闞 琛，徐 磊，吳 華，明玉周

(中國核電工程有限公司，北京100840)

沉降離心機停車過程的流場分析

闞 琛，徐 磊，吳 華，明玉周

(中國核電工程有限公司，北京100840)

沉降離心機的旋轉(zhuǎn)部件為柔性軸機構(gòu)，因此在停車過程中會發(fā)生劇烈振動從而導(dǎo)致澄清后的料液與料渣混合在一起，造成料液分離效果降低。對離心機停車過程中的流場進行流體仿真計算，模擬流體在停車過程中的運動形式，分析料液運動方式與排渣情況，從而為離心機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與操作流程提供可靠的理論的依據(jù)。

沉降離心機；多相流；流體力學(xué)計算

1 前言

在核化工行業(yè)中，乏燃料溶解液中含有少量放射性很強的不溶性顆粒，在進入后序鈾—钚萃取工藝之前，必須進行澄清工序，否則不溶性固體顆粒不僅會堵塞管道、腐蝕設(shè)備、加速溶劑輻解、增加界面污物、降低某些裂變產(chǎn)物的去污系數(shù)，使萃取設(shè)備的水力學(xué)性能變差，甚至?xí)斐膳R界事故[1～3]。

我國中試廠乏燃料處理工藝中采用沉降離心機對溶解液進行離心澄清[4]。這種離心機采用撓性軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)對料液進行分離，即在離心機開車與停車過程中會經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生強烈的振動。尤其在離心機停車時，已經(jīng)過濾澄清的清液因離心力的作用依然附著在轉(zhuǎn)鼓壁上，而在離心過程中分離出來的料渣(不溶性顆粒)會因為振動而返混到清液中，變渾濁的清液可能進入清液收集裝置從而污染了原有已過濾的清液。

清液返混現(xiàn)象嚴重影響了過濾效果與效率。因此獲取離心機停車時的內(nèi)部流動規(guī)律對于其設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義。在試驗中對停車過程的檢測存在一定的難度，在解決工程中出現(xiàn)的問題的方法中，采用仿真分析計算是一種高效、快捷與消耗資源低的手段。本文采用Fluent軟件，采用多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂等技術(shù)，進行瞬態(tài)、三維流場三相流分析。

2 沉降離心機工作原理

沉降離心機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由料液入口管、轉(zhuǎn)鼓組件、套筒、底錐組件以及排水口等組成[5，6]。

圖1 沉降離心機結(jié)構(gòu)示意

料液從料液入口經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的散液盤，高速旋轉(zhuǎn)進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的立板之間，當(dāng)不溶性顆粒的濃度很低時,顆粒之間的距離比較大,相互間的作用與影響極小,顆粒密度和大小不同的粒子由于離心力的作用各自以不同的速度沉降,成為自由沉降狀態(tài)。顆粒在液體中的沉降規(guī)律是顆粒沿著離心力的徑向方向在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上沉降。顆粒沉降速度隨著顆粒粒徑的增大而增大(如圖2所示)。

圖2 沉降式離心機工作原理示意

3 數(shù)值方法與物理模型

3.1 幾何模型與網(wǎng)格處理

流場模型是通過CAD軟件對結(jié)構(gòu)模型中的內(nèi)部流場進行提取得到。因CFD多項流計算需要高質(zhì)量的網(wǎng)格，需對原始流場模型進行簡化處理，但對一體化完成整個區(qū)域進行貼體六面體網(wǎng)格劃分難度依然很大，本模型劃分網(wǎng)格的方法采用分區(qū)劃分網(wǎng)格、混合網(wǎng)格相結(jié)合的處理方法。

計算網(wǎng)格主要采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在局部非旋轉(zhuǎn)不要重的部分采用四面體網(wǎng)格[7]。對于進口管道、轉(zhuǎn)鼓，散液盤和內(nèi)、外腔主體部分使用拓撲結(jié)構(gòu)塊輔助生成六面體網(wǎng)格，出口及內(nèi)腔底部錐體則采用四面體網(wǎng)格。將各部分網(wǎng)格裝配起來即可得到整個流體域的網(wǎng)格模型，各區(qū)域之間通過交界面進行流場數(shù)據(jù)傳遞[8～11]。該模型網(wǎng)格數(shù)量達到360萬，網(wǎng)格總體質(zhì)量都在0.85以上，其中重要的流體區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量在0.95以上，使其網(wǎng)格質(zhì)量能夠達到后續(xù)計算的要求，如圖3所示。

