抛物线型旋流器分离特性的数值模拟和试验研究.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 1 0期 流体机械 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 1 0 0 0 0 1 0 6 抛物线型旋流器分离特性的数值模拟和试验研究 刘培坤 姜兰越 杨兴华 张悦刊 徐庆芝 1 国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室 山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室 山东济南2 5 0 0 1 3 2 山东科技大学 山东青岛2 6 6 5 9 0 摘要 针对水力旋流器易出现底流夹细的问题 提出并设计了一种抛物线型旋流器 利用模拟软件 F lu e n t 1 4 5对比 分析了传统型和抛物线型旋流器的内部流场和分离性能 并进行了试验研究 模拟结果表明 与传统旋流器相比 抛物 线型旋流器内部流场更加稳定 有效避免了因流场紊乱造成的粗细颗粒混杂 进一步的试验研究显示 抛物线型旋流器 底流中细颗粒的含量明显降低 分离粒度由 3 0 t m增加到4 9 1x m 陡度指数由0 1 3增加到0 2 表明旋流器的分离精度提 高 底流夹细现象得到明显改善 关键词 抛物线型旋流器 底流 分离 精度 中图分类 号 T HI 3 8 8 T Q 0 5 1 8 T D 9 8 文献标志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 1 0 0 0 1 Nu m e r ic al Simula t io n a nd Ex pe r ime n t a l S t u dy o n t he Se pa r a t io n Pe r f or m a n c e of Pa r a bo lic Hy dr oc y c lo n e L I U P e i k u n J I A N G L a n y u e Y A N G X in g h u a Z HA N G Y u e k a n X U Q in g z h i 1 K e y L a b o r a t o r y o f G o l d Mi n e r al i z a t i o n p r o c e s s e s a n d R e s o u r c e U t i li z a t i o n S u b o r d in a t e d t o t h e Mi n i s t ry o f L a n d a n d R e s o u r c e s Ke y L a b o r a t o r y of Me t a llo g e n ic G e o lo g ic a l P r o c e s s a n d Re s o u r c e s Ut iliz a t io n in S h a n d o n g P r o v in c e J i n a n 2 5 0 0 1 3 C h i n a 2 S h a n d o n g U n i v e r s it y of S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0 C h in a Abs t r ac t I n o r d er t o p r e v e n t t he un de r fl o w p r o d uc t o f a h y d r o c y c lo n e f r o m mix in g wit h fi n e pa r t ic le s a kind o f pa r a bo lic h y d r o c y c lo n e i s p r o p o s e d a n d d e s ig n e d T h e s i mu la t i o n s o f t wa r e F l u e n t 1 4 5 is u s e d t o s imu la t e t h e in t e r n a l fl o w fi e ld a n d s e p a r a t io n p e rf o r ma n c e of t h e t r a d it io n a l a n d p a r a b o lic h y d r o c y c lo n e t h e n t h e e x p e r ime n t al s t u d y is c a r r ie d o u t T h e s imu la t io n r e s u lt s s h o w t h a t t h e in t e r n al f lo w fi e ld o f t h e p a r