李海軍

（1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012;2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012）

目前，重介選煤工藝以其分選效率高在煤炭洗選領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，重介質(zhì)旋流器作為重介選煤的核心設(shè)備在選煤生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。目前，國內(nèi)外旋流器入料的形式主要有切線、漸開線等，以這些傳統(tǒng)方式給料時(shí)，入料的引導(dǎo)方向均垂直于旋流器軸向，與設(shè)備內(nèi)部流場的螺旋角度不一致，這無疑會(huì)增加分選過程中的能耗。重介質(zhì)旋流器的入介口傾角對其內(nèi)部流場分布有很大影響，而其中的速度場對設(shè)備能耗影響明顯。為降低分選過程中的設(shè)備能耗，研究設(shè)計(jì)了與旋流器內(nèi)部流場的螺旋角度基本一致的傾斜入介口重介質(zhì)旋流器。首先采用PIV測試技術(shù)，對傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器與傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行測試，然后采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對不同入介口重介質(zhì)旋流器的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以為重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 研究對象

傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器與傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)基本相同，二者的主要區(qū)別在于入介口與旋流器中心軸線的夾角。傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角為90°，而本次研究的傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角分別為87°、85°、83°。兩種重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 兩種重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of two kinds of dense medium cyclones

2 PIV測試研究

重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場的檢測以往采用的是接觸式檢測技術(shù)，主要檢測儀器為壓電探針、畢托管、電磁流速計(jì)等，檢測時(shí)探頭或探針需要插入流場內(nèi)部，而這會(huì)對流場產(chǎn)生一定干擾，導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)與實(shí)際情況誤差較大。19世紀(jì)末，基于非接觸測試技術(shù)研制出的激光多普勒測速儀 (Laser Doppler Velocimetry，簡稱LDV)被應(yīng)用到重介質(zhì)旋流器內(nèi)部速度場的測試中，但LDV只能進(jìn)行單點(diǎn)檢測，實(shí)測重介質(zhì)旋流器內(nèi)流場速度時(shí)需要在較長的時(shí)間內(nèi)逐點(diǎn)測量，再匯總出整個(gè)流場速度分布規(guī)律，而非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流場是時(shí)刻變化的，通過LDV檢測到的重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場數(shù)據(jù)存在滯后性。

粒子成像測速 (Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)技術(shù)可瞬時(shí)得到整個(gè)檢測區(qū)域的速度分布，突破了只能單點(diǎn)檢測的局限性，可對檢測區(qū)域內(nèi)的二維或三維空間進(jìn)行全區(qū)域速度檢測，且對速度場無干擾，同時(shí)可獲得流動(dòng)的渦量場、脈動(dòng)速度場、瞬時(shí)速度場及雷諾應(yīng)力等分布數(shù)據(jù)。因此，選用PIV測試技術(shù)對重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場進(jìn)行測試。

2.1 研究目的

根據(jù)PIV測試的實(shí)測數(shù)據(jù)，對比分析傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器與傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的流場分布特性;采用PIV測試的實(shí)測數(shù)據(jù)探索適合傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的數(shù)值模擬方法，為下一步的數(shù)值模擬研究提供理論基礎(chǔ)。

為了全面分析重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的流場分布特性，采用透光率極高的有機(jī)玻璃 (亞克力)加工制作了圖1所示的兩個(gè)φ 200 mm的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的入介口與旋流器中心軸線的夾角為85°。采用PIV測試系統(tǒng) (圖2)對兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究。

圖2 PIV測試系統(tǒng)Fig.2 PIV testing system

2.2 測試結(jié)果與分析

試驗(yàn)選取旋流器中速度分布具有代表性的距離旋流器底端300 mm的截面進(jìn)行PIV測試。經(jīng)測試計(jì)算，得到傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器和傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的切向速度、徑向速度、軸向速度，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)入介方式重介質(zhì)旋流器和傾斜入介口重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場速度分布Fig.3 Velocity distribution of inner flow field of dense medium cyclone with inclined medium inlet and the traditional one

由圖3可知:傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的三維速度普遍高于傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器。切向速度、軸向速度的增大對于重介質(zhì)旋流器實(shí)現(xiàn)高效分選非常有利，而徑向速度的提高不利于重介質(zhì)旋流器的高效分選，但如果將徑向速度控制在合適的范圍內(nèi)，就不會(huì)影響重介質(zhì)旋流器的高效分選［1－2］。

傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的三維速度大，說明在達(dá)到相同分選效果的情況下傾斜入介口重介質(zhì)旋流器能耗低，節(jié)能降耗效果較明顯。

3 CFD數(shù)值模擬研究

PIV測試結(jié)果說明傾斜入介口重介質(zhì)旋流器內(nèi)部流場分布優(yōu)于傳統(tǒng)入介口重介質(zhì)旋流器，但是85°并不一定是傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的最佳入介角度。為了更便捷地找出最佳入介角度，需采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對其進(jìn)行優(yōu)選。

