張賢彬 楊德武 鹿 野

(1. 大連歐科力德環(huán)境技術(shù)有限公司；2. 沈陽化工大學(xué)機械工程學(xué)院)

符號說明

n——坐標點上激光捕捉的粒子數(shù)，個；

r——示蹤粒子所在之處的回轉(zhuǎn)半徑，其取值范圍R1

R1——過濾介質(zhì)內(nèi)圓筒外半徑，m；

R2——外圓筒內(nèi)半徑，m；

t——時間，s；

μ——液體的動力粘度，Pa·s；

ρ——液體的密度，kg/m3；

τ——切應(yīng)力，N。

濾清器被廣泛地應(yīng)用在各個工業(yè)領(lǐng)域中。近年來，學(xué)者們開始研究各類濾清器，如汽車空氣濾清器濾芯用過濾材料在使用前后的結(jié)構(gòu)變化和雜質(zhì)顆粒對其性能的影響[1]；改變?yōu)V清器中濾紙的形狀和疊放方式來提高濾清器的過濾精度等[2，3]。目前所使用的濾清器都是僅靠過濾介質(zhì)進行過濾的，因此，易形成濾餅，致使過濾速度衰減，從而降低濾清器的使用壽命。

水力旋流器靠壓力或重力由殼體上部沿切線進入，在離心力作用下，粗重顆粒物質(zhì)被拋向器壁并旋轉(zhuǎn)向下和所形成的濃液同時排出[4]；較小的顆粒物質(zhì)旋轉(zhuǎn)到一定程度后隨二次上旋渦流排出。隨著水力旋流器在工程實踐中的廣泛應(yīng)用，旋流器的流動狀態(tài)被重視，流場理論也被逐漸提出[5，6]，有研究證明，湍流作用對水力旋流器顆粒運動行為有一定影響，且影響作用也相當復(fù)雜[7]，但是其過濾精度并不高。

筆者針對濾清器和水力旋流器的缺陷，設(shè)計了旋流濾清器，利用LDA(Laser Doppler Anemometer)測定旋流濾清器內(nèi)的湍流特性分布情況。

1 旋流濾清器的結(jié)構(gòu)和工作原理

為解決目前濾清器中存在的各種技術(shù)問題和不足，筆者設(shè)計制造出具有旋流特性的新型濾清器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

旋流濾清器的工作原理是：帶壓懸浮液切向進入由外筒體和過濾介質(zhì)內(nèi)筒組成的旋流濾清分離室，形成高速旋轉(zhuǎn)流，其中密度大于液體的雜質(zhì)顆粒(重相雜質(zhì))被旋轉(zhuǎn)分離到外筒體內(nèi)壁處；液體和密度小于等于液體的雜質(zhì)(輕相雜質(zhì))向過濾介質(zhì)內(nèi)筒體處移動，而輕相雜質(zhì)被過濾介質(zhì)內(nèi)筒體截留，液體通過過濾介質(zhì)內(nèi)筒體，實現(xiàn)澄清過濾分離；被截留在過濾介質(zhì)內(nèi)筒體表面的雜質(zhì)受旋流剪切力的作用脫落，并在軸向流的推動下，運動到排渣口。其中重相雜質(zhì)脫落外筒體的錐體部位處，在重力作用下流到排渣閥處，達到一定高度的輕、重相雜質(zhì)自動排出。根據(jù)需要改變懸浮液的進料壓力等條件可實現(xiàn)各種懸浮液的有效澄清過濾分離。

圖1 旋流濾清器的結(jié)構(gòu)簡圖

2 流場測試及方法

旋流濾清器流場測試裝置簡圖如圖2所示。實驗介質(zhì)為水，示蹤粒子為丹麥DANTEC公司生產(chǎn)的平均粒徑30μm的中空玻璃珠。實驗采用旋流濾清器(外圓筒半徑為45mm，過濾介質(zhì)內(nèi)筒半徑為30mm，通過進口的介質(zhì)在內(nèi)、外筒之間的環(huán)形分離室內(nèi)旋流)，測量高度40mm，進料流量為0.04kg/s。

圖2 旋流濾清器流場測試裝置簡圖

選用孔徑為10μm 的剛性過濾介質(zhì)，在壓力為0.10、0.14、0.16MPa 3種工況下對旋流濾清器旋流濾清分離室內(nèi)的流場進行測試。

為了能較好地反映旋流濾清器中的三維流場，必須對旋流濾清器的一個截面進行測定，如圖3所示，設(shè)置d點為測量原點，測定瞬時速度沿x、y和z方向的變化，3個陰影面為旋流濾清器的子午面。子午面能最大限度地反映旋流分離室的徑向速度、軸向速度和切向速度，把3個子午面結(jié)合起來分析，就能近似得到整個旋流濾清分離室的流場。

圖3 旋流濾清器流場測試子午截面示意圖

3 實驗結(jié)果及討論

湍流運動時，空間給定點上的瞬時速度隨時間不斷變化，瞬時速度由時均速度和脈動速度組成[4]。為了分析旋流濾清器內(nèi)的湍動規(guī)律，對從實驗測得瞬時速度u、v、w進行分析計算的公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

公式(1)～(4)從不同角度反應(yīng)了流點的湍動情況。使用LDA測出的瞬時速度-時間序列計算公式為：

(5)

(6)

當用時間平均的概念來處理湍流流動時，切應(yīng)力應(yīng)該由兩部分組成，即牛頓粘滯切應(yīng)力和湍流附加切應(yīng)力[5]，即：

(7)

