 3 6 分流比? 与分股比s 8 在固一液分离中，旋流分离器的分流比， 体积流量与进口体积流量的比值。 f ：丝 9 旋流器的分股比，也叫做流量分配【1 9 1 ， 积流量与溢流口总体积流量之比，即 _ ：l i t ：盟 q ， 亦成为流量比。表示从底流口排出的 ( 1 一1 1 1 是指正常生产的旋流器的底流口总体 式中，o 、q 、o o 分别表示通过进口、底流口、溢流口的体积流量。 因此，分股比分流比之间的关系为： 1 3 7 返砂比c v l + n s = 二一 l f ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) 在选矿方面，返砂比等于旋流器沉砂口( b nj z - 流口) 中返回球磨机的固体颗 粒的质量流量占球磨机给矿中固体颗粒的质量流量的百分比。其计算公式如下： ( t ：旦兰1 0 0 f 1 - 1 5 甜一0 式中，口、口、o 分别为汁算一定粒级( 如2 0 0 目) 的颗粒在迸料、溢流、底流 中的百分含量( 粒度) ，以小数表示。 鞍山科技大学硕士学位论文第一章绪论 t 4 本课题的研究内容 本课题的研究目的主要是通过测试齐大山选矿厂二选车间1 1 # 磨矿系统采用 水力旋流器代替螺旋分级机的水力旋流器的主要性能，根据实验室实验和工业试 验数据，观察各实验因素对分级性能的影响情况，并探索其原因，为更好地达到 最佳控制效果提供指导，本课题主要研究的内容包括： 1 通过数值模拟研究入口压力，入e l 流量对水力旋流器分离效率的影响，从 理论计算上分析出其控制方法，对工业试验现象进行验证。 2 通过理论和实验研究水力旋流器的相关因素( 入口浓度，入口压力，溢流 管插入深度，底流e l 的直径等) 对其分离效率的影响，分析其变化趋势和原因， 并提供设计参考。 3 根据工业实验选用的水力旋流器设计出比例大小的实验室模型，并设计实 验室实验的控制流程，编制好实验室程序，进行实验室各种数据的在线采集。 4 根据实际工况的要求，选用满足工厂要求的水力旋流器和设备，设计好工 业实验的控制流程，并编制好工业控制系统，进行工业试验。 鞍山科技大学硕士学位论文第二章水力旋流墨的工作原理 第二章水力旋流器的工作原理 根据b r a d l e y 定义【2 ，水力旋流器是种利用压力的作用将流体的直线运动 转化为旋转运动的装置，它是依靠离心沉降进行分离，将需分离的两相混合液以 一定压力从旋流器的切向进料口进入，从而在旋流器内形成强烈的旋转运动，由 于被分离相间的密度差，所受到的离心力和流体曳力的大小不同，大部分密度小 的轻相通过旋流器的溢流口排出，而密度大的重相由底流口排出。由上得知，水 力旋流器内呈现出复杂的流动状态，从漩涡运动的角度来看，有半自由涡与强制 涡的存在；从轴向与切向运动的合成而言，有外旋流与内旋流之分：从径向和切 向的综合流动分析，则有所谓的螺旋流存在，这些运动形式反映了水力旋流器内 的流动主要状态，或者说反映了主分离区f 溢流管以下区域) 的流动状况。在分离区 以外其它区域，还存在着若干附加的但仍很重要的液流运动形式，如沿盖顶边界 层进入溢流的短路流( 或称盖下流) ，在预分离区( 在溢流管与桶壁之间的区域) 以及 溢流管下端附近存在的循环涡流等。此外，在常规水力旋流器中心附近，存在一 定尺寸的空气柱，它的存在也对水力旋流器的内部流动产生了一定的影响。 2 。1 流体的旋转运动 由于水力旋流器内的流体的运动方式是复杂的三维旋转流动，流体的旋转运 动简称为涡流，旋转流动，或者旋涡流动，经常存在不同的设备中，例如旋流分 离器、喷射烘干机和旋涡燃烧室中。根据流体在旋转运动时质点有无自转的现象， 将其分为自由涡运动和强制涡运动两大类。 2 1 1 有旋运动与无旋运动 凡流体质点不围绕自身的瞬时轴线旋转时叫自由涡运动，也叫做无涡或无旋 运动；反之围绕自身的瞬时轴线旋转时叫强制涡运动，亦叫有涡或有旋运动。