張鵬

摘 要：利用計(jì)算流體力學(xué)分析的軟件對(duì)重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行研究和分析。通過對(duì)切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進(jìn)行模擬、分析，為進(jìn)行小直徑重介質(zhì)旋流器的試驗(yàn)研究作了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：旋流器；模型；數(shù)值模擬；流場

中圖分類號(hào)：TD455+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質(zhì)旋流器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)分選性能的影響很大，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可有效提高重介質(zhì)旋流器的分選效率。影響重介質(zhì)旋流器分選性能的結(jié)構(gòu)因素很多，但是，由于試驗(yàn)條件的限制和試驗(yàn)誤差的存在，通過實(shí)際試驗(yàn)研究對(duì)旋流器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，不但費(fèi)用昂貴，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。輔助以理論分析、計(jì)算和流場模擬等方法來研究旋流器內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗(yàn)費(fèi)用，并獲取更完整的重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和其他相關(guān)信息。

1 數(shù)值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計(jì)算流體學(xué)分析的商業(yè)軟件包，國內(nèi)常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對(duì)旋流器內(nèi)流場進(jìn)行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內(nèi)對(duì)旋流器的數(shù)值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，模擬結(jié)果為：切向速度由內(nèi)向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，切向速度的雙渦結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出了旋流器內(nèi)部流場是由內(nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦與外部準(zhǔn)自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內(nèi)外螺旋的方向是一致的。以最大速度點(diǎn)為界，速度場分為內(nèi)旋流區(qū)和外旋流區(qū)兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結(jié)構(gòu)，但是卻夸大了準(zhǔn)強(qiáng)制渦的范圍，而且各個(gè)截面上的最大切向速度值點(diǎn)所在的位置不一致。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是網(wǎng)格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關(guān)系。旋流器的切向速度分布呈現(xiàn)出典型的Rankine組合渦形態(tài)。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，3個(gè)截面均是靠錐段上部區(qū)域。從模擬結(jié)果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數(shù)值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡(luò)面（LZVV）附近有一個(gè)低速區(qū)，這是因?yàn)橛虚]環(huán)渦流存在。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的固相顆粒只能沿徑向向中心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入內(nèi)旋流，而不能運(yùn)動(dòng)到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區(qū)是個(gè)“低效區(qū)”，進(jìn)入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時(shí)，它又能靠離心力進(jìn)入待分離懸浮流進(jìn)行再次分離。但這些有待于作進(jìn)一步的研究，只有研究后才能知道這個(gè)“低效區(qū)”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據(jù)前面的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進(jìn)行單相模擬數(shù)值計(jì)算，結(jié)果詳.其中，在實(shí)測(cè)值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計(jì)算所得，模擬值中入料口速度為設(shè)置值。

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，清水運(yùn)行結(jié)果、帶介運(yùn)行結(jié)果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數(shù)值模擬過程中各種科學(xué)假設(shè)和試驗(yàn)誤差造成的。所以，在對(duì)旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測(cè)設(shè)備和方法，以減小試驗(yàn)誤差，并得到更為真實(shí)的模擬設(shè)置值；另一方面，在數(shù)值模擬中，有待使用更加合理的科學(xué)假說和更精確的流態(tài)模型來進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié)論

應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)小直徑重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場、壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流器流場的精確模擬。盡管目前數(shù)值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計(jì)算值還存在相當(dāng)大的偏差，但是，對(duì)旋流器性能的研究還是要通過試驗(yàn)獲得相關(guān)信息的。計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬為旋流器的研究、發(fā)展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數(shù)值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻(xiàn)。

〔編輯：白潔〕

摘 要：利用計(jì)算流體力學(xué)分析的軟件對(duì)重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行研究和分析。通過對(duì)切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進(jìn)行模擬、分析，為進(jìn)行小直徑重介質(zhì)旋流器的試驗(yàn)研究作了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：旋流器；模型；數(shù)值模擬；流場

