水力旋流器数值模拟与CFD分析论文

1、水力旋流器数值模拟与CFD分析【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。由于其具有结构紧凑，成本低，处理量大和分离效率高等优点，因而 其在固液分离领域的应用越来越受到关注。本文针对水处理中除砂的固液分离用 的水力旋流器，利用计算流体动力学（CFD）商业软件FLUENT对其进行了数值模拟研究。关键词：水力旋流器；FLUENT；数值模拟【Abstract Hydrocyclone is a kind of equipment which can use the liquid pressure to Great revolving moveme

2、nt and can be ued for separating two-phase or mufti-phase material that has different density. separating is much less. Because of its advantages such as compact structure, low price, high production capacity and high efficiency and so on, its application on solid-liquid separating is being paid mor

3、e and more attention.This paper did die numerical simulation research on solid-liquid hydrocyclonefor eliminating sand, using FLUENT 6.1.22, the business of CFD.Keywords:hydrocyclone； FLUENT； numerical simulation由于水力旋流器在越来越多的行业和领域展示着它越来越广泛的应用前景， 因此人们对水力旋流器的研究工作一直没有停止过。对水力旋流器的研究方法主 要有：数学方法、试验方法、数值模拟方

4、法。水力旋流器的分离能力与能量消耗 是这种分离设备的两个重要性能，而旋流器内所形成的流场正是旋流器结构，分 离能力，能量消耗等因素综合作用的结果。本文的具体研究内容如下：（1）探讨 选择合适的水力旋流器建模方法；（2）对现有的湍流模型进行分析并选择；（3） 利用CFD软件对水力旋流器的数值模拟。1旋转流动的基本方程P+dP图1-1旋转流运动微元体在旋转流体的分选设备中，流体服从同一旋转运动的微分方程（图1-1）。(1.1)在绕垂直轴旋转运动流中，在半径r点处取一长方形流管，其宽为dr,厚为 dz,在平面z上，当质量力只有重力时，沿半径r的流线上可应用不可压缩流体 定长流动的贝努利方程，如下：(

5、1.1)式中：H总压头；z势压头；p半径r处的压力；P流体密度；% 半径r处切向速度；g重力加速度。g将式(1.1)对半径r微分后，得dH1 dp % d %drp g drg dr(1.2)H = z 3 + 4P g 2 g由式(1.2)可以看出，在旋转流体中沿着径向的总压头的变化率，是与径 向的压力和速度变化率有直接关系的。2旋流器CFD建模2.1旋流器的开口进口：查资料推荐的 工业用旋流器的最佳 进料口的当量直径de= (0.15-0.25)D，有文献指出矩形进料口比圆形进料口更有助于进料眼旋流器扩 展。在这里取矩形进口 80mmX40mm。溢流口：溢流口直径应稍大于进料口的直径，推荐

6、的工业用旋流器的 最佳溢流管内径De= (0.2-0.3) D，而用于分离的旋流器最佳溢流口直径为De=0.34D。在这里取 De=85mm。底流口：底流口直径与溢流口直径 之比一般在0.15-1的范围内。这里取B=60mm。2.2其他结构参数旋流器柱体段的长度h=300mm，插入深度 S=100mm，旋流器锥角a =15 (旋流器锥角如果过大会使分离效率降低，所以锥角不宜过大）。因此，本文的模拟结构参数选择如简图3-1所示，其中主要几何参数如下:a=40,b=80,De=85S=100,D=250, B=60，H=721, h=300，为更符合实际工况，底流口延长一平行直管段，长度为50mm

7、。图2-1旋流器几何结构图2.3用Gambit建立水力旋流器模型（1）建立圆柱段（2）创建溢流管壁（3）将溢流管壁移动到圆柱段顶部（4）将管壁与圆柱体合并为一体（5）创建入流口（6）创建圆锥体（7）将所有体合并为一体同（4），选择所有要合并的体，点击Apply。4划分网格在生成几何模型后，接着要进行网格的划分。 划分网格的过程总体上是自动完成的，但之前需要 输入一些生成网格所需要的相关参数。图2-5 划分网格对旋流器的网格划分，划分出了 145861个网 格。其网格划分如图2-6所示。2.5设定边界类型在生成几何模型并完成网格划分后，还需要说 明各个边界的类型，同时还要指定各个区域的类型。V*

8、v U&I&lB SilltinVELOCITYdilluPRESSUREyjlluPRESSUREV*v U&I&lB SilltinVELOCITYdilluPRESSUREyjlluPRESSURE冏J Show labels J Show colonName:图2-4网格模型现将定义的各个面名称列出：入流口 CELOCITY-INLET ；溢流口 PRESSURE-OUTLET；底流口 PRESSURE-OUTLET；注意GAMBIT注意GAMBIT对于没有定义的面，统统定义为固壁边界（WALL）。开始迭代求解在迭代310次后计算收敛，敛差曲线如图2-6所示uju.i-stressk-