重介質(zhì)旋流器內(nèi)部的流體流動(dòng)是一種三維的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)剪切湍流運(yùn)動(dòng)，對于這種復(fù)雜的流動(dòng)，通常需要由試驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)公式來確定設(shè)備的幾何參數(shù)和操作參數(shù)等。但是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头N類繁多，每種模型的應(yīng)用范圍有限，需要通過大量的試驗(yàn)才能得到，而試驗(yàn)需要大量的人力、物力、財(cái)力、時(shí)間，所需成本較高。目前，研究流場問題的現(xiàn)實(shí)方法是試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，對于能夠采用合適的模型描述的流動(dòng)問題，數(shù)值模擬的優(yōu)越性往往大于試驗(yàn)研究。為此，采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)尋找傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的最佳入介角度。在前處理Gambit中根據(jù)確定的重介質(zhì)旋流器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?∶1建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件，在數(shù)值分析軟件Fluent中設(shè)定相關(guān)工藝參數(shù)、選擇湍流模型，并進(jìn)行迭代計(jì)算和收斂后數(shù)據(jù)的處理分析。

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算

數(shù)值分析軟件Fluent中有很多數(shù)值模擬計(jì)算模型，適用于不同流態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算。為了選擇合適的湍流模擬模型，在相同的邊界條件下分別采用k－ε模型、RSM模型、大渦模型對傾斜入介口重介質(zhì)旋流器的流場進(jìn)行了探索性模擬。模擬結(jié)果表明:采用RSM模型得到的重介質(zhì)旋流器切向速度和軸向速度的預(yù)測值 (圖4)與PIV檢測結(jié)果吻合程度最高，證明Fluent提供的Reynolds應(yīng)力模型在模擬計(jì)算重介質(zhì)旋流器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是可行的。

圖4 入介口傾角為85°時(shí)重介質(zhì)旋流器的切向速度與軸向速度Fig.4 Tangential and axial velocity of dense medium cyclone at 85°angle of inclination on medium inlet

3.2 研究結(jié)果

在數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，將入介口傾角設(shè)為90°、87°、85°和83°，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)不變的條件下，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，并將采用多個(gè)模型模擬所得的三維速度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比 (圖5)。

由圖5(a)切向速度比較曲線圖可以得出:在相同工況條件下，重介質(zhì)旋流器的切向速度在入介口傾角為83°和85°時(shí)最大值是相同的，切向速度值為4 m/s。在相同截面上，隨著入介口傾角的減小，切向速度呈增大的趨勢，但當(dāng)入介口傾角減小到85°后，切向速度不再繼續(xù)增大。這說明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)減小重介質(zhì)旋流器的入介口傾角，可使切向速度增加，從而使得離心作用加強(qiáng)，有利于提高重介質(zhì)旋流器的有效分選下限。

由圖5(b)徑向速度比較曲線圖可以看出:在相同的工況條件下，重介質(zhì)旋流器內(nèi)的徑向速度是隨入介口傾角的減小而增大的。徑向速度的增加對重介質(zhì)旋流器的分選不利，但其在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對分選效果不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，因此在確定重介質(zhì)旋流器的參數(shù)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制徑向速度，使其不要過大。如果徑向速度值過大將直接影響重介質(zhì)旋流器的分選效果。

由圖5(c)軸向速度比較曲線圖可見:在相同的工況條件下，在重介質(zhì)旋流器有效分選區(qū)域 (徑向位置30～80 mm)內(nèi)，軸向速度的絕對值隨入介口傾角的減小而增大。軸向速度的增加有利于將旋流器內(nèi)得到分選的物料及時(shí)排出，從而增加設(shè)備處理能力，對物料的分選起著積極作用。

4 結(jié)論

通過以上研究分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)采用RSM模型模擬得到的重介質(zhì)旋流器切向速度和軸向速度的計(jì)算值與PIV試驗(yàn)測量的結(jié)果擬合程度高，應(yīng)用數(shù)值模擬計(jì)算的方法優(yōu)化重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是可行的。

(2)PIV測試表明，傾斜入介口的重介質(zhì)旋流器流場分布形式優(yōu)于傳統(tǒng)旋流器，并通過數(shù)值模擬計(jì)算得出，當(dāng)入介口傾角在85°左右時(shí)，旋流器內(nèi)部流場相對最優(yōu)。因此，為了降低旋流器功耗、降低入介壓力、延長旋流器的使用壽命，在旋流器設(shè)計(jì)時(shí)宜選用傾斜入介口的入介形式。

［1］錢愛軍.雙錐體重介質(zhì)旋流器研發(fā)與應(yīng)用 ［J］.煤炭工程，2013，45(10):125－127.

［2］錢愛軍.3GNZX300/230型雙錐有壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器的研究 ［J］.選煤技術(shù)，2014(4):1－5.