中圖分類號(hào)：TD455+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質(zhì)旋流器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)分選性能的影響很大，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可有效提高重介質(zhì)旋流器的分選效率。影響重介質(zhì)旋流器分選性能的結(jié)構(gòu)因素很多，但是，由于試驗(yàn)條件的限制和試驗(yàn)誤差的存在，通過實(shí)際試驗(yàn)研究對(duì)旋流器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，不但費(fèi)用昂貴，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。輔助以理論分析、計(jì)算和流場模擬等方法來研究旋流器內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗(yàn)費(fèi)用，并獲取更完整的重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和其他相關(guān)信息。

1 數(shù)值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計(jì)算流體學(xué)分析的商業(yè)軟件包，國內(nèi)常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對(duì)旋流器內(nèi)流場進(jìn)行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內(nèi)對(duì)旋流器的數(shù)值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，模擬結(jié)果為：切向速度由內(nèi)向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，切向速度的雙渦結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出了旋流器內(nèi)部流場是由內(nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦與外部準(zhǔn)自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內(nèi)外螺旋的方向是一致的。以最大速度點(diǎn)為界，速度場分為內(nèi)旋流區(qū)和外旋流區(qū)兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結(jié)構(gòu)，但是卻夸大了準(zhǔn)強(qiáng)制渦的范圍，而且各個(gè)截面上的最大切向速度值點(diǎn)所在的位置不一致。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是網(wǎng)格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關(guān)系。旋流器的切向速度分布呈現(xiàn)出典型的Rankine組合渦形態(tài)。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，3個(gè)截面均是靠錐段上部區(qū)域。從模擬結(jié)果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數(shù)值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡(luò)面（LZVV）附近有一個(gè)低速區(qū)，這是因?yàn)橛虚]環(huán)渦流存在。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的固相顆粒只能沿徑向向中心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入內(nèi)旋流，而不能運(yùn)動(dòng)到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區(qū)是個(gè)“低效區(qū)”，進(jìn)入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時(shí)，它又能靠離心力進(jìn)入待分離懸浮流進(jìn)行再次分離。但這些有待于作進(jìn)一步的研究，只有研究后才能知道這個(gè)“低效區(qū)”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據(jù)前面的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進(jìn)行單相模擬數(shù)值計(jì)算，結(jié)果詳.其中，在實(shí)測(cè)值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計(jì)算所得，模擬值中入料口速度為設(shè)置值。

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，清水運(yùn)行結(jié)果、帶介運(yùn)行結(jié)果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數(shù)值模擬過程中各種科學(xué)假設(shè)和試驗(yàn)誤差造成的。所以，在對(duì)旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測(cè)設(shè)備和方法，以減小試驗(yàn)誤差，并得到更為真實(shí)的模擬設(shè)置值；另一方面，在數(shù)值模擬中，有待使用更加合理的科學(xué)假說和更精確的流態(tài)模型來進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié)論

應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)小直徑重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場、壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流器流場的精確模擬。盡管目前數(shù)值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計(jì)算值還存在相當(dāng)大的偏差，但是，對(duì)旋流器性能的研究還是要通過試驗(yàn)獲得相關(guān)信息的。計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬為旋流器的研究、發(fā)展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數(shù)值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻(xiàn)。

〔編輯：白潔〕

摘 要：利用計(jì)算流體力學(xué)分析的軟件對(duì)重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行研究和分析。通過對(duì)切向和軸向速度分量、壓力分布特性和流量進(jìn)行模擬、分析，為進(jìn)行小直徑重介質(zhì)旋流器的試驗(yàn)研究作了有益的嘗試。

關(guān)鍵詞：旋流器；模型；數(shù)值模擬；流場

中圖分類號(hào)：TD455+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）11-0064-01

重介質(zhì)旋流器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)分選性能的影響很大，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化可有效提高重介質(zhì)旋流器的分選效率。影響重介質(zhì)旋流器分選性能的結(jié)構(gòu)因素很多，但是，由于試驗(yàn)條件的限制和試驗(yàn)誤差的存在，通過實(shí)際試驗(yàn)研究對(duì)旋流器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，不但費(fèi)用昂貴，而且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。輔助以理論分析、計(jì)算和流場模擬等方法來研究旋流器內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)分離性能和壓力特性的影響等，可以極大地縮短研究周期和試驗(yàn)費(fèi)用，并獲取更完整的重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和其他相關(guān)信息。