一 般把自由涡和强制涡流的组合运动称作组合涡运动。 2 2 2 自由涡运动 自由涡运动即无摩擦流体的旋转运动，其特点是角速度矢量为零，u 口：0 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章水力旋流器的工作原理 由于涡流运动中的切向速度，使得流体质点在所有径向位置上的动量矩相同，它 只能存在于理想的流体中，具有黏性的实际流体是不会形成真正的自由涡。一般 情况下，当其黏性对其运动影响很小以致可以忽略不计时，才能把实际流体的运 动按照自由涡运动处理。当没有外界能量输入时，总水头保持恒定，此时流体的 旋转运动便成为自由涡运动，将无限长的固体柱在理想流体中旋转，其周围流体 的运动即为自由涡，自由涡中的流体速度分布式如下： ”口r = c ( 2 1 ) 式中，。表示半径，处的切向速度；c 为常数。 可见在自由涡运动中，流体质点的切向速度与其旋转半径成反比，半径越大， 其切向速度越小。 2 2 3 强制涡运动 强制涡是旋转运动存在的主要形式。它是指在外力连续作用下形成的流体旋 转运动，当理想流体做强制涡运动时，涡流内各点有相同的旋转角速度，就像旋 转的刚体一样。在强制涡内，流体的速度表示为： 坐= ( t ， 式中，c t 为常数。 可见在强制涡运动中， 大，其切向速度也越大。 2 2 4 组合涡运动 ( 2 - 2 ) 流体质点的切向速度与旋转半径成反比，旋转半径越 在自由涡中，流体的旋转速度与半径成反比。从理论上说，当旋转半径趋于 零时，流体速度将变为无穷大，这在实际中是不可能的。由于流体的摩擦损失与 速度的平方成正比，因此当旋转半径很小，流体速度很大时，流体的能量损失已 不能忽略，从而总水头h 沿旋转半径r 保持恒定的条件将不再满足。在某一半径 内，能量损失急剧增大，流体的旋转速度则几乎成线性下降，此时整个流场就形 成了以中问为强制涡，周围是自由涡的组合运动，亦即为组合涡运动，它具有两 种涡型的特征：涡核部分属于强制涡运动，速度和压力分布服从强制涡的分布规 律：涡核周围部分属于自由涡运动，速度与压力分布服从自由涡的分布规律。分 布图如图2 1 所示。 鞍山科技大学硕士学位论文第二幸水力旋流器的工作原理 v 图2l 组合涡运动的涡线与流速分布 f i g2 i v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f t h ea s s o r t e dv o r t e xm o v e m e n t 2 2 5 水力旋流器内部的涡流特性 水力旋流器内的涡流运动与强制涡、自由涡和组合涡有着密切的联系，也有 其自身的特点，主要体现在如下几方面： 第一、在理想的强制涡与自由涡的组合运动中，只存在切向速度，而没有径 向及轴向流动。这是因为从理论上说。强制涡是无限长的单独涡束像固体般旋转 而成，自由涡则是作强制涡运动的涡束在其外围流体中诱导出的流动形态。在水 力旋流器中，由于流动空间的有限性以及特定的泄流方式，在液流中不仅存在切 向速度，而且存在径向与轴向流动，这必然使旋流器内的切向速度分布有别于理 想的组合涡。事实上，在外围区域，不可能形成完全的自由涡运动，而出现了所 谓的准自由涡。 世 刿 足 s 图22 水力旋流器内切向流动的不同区域 f i g22d i f f e r e n ta r e a so f t h et a n g e n t i a lv e l o c i t ) ，i nh y d r o c ) l o n c 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章水力旋流器的工作原理 第二、水力旋流器内的组合涡并非完全由液流组成。