9、04Residuals coritinuity x-velucrty i.r-VHlucrty z-velocity nergyk+04 -=k+02 dk+QOuju.i-stressk-04Residuals coritinuity x-velucrty i.r-VHlucrty z-velocity nergyk+04 -=k+02 dk+QOk-03k-06 日k-08 4IterationsJun 38,3007rLUEFTT 6.0 (3d,mirturc, ES虬Scaled 如航duM (Timc=.0000c-01)图2-6敛差曲线图3模拟结果及其数值分析3.1简化与假设为简

10、化求解过程，在建立多相流动数学模型之前，根据水力旋流器内液相及 分散相颗粒相流动的实际情况对其做了一定的简化和假设，即：颗粒为密度恒定的球形颗粒，在运动过程中无破碎、变形等现象。水力旋流器入口液体流速均匀，颗粒进口速度等于液相的流速，且均匀分 布于入口。由于颗粒相体积分数小于10%，所以颗粒相可以视作稀分散相，认为颗粒 间无碰撞。温度恒定，不考虑能量传递。3.2旋流器内流场压力分析在FLEUNT里，关 于压力有静压(Static Pressure)和动压 (Dynamic Pressure)、相对压力(Reletive Pressure)和绝对压力(Abslute Pressure)以及 总压

11、力(Total Pressure)之分。它们之间的相互关系为：静压可以理解为就是液体水头压力，如果是静止液体就是由于液体本身的重力而产生的压力，和液体密 度和液面深度有关。即：p = P gx式中，p一液体密度，一重力加速度，p = P gx式中，p一液体密度，一重力加速度，液面深度。x动压是和液体运动有关的其定义如下:1=_ 1=_ P u22 力，式中，p 液体动压Pd式中，u为液体运动的速度。相对压力和绝对压力是指静压相对于大气压而言的，液体的静压加上当地大 气压即为液体的绝对压力。总压即为所有压力之和，就是绝对压力和动压之和，有时总压也称为表头压 力，就是压力表所测得的压力。在本文的计

12、算中，为了计算和讨论方便在溢流口和底流口两个出口处均设定 相对压力为零，所以这里的静压在数值上等于绝对压力。下面以静压为例来说明 问题。图3-1 YZ平面静压图从图3-1和3-2上可以看出同一平面上，压力都是沿着半径的减小而减小， 压力分布轴对称性较好，外旋流压强较高，内旋流压强较低，压力沿轴向变化很 小，同一半径上压力几乎相等说明轴向压力梯度几乎为零。空气柱是水力旋流器 的一种特有的现象，凡是底流口敞开的旋流器在正常工作的时候都要出现空气 柱，以全有些人甚至认为空气柱是维持旋流器正常工作的一个必有条件。其实空 气柱是旋流器流场在特定条件下的一个产物，研究表明空气柱的产生必须同时具 备以下两个

13、条件：其一是流场必须和大气连通；其二是切线速度（或供液压力） 必须达到一定值，二者缺一不可。前者保证空气的来源，后者提供空气进入流场 的动力。图3-2Z=20图3-2Z=20的横截面压力图n, C常数，与工况及旋流器内轴向位 置有关；式中为C为常数，与旋流器操作条件及结构参数 有关；n为指数，其数值一般在0.45-0.9之间。虽然Bradley M本人曾认为从流 体动力学角度很难对4.3式予以解释，但该式确能很好的拟合实验数据，因而现 己成为水力旋流器准自由涡区液流切向速度的经典表达式。本文采用数值模拟的方法，给出了切向速度的分布，如图4-4,可知模拟结 果与实测结果（图3-3）基本相同。由图

14、3-3可以看出切向速度的轴对称性较好，图3-3相关学者实测切向速度分布 图其分布曲线的“驼峰”形分布，即每侧都存在一个最大切向速度点。切向速 度随着径向距离的增加而增大。在溢流管之下，最大切向速度的位置是稳定的， 与轴向位置无关，这与Kelsall的实测结论基本相同。结4.663e+0003.1.554e+000结4.663e+0003.1.554e+000-6.217e40Q0一 0 .本文在水力旋流器理论基础之上应用CFD专业软件通过合理的建模和设定 边界条件，实现了水力旋流器内流场的模拟。主要研究结果成果如下：（1）定性的验证了模拟结果的合理性和可靠性，展示了用CFD软件来研究 旋流器流

15、场的优越性，为研究水力旋流器提供了一种简洁高效的研究方法；（2） 通过模拟，验证了选择Reynolds应力方程模型（RSM）的正确性；（3）模拟结果表明，本文所选择的建模方法的可行性，可供他人研究水力 旋流器时参考借鉴，也为深入研究奠定了基础。【参考文献】褚良银，陈文梅，戴光清等.水力旋流器M.北京：化学工业出版社，1998黄枢，水力旋流器的理论基础与应用(上)J，金属矿山，1984,(12)： 56-61褚良银，固液分离用水力旋流器的设计，东北大学徐继润，罗茜，.水力旋流器流场理论M。北京科学出版社：1998.1-2郭烈锦，两相与多相流动力学M.西安：西安交通大学出版社，2002佟庆理，两相流动的理论基础，北京：冶金工业出版社，1982刘大有，二相流体动力学，北京：高等教育出版社，1993, 9Fluent Inc.,FLUENT Uer Defined Function Manual.Fluent Inc.,2003Fluent Inc.,GAMBIT Modeling Guide. Fluent Inc.,