圖3 離心機計算網(wǎng)格

3.2 數(shù)值模擬方法

本模型采用ANSYS FLUENT 13.0作為計算軟件，求解器為非定常模型，計算方法為PISO算法，湍流模型為K-epsilon模型。

停車過程為一個瞬態(tài)CFD問題，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速隨時間不斷變化，因此該模型在動靜部件處理上，采用了滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh Model)。轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格部分為真實旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)格，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)后，它將與和其存在交界面的網(wǎng)格區(qū)域產(chǎn)生相對運動。

在沉降離心機中，料液從散液盤進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在高速旋轉(zhuǎn)的工況下，料液都依附在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，氣液分界面明顯，因此選用多相流模型中的VOF模型[4]。在本模型中水與空氣可視為連續(xù)介質(zhì)，而溶解在水中的不溶性顆粒可視作離散介質(zhì)處理，因此在計算中再加入DPM模型。

3.3 邊界條件

進口采用流量進口邊界條件，流量為1000 L/h；出口采用壓力出口邊界條件，表壓為-500 Pa(表壓)；固體壁面采用無滑移、絕熱邊界條件。初始條件為旋轉(zhuǎn)部件(散液盤和轉(zhuǎn)鼓流場區(qū)域)轉(zhuǎn)速為1000 r/min穩(wěn)定運行情況下保持至0.086 s，從0.086 s至5.086 s時轉(zhuǎn)動網(wǎng)格速度從1000 r/min勻減速降至0；5.086 s之后，轉(zhuǎn)鼓速度保持為0。

4 結(jié)果分析

4.1 過程分析

圖4(a)～(i)分別給出了轉(zhuǎn)鼓不同轉(zhuǎn)速(1000～0 r/min)時子午平面上(靠近立板)自由液面的分布情況。首先，可以看到，在轉(zhuǎn)鼓部件處形成的液環(huán)，其液面傾斜程度逐漸加大，說明隨著轉(zhuǎn)速的降低，立板等部件給液環(huán)的離心力越來越小，因此，液面壓力梯度(液面垂直方向)在離心力和重力的共同作用下，開始逐漸向上偏移，表現(xiàn)現(xiàn)象即為液面傾斜。而且，液面的傾斜速度隨著轉(zhuǎn)速的降低速率而逐漸增加。其次，圖4(b)～(d)證明，高轉(zhuǎn)速時外腔的兩級擋板可以有效的阻止了料液上竄，料液聚集到靠下的擋板處并開始沿底錐壁面向下流出，但是上竄的高度愈來愈低，到了200 r/min時，料液直接從豎直面下端的拐角處甩出，而且液滴尺度逐漸增大。圖4(e)表明，速度降至80 r/min左右時，料液開始以較大流量直接傾瀉至外套筒下半段，而不會甩至環(huán)板上端。4(f)中可以看到，當(dāng)速度降至60 r/min，料液開始轉(zhuǎn)為流入內(nèi)部錐底。圖4(h)、(i)中隨著速度逐漸接近零，料液開始沿著轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面以接近的傾角直接流入內(nèi)部錐底。這一過程各階段的料液運動狀態(tài)主要是由離心力逐漸減弱造成的。離心力減少后，液面與豎直方向的傾角加大，同時排除的料液量加大，加之轉(zhuǎn)鼓下端出口間隙的氣速隨轉(zhuǎn)速而降低，使得氣流拖拽力無法將越來越多的料液向上夾帶，較大的液滴開始在離心力的作用下較快的脫離轉(zhuǎn)鼓外壁面，向外運動。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下料液運動規(guī)律

圖5(a)～(e)所示為停車過程中不同轉(zhuǎn)速時對應(yīng)的各個截面料液輪廓?？梢钥吹剑涸谵D(zhuǎn)速較高時，同一截面高度上，立板兩側(cè)的液環(huán)面位置幾乎相同，即與轉(zhuǎn)軸的距離接近相等；但隨著速度的降低，立板兩側(cè)流體的液面高度差別將越來越大。這是因為，雖然立板的速度不斷降低，但由于慣性，液環(huán)仍有維持原有運動的趨勢，因此，將造成立板推動料液的一側(cè)(吸力面)液環(huán)變??；阻擋料液的一側(cè)(壓力面)液面增厚，這種情況在速度較低的情況(見圖5)更為明顯。此外，各個轉(zhuǎn)速下，這種差別在較高隨著界面高度的增加而增大。當(dāng)速度從50 r/min降至0時(見圖5(d)和(e))，轉(zhuǎn)鼓底部料液由于慣性溢過立板結(jié)構(gòu)和另一側(cè)料液發(fā)生摻混現(xiàn)象。由此可見，停車過程中，料液的形態(tài)和運動規(guī)律有著劇烈的變化。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下料液運動規(guī)律(三維視圖)