a b o lic h y d r o c y c lo n e is mo r e s t a b le t h a n t h a t o f t h e t r a d it io n al o n e w h ic h e f f e c t iv e ly a v o id s t h e mix t u r e of t h e c o a r s e a n d fi n e p a r t ic le s c a u s e d b y t h e f lo w fi e ld d is t u r b a n c e F u r t h e r e x p e ri me n t a l r e s u lt s al s o d e mo n s t r a t e t h a t t h e c u mu la t iv e p e r c e n t a g e of fi n e p a r t ic le s in t h e u n d e r f lo w p r o d u c t d e c r e a s e s o b v io u s ly Mo r e o v e r t h e c u t s iz e in c r e a s e s f r o m 3 0t z m t o 4 9t z m a n d t h e s t e e p n e s s in d e x in c r e a s e s f r o m 0 1 3 t o 0 2 w h ic h p r o v e s t h a t t h e s e p a r a t io n a c c u r a c y c a n b e imp r o v e d a n d t h e fi n e p a rt ic le s mix e d in t h e u n d e r fl o w c a n b e r e d u c e d o b v io u s ly Ke y wo r d s p a r a b o lic h y d r o c y c lo n e u n d e r fl o w s e p a r a t io n a c c u r a c y 1 前言 水力旋流器是利用离心沉降原理进行分离的 设备 具有结构简单 操作方便 处理量大 分离效 率高等优点 被广泛应用于分级 脱泥 浓缩 澄清 和选别等作业 底流夹细是旋流器实际生产过程 中普遍存在的问题 不仅降低底流产物的质量 而 且会对整个生产系统造成影响 造成这一现象的 主要原 因在于 底流 口附近流场 的扰动容易使分 离后的粗细颗粒重新混杂 造成细颗粒在粗颗粒 收稿时 间 2 0 1 5 0 6 1 1 修 稿时间 2 0 1 5 0 7 0 9 基金项 目 国土资源部金矿过程与 资源利用重点实验室 山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室开放课 题 2 0 1 3 0 1 0 山东省科技发展计划项 目 2 0 1 4 G G B O 1 9 G 3 2 FLUI D MACHI NERY Vo 1 43 No 1 0 2 01 5 的卷吸作用下排出底流口 在旋流器锥段下端靠 近底流口处 由于固体颗粒的高浓度聚集 底流夹 细现象尤为明显 J 针对上述问题 D u e c k J 提出在锥段 的特定位 置以一定速度注入清水 使 已经沉降在壁面的细 颗粒 向 中心 处运动 进入 内旋流并从 溢流 口排 出 j 这种方法虽然在一定程 度上减少 了底 流 中的细颗粒 但同时也容易造成粗颗粒进入溢流 降低分离精度 安连锁等研究通过改变参数或附 加结构来提高分离粒度 减少底流 中细颗粒 的含 量 但降低了分离精度 j 因此 作者提出一种新型的抛物线型旋流器 通过改变锥段的器壁结构 增大锥段分离空间 稳 定 内部流场 从而达到降低底流 中细颗粒含量和 提高分离精度的目的 为深入 了解抛物线型旋流 器的内部流场特性和分离性能 首先利用计算流 体动力学 C F D 软件对其进行数值模拟 并与传 统旋流器进行对 比 然后搭建试验平 台 开展试验 研究 2 旋流器的结构 锥段是旋流器分离的主要区域 合理的锥段 内 壁结构形式有利于提高分离效率 墙 与传统旋 流器的直线型锥体相比 采用抛物线型式后 锥体 的内壁面更加平滑 不仅可以使流场更加稳定 而 且可以有效减小由于边界层分离引起的摩擦阻力 降低能耗 减小压降 在相同给矿压力条件下可以 得到更大的处理量 此外 抛物线型锥体分离空间 的增大 延长了颗粒在旋流器 内的停留时间 使得 颗粒在锥段下端也伴随分离过程的发生 有利于降 低底流中细颗粒的含量 提高分离精度 a 传统旋流器 b 抛物线型旋流器 图 1 旋流器结构示意 所设计 的抛物线型旋流器结构如图 1 b 所 示 与图 1 a 传统旋 流器相 比 锥体高度保持相 等 器壁结构采用 3次抛物线方程 Y 0 0 0 9 4 x