在湍流狀態(tài)下，當Re很大時，由于流體質(zhì)點的混摻強烈，動量交換也很強烈，所以式(7)的第二項就急劇增大，從而可以忽略粘滯切應(yīng)力，即該點的切應(yīng)力就可以用湍流附加切應(yīng)力來表示。

3.1 瞬時速度的時間序列

圖4 瞬時速度時間序列

3.2 脈動速度的分布

從圖5a可以看出，x向的脈動速度沿著半徑的增大先增大再減小，然后在較長的一段距離保持穩(wěn)定，最后再增大，在不同的截面，其變化趨勢大體相似，靠近過濾介質(zhì)的一側(cè)，在濾清器的上、下方位置，脈動速度最小；在其中間位置，x向的脈動速度達到最大，則在濾清器內(nèi)靠近過濾介質(zhì)的中間位置速度脈動最強烈。圖5b為y向脈動速度在半徑上的變化分布，可以看出，y向脈動隨半徑的增大而增大，近似呈拋物線分布，隨著高度的增加，y向脈動速度反而減小。圖5c為z向脈動速度在半徑上的分布圖，可以看出，z向脈動速度隨著半徑的增大先增大后減小然后再增大，并隨高度的增加而減小。

圖5 三向脈動速度沿半徑方向的分布

對比圖5a、b、c可以看出，三向脈動速度的變化趨勢不盡相同。在x向上，脈動速度不單調(diào)外，其余兩個方向近似單調(diào)遞增，則可以證實在x向上脈動速度變化復(fù)雜。而又從式(7)可以看出，x向脈動速度的存在是在過濾介質(zhì)表面產(chǎn)生切應(yīng)力的一個重要因素之一，這將對保持過濾速度的恒定具有重要的意義。在y向上，靠近過濾介質(zhì)的附近也存在脈動速度，這對過濾將是有益的。

3.3 湍動度的分布

圖6a為x向(即切向)湍動度在半徑上的分布，它反映了x方向上的流點的湍流變化，在靠近過濾介質(zhì)時，湍動度最大，而湍動度越大，則在該位置越不容易形成濾餅，減小對過濾介質(zhì)孔隙的堵塞，從而保證了過濾速度不衰減；圖6b為y向湍動度沿半徑的變化規(guī)律，由圖6b可以看出，y向湍動度在靠近過濾介質(zhì)時湍動度較x向湍動度小，這是由于過濾介質(zhì)的滲透作用，在過濾介質(zhì)兩側(cè)壓差的作用下，液體向過濾介質(zhì)內(nèi)部運動所致，而本旋流濾清器采用的是燒結(jié)金屬的過濾介質(zhì)，過濾介質(zhì)中有的孔隙是盲孔，導(dǎo)致液體在此孔隙不能通過，液體在盲孔的阻擋作用下，與盲孔發(fā)生碰撞向后運動，而后面的液體又向前運動，此時兩個方向運動的液體發(fā)生動量交換，產(chǎn)生較大的湍動度，有的孔隙是通孔，液體與孔壁發(fā)生碰撞引起液體的動量發(fā)生變化，進而引起過濾介質(zhì)表面液體的動量發(fā)生變化，但是它的變化量小，大部分液體還是透過通孔，達到過濾的目的，因此在靠近過濾介質(zhì)時，不同截面的y向湍動度不同；圖6c為z向湍動度沿半徑的分布，從圖6c可以看出，在靠近過濾介質(zhì)時，z向的湍動度比其他兩向小，其主要原因是液體在z向動量交換較少，而在靠近旋流濾清器的外圓筒的內(nèi)壁的湍動能達到最大，這主要是因為液體進入旋流室后進行自旋轉(zhuǎn)，示蹤粒子受到液體自旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下，向器壁運動，并以螺旋流的形式向下運動，故在靠近器壁的湍動度最大。

圖6 三向湍動度沿半徑方向的分布

3.4 Re對脈動速度和湍動度的影響

圖7 脈動速度和湍動度隨Re的分布

3.5 切應(yīng)力的分布

圖8為切應(yīng)力沿半徑的分布圖，由圖8可以看出，切應(yīng)力隨半徑的增大先減小后增大。在靠近過濾介質(zhì)時，切應(yīng)力逐漸增大，因此在過濾介質(zhì)有切應(yīng)力的存在，濾餅在過濾介質(zhì)的表面就不容易形成，從而保證了懸浮液的過濾速度不衰減。

圖8 切應(yīng)力沿半徑方向的分布

4 結(jié)束語

介紹了一種懸浮液能自旋轉(zhuǎn)的新型濾清器。在旋流室中，靠近過濾介質(zhì)存在脈動速度，這種脈動速度能產(chǎn)生切應(yīng)力，降低了濾餅在過濾介質(zhì)表面存在的機會，可以使過濾速度不衰減，延長了旋流濾清器的使用壽命。整個流場內(nèi)，靠近過濾介質(zhì)側(cè)的湍動度高，在這些區(qū)域，流體質(zhì)點之間動量不斷地發(fā)生相互交換，可以有效地減少濾餅的形成，對過濾速度的恒定起到了強化作用。改變液體的雷諾數(shù)可以有效地改變旋流濾清器的湍動狀態(tài)。在過濾介質(zhì)一側(cè)，具有較大的切應(yīng)力，它是對減少濾餅存在，保證過濾速度恒定的首要條件。

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