在中心区域，做强制涡 运动的是主要由外部吸入的气体构成的空气柱，在强制涡与液流的准自由涡之间， 并没有截然的界限，而是存在着一定宽度的过渡区域，因此切向速度沿整个半径 的定性分析如图22 所示。 2 2 水力旋流器内液流运动 所有的研究结果均指出 2 1 1 ，液体在水力旋流器中同时产生两种基本的同向旋 转液流外旋流( 螺旋线向下流动) 和内旋流( 沿螺旋线向上流向溢流管) ，此 即水力旋流器内液流的双螺旋模型，如图2 3 所示： 图2 3 水力旋流器内流体的双螺旋模型 f i g2 3t w i n - s c r e wm o d e lo f t h el i q u i dmh y d r o c y c l o n e 当外旋流一接近锥项时就分为两部分：一部分不变更流动方向，继续向下， 最后经过底流e l 排出；另一部分改变流动方向，转而向上流动，进入内旋流。在 外旋流和内旋流之间于溢流管以下产生循环流( 也称为闭环涡流) ，此循环流中的 液体在绕水力旋流器轴线旋转的同时，从外侧向底流e l 方向流动，而从内侧向上 盖方向流动。当向单相介质( 水) 的水力旋流器玻璃模型入口中加入一些的染料 时，可以明显看出循环流。开始整个旋流器内的液体全被着色，稍后染料被新进 入的水所冲洗，仅在内旋流和外旋流之间的圆环区仍存在着有色液体，但它所占 区域的形状和位置也在逐渐改变，这个圆环区域就是循环流所构成的，除这些液 流以外，还存在所谓的短路流( 也称盖下流) ，它由部分进料形成，先是环绕盖下 表面向内侧流动，然后沿溢流管壁向下流动，最后进入溢流中。在水力旋流器的 轴线附近，由于静压头很低而离心力又很大，以致液体涡核无法存在，于是空气 顺势沿底流e 1 进入并在轴心处形成一个上升的气流柱，也就是所谓的空气柱。 鞍山科技大学顼士学位论文 第z - 章水力旋流器的工作原理 总体来说，一般认为水力旋流器的内液体流动状态存在四种形式【2 2 2 3 ：即内 旋流、外旋流、短路流( 盖下流) 和循环流( 闭环涡流) ，此外，空气柱和零轴速 度包络面( l z v v ) 也是两个重要附带特征。如上图所示，物料从旋流器进料口进入， 形成主要运动“外旋流”与“内旋流”，其中外旋流携带大部分粗的颗粒进入底 流，而细颗粒主要由内旋流从溢流口排出。在外旋流与内旋流交界处的附近，存 在着轴向速度转向的转折点，其轴向速度为零，由这些点构成了所渭的零轴速度 面( l z v v ) 。此外，在旋流器的轴线附近还存在着空气柱，边壁处短路流及顶盖 下溢流管外的循环流。 2 2 1 液流的速度分布8 水力旋流器内的液体流动为三维流动，对其速度场可用圆柱坐标系表示三个 分速度：切向速度、轴向速度和径向速度。 1 切向速度 在水力旋流器内液体的三维流动中，切向速度具有极其重要的地位。根据水 力旋流器的工作特性，切向速度是产生离心力的源泉，只要保证足够的离心力才 能使水力旋流器得以正常的工作，通过一些实验分析，它在数值上明显大于其余 两个方向的速度。k e l s a l l 利用频闪观测器研究了水力旋流器的切向速度，切向速 度在水力旋流器的大小分布情况如下：从旋流器周边向中心不断增大，到空气柱 边缘又重新降低，在回转半径约等于溢流管内径处切向速度达到最大值。切向速 度在溢流管末端以下各个水平面上保持恒定。从切向速度的角度看，水力旋流器 内的旋流运动为准自由涡和强制涡组成的组合涡，切向速度不是呈自由涡运动， 而是呈现所谓的准自由涡运动，以b r a d l e y 和p u l d i n g 1 根据k e l s a l l 的实验数据拟 合出的表达式为： f ，。，。”= c( 2 3 ) 式中，。一切向速度： r 一回转半径； n ，c 一常数，与工况及旋流器内的轴向位置有关，n 一般取在o4 o9 之间。 2 轴向速度 在水力旋流器中，存在明显转向液流运动的便是轴向运动。