l9 4 在增加旋流分离空间的同时保证几何结构 过渡平缓 锥段的大端直径 小端直径 锥高均与 传统旋 流器 锥 段 相 同 其 主 要 结 构参 数 列 于 表 1 表 1 抛物线型旋流器结构参数表 结构参数 旋流器尺寸 筒体直径 mm 5 0 矩形进 1 3 mm 2 0 9 5 溢流口直径 m m 1 5 底流 口直径 m m 8 简体高度 m m 8 5 溢流管插入深度 m m 5 0 锥体高度 m m 1 4 5 3 旋流器的数值模拟 3 1 几何 模 型和 网格 划分 利用 S o lid Wo r k s 软件 以底流 口中心为 坐标 原点 建立 b 5 0 m m传统旋流器和抛物线型旋流 器流体 域 的三维模 型 然后 导 入 I C E M C F D软 件 利用分块结构 化六 面体 网格 生成 技术分 别 对其进 行 网格 划分 如 图 2所示 传统 旋流 器 共 9 2 8 7 2个网格单元 抛物线型旋流器共 8 5 3 7 7 个网格单元 a 传统型旋流器 b 抛物线型旋流器 图2 旋流器计算域网格划分 3 2边界条件和求解器设置 为对 比分 析 2种 旋流器 的分离性 能 采 用 F lu e n t 1 4 5对其进行 固一 液两相模拟计算 选 用 M i x tu r e 混合模型 湍流模型选用雷诺应力模型 4 FL UI D MACHI NERY Vo 1 43 No 1 0 2 01 5 可 以增大处理量 4 2 切 向速 度分布 对 比 在旋流器 内的流体运动中 切 向速度是两相 分离的主要动力 图6 为 2 种旋流器在不同横截 面上的切 向速度对 比 可 以看 出 二者 的分布形 式相 同 对称性较好 均是以半径为中心呈 M 分 布 从 中心轴沿半径向器壁方向 切向速度先急剧 增大 当达到最大值 点后随半径继续增大切 向速 度减小 在壁面处切向速度减小到零 1 4 曼 餐7 遥 0 吕 一 厘 尽 l4 O 一 20 0 20 半 径 mm a z 5 0 mm 25 0 2 5 半径 mm b z 7 5 mm 图 6 传统型锥体和抛物线型锥体 不 同截面切 向速度对 比 以z 5 0 m m 7 5 m m截面为例 二者的最大 切向速度径 向位置基本相 同 而抛物线型旋流器 的最大切向速度值略有降低 可以避免细颗粒在 高速离心力场作用下 向壁 面运动而混入外旋流 当切向速度随半径增大达到最大值后 抛物线型 旋流器内部流体的切向速度缓慢降低 表 明锥段 器壁结构的改变使得旋流器锥段的流场更加稳 定 可以避免因流场紊乱造成的已分离粗细颗粒 重新混杂 从而有效减少底流夹细 4 3 轴 向速 度分 布对 比 轴 向速度影响流体在旋流器内的停 留时间 在旋流器内部各截面轴向速度为零的点连接构成 了零速包络面 以零速包络面为分界面 界面以内 的液体向上流动形成内旋流 而界面以外的液体 向下流动形成外旋流 图 7为 2种旋流器在不同横截面处的轴向速 度对 比 可以看出抛物线型旋流器零速包络面外 移 使细颗粒更容易进入内旋流 以 7 5 m m 1 0 0 m m截面为例 抛物线型锥体外旋流的轴向 速度较传统型锥体有所降低 延长了外旋流在旋 流器内的停留时间 可以使颗粒分离的更加彻底 而内旋流速度 的提高 可以使经过分离 的细颗粒 快速流向溢流管 减少再次混入底流的可能 从而 提高分离精度 g 1 5 匠 暴 昌 一 厘 辞 一20 O 20 半径 mm a Z 7 5 mm 一 2 5 O 2 5 半 径 mm 图7 传统型锥体和抛物线型锥体 不同截面轴向速度对比 4 4细颗粒 分布 对 比 颗粒在旋流器内部的分布能间接反映出旋流 器的分离性能 根据所加入物料的粒度分布 选择 1 0 1x m和 2 0 m 颗 粒作 为 特征 细颗 粒 小 于 2 5 I L m 进行分析 对 比两种旋流器底流夹细的 情况 图8为传统旋流器和抛物线型旋流器内轴截 面 1 0 1x m和 2 0 1 m颗粒 的体积分 布云图 可 以看 出1 0 1 m颗粒主要集中在旋流器的锥段中部 抛 物线型旋流器内 1 0 1x m颗粒在锥段 内分布 区域更 2 0 1 5年第 4 3卷第 1 0期 流体机械 5 大 且靠近溢流管方 向 使 1 0 1 m颗粒更容易进入 溢流 2 0 m颗粒 主要集 中在 旋流器锥段底 端 结合轴 向速度分析 抛物线型旋 流器外旋流轴 向 2 2 2 e 0 l 33 P 一 02 薰 速度减小 零速包络面外移 减少 了 2 0 1 x m颗粒进 入底流的可能 3 4 5 e 0 2 4 2 e 一0 2 0 7 e 0 2 7 3 一 02 3 8e 一 02 0 4e 02 9 0P 一 03 45 e 一 03 0 0 0 0 传统犁 抛物线型 传统型 抛物线 a 1 0 1 m颗粒 b 2 O l a m颗粒 图 8 2种旋流器内轴截面 1 0 1 L m和2 0 1a m颗粒体积分布云图 图 9为2种旋流器底流管内 1 5 m m截面 l0 