4.2 400 r/min時料液及料渣顆粒的運動情況

在工程實踐中當(dāng)離心機停車至400 r/min時剛經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速的劇烈振動，過濾后的料渣可能會出現(xiàn)返混現(xiàn)象，并且在此時轉(zhuǎn)鼓內(nèi)料液因離心力的降低已經(jīng)不能完全附著在轉(zhuǎn)鼓壁上，且有部分料液垂直進入轉(zhuǎn)鼓下方的料渣槽中，因此對400 r/min的料液及料渣顆粒情況進行分析。

圖6展示了該轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)不同高度截面處料液的液面輪廓，可以看到：每層截面上，立板前后的料液液面高度很接近，說明這時的離心力仍然較大，可以維持住料液液環(huán)的形態(tài)。而由圖5(d)可知豎直剖面上的料液分布情況：液環(huán)不再是高轉(zhuǎn)速下的接近豎直的液面，表面開始出現(xiàn)明顯的傾斜。

圖6 不同高度截面處料液液面輪廓(400 r/min)

轉(zhuǎn)鼓向底部排出料液仍然是以液膜的形式存在，由于轉(zhuǎn)速降低，料液脫離轉(zhuǎn)鼓的高度有所下降，同時外套筒環(huán)板處已經(jīng)積累了一定量的料液并開始向下部排出。

圖7給出了400 r/min時，顆粒的分布情況及運動速度。這時大部分顆粒體仍然分布在橫板上部，僅有少量顆粒落入到橫板以下。同時，由于料液本身仍然可以維持住液環(huán)形態(tài)，其內(nèi)部顆粒在離心力的作用下，仍然處在轉(zhuǎn)鼓壁面附近；由于是減速過程，立板阻止料液維持原有的慣性，所以立板兩側(cè)的料液及顆粒速度存在差異：迎向立板一側(cè)的料液和顆粒的速度較低；背向立板一側(cè)的速度較高。

(a)

(b)

5 結(jié)論

(1)隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的降低，液面由豎直方向逐漸傾斜，傾斜速度逐漸增加。液面位置在周向上也存在差異，立板阻力側(cè)液面高，另一側(cè)液面低，上半部液面差隨轉(zhuǎn)速降低而增高，下半部隨轉(zhuǎn)速降低受擋板及氣流的影響，液面波動現(xiàn)象加劇。

(2)停車過程中，靠近轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面的料渣顆粒將會沿壁面向下排出，但由于減速引起的料液周向速度差異，不同位置處的顆粒運動有所差別，整體上表現(xiàn)為顆粒聚集并隨后拉伸成上下起伏的顆粒帶。

(3)在停車過程中，料液排出轉(zhuǎn)鼓的方向在轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速400～0 r/min的過程中出現(xiàn)了明顯的不同，這對離心機排料的控制至關(guān)重要。建議通過離心機停車的控制程序控制：轉(zhuǎn)速≥70 r/min時，平穩(wěn)緩慢的減速，可以使料液平穩(wěn)的通過清液出口排出；迅速的通過70～50 r/min轉(zhuǎn)速段，有效的避免料渣進入清液出口；轉(zhuǎn)速≤50 r/min時，平穩(wěn)緩慢的減速以保證離心機最終停車的穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬的方法可以實現(xiàn)對沉降式離心機卸料過程內(nèi)部流場分布情況的分析，具有對研制周期短和研究費用少的優(yōu)點。

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Flow Field Analysis at Parking Process of Sedimentation Centrifuge

KAN Chen,XU Lei,WU Hu,MING Yu-zhou

(China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100840,China)

Sedimentation centrifugal used flexible shaft structure as rotating part,therefore,the violent vibration during parking process would cause the diffused of slag and Clarified liquor,it could reduce the separation efficiency.The fluid simulation calculation on fluid field during parking process of sedimentation centrifugal was studied to simulate the movement trend of fluid during parking process and analyze the movement mode of liquor and the condition of slag-off，which provided reliable theoretical basis for the structure design and operating process of sedimentation centrifugal.

sedimentation centrifuge;multiphase flow;CFD

1005-0329(2017)01-0055-05

2016-05-30

2016-12-06

TH138

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.010

闞琛(1986-)，男，碩士，研究方向為核電站乏燃料后處理化工非標設(shè)備設(shè)計,通訊地址：100840 北京市西三環(huán)北路117號中國核電工程有限公司化工所，E-mail:kanchen4257@163.com。