轴向运动及其分 布虽然不像切向运动及径向运动那样，对颗粒在径向的位置产生直接影响，但它 却决定了液流在底流与溢流的流量分配。轴向运动的速度大小取决于进口流速， 而它的分布却依赖于旋流器的内部结构，尤其是溢流口和底流口的尺寸及其相对 4 鞍山科技大学硕士学位论文第二章水力旋流器的工作原理 大小。轴向速度分布的一个重要特征是零轴速度面( l z w ) 的存在。l z v v 是外、 内旋流的分界面，其位置对水力旋流器的边界粒度( 旋流器的边界粒度定义为以 相等几率进入溢流或底流的固体颗粒粒度) 有重要影响。 最常被研究者引用的轴向速度分布规律为k e l s a l1 【2 鄙测出的轴向速度，其分布 特点为：第，在溢流管外侧区域，轴向流动两次改变流动方向，这表明在该区 域存在循环流及短路流；第二，轴向流动的转折点构成的轴向零速度包络谣呈倒 锥面包络面的位置受旋流器角锥比的制约，一般情况下随角锥比的降低，零速包 络面向内侧移动。h s i e h 和r a j a m a n i 等人近年来通过数值解和激光测速的方法研究 了水力旋流器内的液流运动，总体与k e l s a l l 早期的结论无本质的区别。 徐继润曾根据实验数据用数学回归法拟合出了水力旋流器溢流管以外区域液 流轴向速度的表达式【2 “： f1110(2-4)。 口+ 6 r 式中，a ，b 为常数，既与旋流器的操作及结构参数有关，又与轴向位置有关。 b l o o r 和i n g h a m p 7 1 曾从连续性方程及运动方程出发，给出了水力旋流器内轴 向速度的解析解： i i = 1 ? ( 3 6 t 兰) ( 2 5 ) 二 ，三 式中，a 为半锥角；b 为常数。 3 径向速度 在旋流器内液流的三维流动中，与其他两个方向流动速度的数值相比，径向 速度的数值较小。长期以来占统治地位的k e l s a l l 的研究结果，是根据轴向速度的测 定结果，再按流体的连续性方程计算径向速度，从其计算出的径向速度分布规律 来看，向内的径向速度在器壁处为最大值，然后随着半径的减小而降低。但近年 来一些研究结果却与k e | s a l l 的研究结果截然不同，女1 h s i e h 和r a j a m a n i 采用与k e l s a i l 一样的方法，只是h s i e h 和r a j a m a n 湖0 量轴向速度时，使用比较先进的激光测速技 术，比k e l s a l l 所用的光学观察法更为精确。h s i e h 和r a j a m a n i 计算出的径向速度分 布表明，径向速度的数值随着半径的减小而增大，只有在靠近空气柱处转而下降。 如用理论分析，在己知切向速度分布的前提下，运用运动方程和连续性方程， 在忽略切向速度的轴向变化的条件下，可导出： 蚱：一刿!f 2 6 、 p r 如考虑液流区的湍流，可以解出切向速度的表达式为： 鞍山科技大学硕士学位论文 第二章水力旋流器的工作原理 ，一一! 坐型f ! ! 塑 ， p ， 式中，麒为湍流粘性系数。 2 2 2 短路流与循环流的形成 ( 2 7 ) 幽2 4 液流迹线圈 f i g24p l o to f t h el i q u i dt r a c e a 一进口：b 溢流：c 一底流 1 一盖下流：2 外旋流：3 一内旋流：4 循环流 由图2 4 可知，料液沿切向进入旋流器后，大部分形成主体流动，流体携带的 固体颗粒则大部分在主体流动中得到分离；但由于固体边界的存在，一部分流体 形成边界层，这部分流体所包含的颗粒则不能得到有效的分离( 因为边界层内切 向速度比主流区要小得多) 而进入溢流或者底流，此流动被称之为顶盖下短路流 动；而进料口与底流口之间的压力差却推动流体沿着壁面向下运动形成边界层进 入底流，称之为侧壁边界层流动。在零轴速度包络面以外的外旋流运动