m和 2 0 1 x m颗粒体积分数对 比 可以看 出由于 底流 口附近流场的扰动 颗粒的体积分布并不是沿 一 一 捡 1 0 5 试 验研 究 一5 o 5 半 mi l 1 a 1 O I t m颗粒 中心对称 的 抛物线 型旋流器底流管 内 1 0 1a m和 2 0 1a m颗粒的体积分数明显小于传统旋流器 进入 底流管的细颗粒明显减少 有效减少底流夹细 一 一 一 5 0 5 半径 Il lm h 2 0 V a n 颗 粒 9 2种旋流器底流管内 z 1 5 ram截面 1 0 1 t m和 2 0 1a m颗粒体积分数对比 以石英砂 为原料 对 4 5 0 m m抛 物线 型旋 流 器和 4 5 0 m m传统旋 流器进行分离性 能试验 其 结构参数见表 1 试验给料浓 度为 1 5 人 口压 力为0 1 6 M P a 颗粒密度为 2 6 5 0 k g I n 试验结果 表3 相同给料压力下 抛物线型旋流器较传 统旋流器溢流浓度升 高 1 3 1 l 底流浓度基本 不变 底 流产 率降 低 3 1 1 2 处 理 量 增 大 6 7 2 分股 比 底流 与溢流体积流量之 比 减少 3 3 3 3 表 3 旋流器试 验结果对 比 产物浓度 底流产 处理量 旋流器 分股比 溢流 底流 率 i n h 传统 lO 3 7 5 9 8 0 3 4 2 2 3 8 7 o 0 6 9 旋流器 抛 物线型 I 1 7 3 5 8 9 8 2 3 5 7 4 1 3 0 0 4 6 旋流器 用激光粒度仪 B I 9 3 0 0 一 S检测产物粒度组成 如图 1 0所示 与传统旋 流器相 比 抛物线型旋流 器底流中 一1 0 1 z m颗粒的含量从 1 2 6 9 减小到 1 0 6 3 一2 0 1x m颗 粒 的含量从 2 6 6 减 小到 21 7 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 6 3 0 4 0 囊 鲨蠢嚣 6 FL UI D MACHI NERY Vo 1 4 3 No 1 0 2 01 5 一 一 抽 0 o o 8 7 5 1 75 0 粒径 m 图1 O 给料及产物粒度分布 由物料平衡计算各粒级分配率并绘制级效率 曲线 如图1 1 所示 可以看出 传统旋流器 d 5 3 0 l x m 抛物线型旋流器分离粒度 d 5 4 9 p m 分 离粒度增大 与传统旋流器相 比 抛物线型旋流 器底流中 1 0 m颗粒的回收率从 1 6 6 8 减小到 8 7 9 2 0 p m颗 粒的 回收率从 3 8 2 2 减 小到 2 4 o 9 有效地减少了底流中细颗粒的含量 试 验结果与模拟结果吻合 1 0 0 一 渗 一 褂5 O 赣 0 0 87 5 l7 5 0 粒径 z m 1 图 1 1 级效率 曲线 旋流器的分离精度通常用级效率 曲线的陡度 指数5 表示 9 其表达式为 S I 3 2 5 式中d 效率 曲线上极效率 2 5 对应的颗 粒粒径 m d 效率曲线上极效率 7 5 对应的颗 粒粒径 m 查图 ll 级效率曲线可知 传统旋流器 d 9 0 t x m d 2 5 1 2 m 抛物线型旋流器 d 7 5 1 0 5 i x m d 2 1 Ix m 可得传统旋流器分离特性曲线陡度 指数 S 0 1 3 抛物线 型旋流器分离特性曲线 陡 度指数 S O 2 由此可知抛物线型旋流器的分离 精度得到提高 6结论 1 抛物线型旋流器的切 向速度最大值略有 降低 但切向速度分布曲线更加平缓 流场趋于稳 定 有效避免了因流场紊乱造成已分离的粗 细颗 粒重新混杂 抛物线型旋流器的外旋流轴 向速度 降低 停 留时间长 分离精度高 内旋流轴 向速度 提高 分离后的细颗粒可以快速从溢流管排出 2 相同工况下 抛物线型旋流器较传统旋 流器溢流浓度升高 1 3 1 1 底流浓度基本不变 底流产率降低 3 1 1 2 处理量增大 6 7 2 分股 比减少 3 3 3 3 分离粒度增大 分离精度提高 3 模拟结果和试 验结 果吻合 均表明底流 中细颗粒含量明显减少 结构 的改进有效减少底 流夹细 参考文献 1 张悦刊 刘培坤 杨兴华 等 基于 C F D的泥浆净化 旋流器湍流流场数值模拟 J 流体机械 2 0 1 4 4 2 6 2 6 3 2 2 Y u e k a n Z h a n g P e i k n n L i u L i n j i n g X i a o e t a 1 N u me r i c a l s imu la t io n o f a h y d r o c y c lo n e wit h d if f e r e n t d ia me t e r s o f v o r t e x fi n d e r J E n e r g y E d u c a t i o n S c i e n c e a n d Te c h no lo gy P a r t A Ene g y