1 數(shù)值模擬前期條件

1.1 模擬軟件

目前，全世界大約有30多種計(jì)算流體學(xué)分析的商業(yè)軟件包，國內(nèi)常用的有FLUENT、CFX、ANSYS軟件等。在工程模擬中，較常用的是FLUENT軟件。本文采用FLUENT6.3軟件對(duì)旋流器內(nèi)流場進(jìn)行模擬。

1.2 湍流模型選型

國內(nèi)對(duì)旋流器的數(shù)值模擬研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分為標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。綜合之前的研究情況，本文采用大漩渦模擬（LES）。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，模擬結(jié)果為：切向速度由內(nèi)向外先迅速增大，然后又減小。在切向速度分布中出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，切向速度的雙渦結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出了旋流器內(nèi)部流場是由內(nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦與外部準(zhǔn)自由渦組成的組合渦。切向速度方向的一致性證明了旋流器內(nèi)外螺旋的方向是一致的。以最大速度點(diǎn)為界，速度場分為內(nèi)旋流區(qū)和外旋流區(qū)兩部分。雖然該模型大致模擬出了這種結(jié)構(gòu)，但是卻夸大了準(zhǔn)強(qiáng)制渦的范圍，而且各個(gè)截面上的最大切向速度值點(diǎn)所在的位置不一致。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是網(wǎng)格的劃分，這與所采用的湍流模型本身也有直接關(guān)系。旋流器的切向速度分布呈現(xiàn)出典型的Rankine組合渦形態(tài)。

2.2 軸向速度分量

在旋流器內(nèi)任取3個(gè)截面，3個(gè)截面均是靠錐段上部區(qū)域。從模擬結(jié)果中可以看出，軸向速度在接近旋流器器壁處方向向下，沿著朝向旋流器軸心方向逐漸減小。速度曲線通過零位后改變方向，開始上升，數(shù)值逐漸增大。另外，需特別注意的是，

在零軸速包絡(luò)面（LZVV）附近有一個(gè)低速區(qū)，這是因?yàn)橛虚]環(huán)渦流存在。這個(gè)區(qū)域內(nèi)的固相顆粒只能沿徑向向中心運(yùn)動(dòng)進(jìn)入內(nèi)旋流，而不能運(yùn)動(dòng)到旋流器錐部下方被分離。這說明，此區(qū)是個(gè)“低效區(qū)”，進(jìn)入其中的固相顆粒難以被分離，除非在上升到旋流器上部柱段時(shí)，它又能靠離心力進(jìn)入待分離懸浮流進(jìn)行再次分離。但這些有待于作進(jìn)一步的研究，只有研究后才能知道這個(gè)“低效區(qū)”能否被取消或減小。

2.3 流量比較

根據(jù)前面的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，取入料口速度為4.5 m/s，使用FLUENT軟件進(jìn)行單相模擬數(shù)值計(jì)算，結(jié)果詳.其中，在實(shí)測(cè)值中，入料口速度是通過流量和入料口面積計(jì)算所得，模擬值中入料口速度為設(shè)置值。

在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，清水運(yùn)行結(jié)果、帶介運(yùn)行結(jié)果和模擬值之間都存在不小的差異。這是由于在數(shù)值模擬過程中各種科學(xué)假設(shè)和試驗(yàn)誤差造成的。所以，在對(duì)旋流器定量研究中，一方面需要更為精確地檢測(cè)設(shè)備和方法，以減小試驗(yàn)誤差，并得到更為真實(shí)的模擬設(shè)置值；另一方面，在數(shù)值模擬中，有待使用更加合理的科學(xué)假說和更精確的流態(tài)模型來進(jìn)行運(yùn)算。

3 結(jié)論

應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)小直徑重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場、壓力場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，大漩渦模擬（LES）模型完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)旋流器流場的精確模擬。盡管目前數(shù)值模擬只能大體反映流場的某些情況，且部分計(jì)算值還存在相當(dāng)大的偏差，但是，對(duì)旋流器性能的研究還是要通過試驗(yàn)獲得相關(guān)信息的。計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬為旋流器的研究、發(fā)展開辟了一條讓人無限憧憬的路。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)旋流器流場、流體的流變特性的深入研究，數(shù)值模擬必將為旋流器的研究作出巨大的貢獻(xiàn)。

〔編輯：白潔〕