袁惠新，方勇，付雙成，葉娟，方毅

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旋流器的微米級顆粒分級性能分析

袁惠新1，2，方勇1，2，付雙成1，2，葉娟1，2，方毅1，2

（1常州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2常州大學(xué)江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇常州 213164）

微型旋流器中的超重力場和剪切湍流場可以強化微米級顆粒的分級。為了分析旋流器的微米級顆粒分級性能，本文通過試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了入口速度和底流分率對旋流分級的影響。數(shù)值模擬方面使用雷諾應(yīng)力模型模擬了微型旋流器內(nèi)的流場，試驗方面使用直徑為20mm的微型旋流器來分級粒度分布為2～50μm的顆粒物料。結(jié)果表明，隨著入口速度的增大，分割粒度50減小，可達4.8μm，分級精度提高，可達0.45；隨著底流分率f的增大，不會顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大，但軸向速度會減小，使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時間增加，分級效率提高；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＜0.6時，隨著f的增大，分割粒度50減小，可達4.7μm，分級精度提高，可達0.6；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時，分割粒度50增大，分級精度降低。

微型旋流器；數(shù)值模擬；粒度分布；顆粒物料

微米級顆粒以其優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用，然而實際應(yīng)用對于其粒度大小及分布范圍有一定的要求。例如，要求節(jié)能燈用熒光粉粒徑在5～8μm之間[1]，而彩色等離子體顯示屏的熒光粉粒徑則在2～4μm之間[2]。在復(fù)印粉生產(chǎn)行業(yè)，要求的粉料粒度50處于8.6～9μm，最大顆粒必須小于20μm，而小于5.4μm的顆粒必須在2%～3%以下[3]。3D打印用的粉末粒度也有一定的粒度大小及分布范圍要求。然而，無論是自然界的原產(chǎn)品，還是經(jīng)過各種加工所得到的粉體，它們的粒度往往達不到應(yīng)用要求，需要經(jīng)過分級處理[4]。

大顆粒的分級可用篩分或沉降法[5]，但微米級顆粒，由于其容易團聚，篩分比較困難，且其團聚和沉降速度小，沉降分級也不易進行。微米級顆粒的分散是其分級的前提條件。因此，對于微米級顆粒的沉降分級，必須要解決兩個問題[6]：一是使顆粒充分分散，二是要有強大的超重力場，以加速顆粒的沉降及增大顆粒間的沉降速度差。

旋流分離器內(nèi)的流場具有超重力特性，例如直徑10mm的微型旋流器，可產(chǎn)生大約10000的離心加速度[7]。此外，旋流分離器內(nèi)的流場還具有強力的湍流及剪切特性，可以對微米顆粒有強力的分散作用[8-9]。因此，微型旋流分離器可望用于微米級顆粒的分級[10]，且旋流分離器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，因此，微型旋流分級器具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景[11]。

國內(nèi)外在旋流分級方面的研究工作，主要用幾十毫米乃至幾百毫米直徑的旋流器分離幾十乃至幾百微米的顆粒，少量的用微型旋流器進行試驗研究。張士瑞等[12]采用直徑10mm的微型旋流器，分離平均粒度為16μm的超細(xì)催化劑粉末，分離效果理想。李航等[13]采用直徑10mm水力旋流器分級蘇州高嶺土初選漿液，得到了粒度小于20μm的精礦。魏麗芳等[14]研究了4μm的α-Al2O3的旋流分級，認(rèn)為小直徑長錐型的水力旋流器可滿足工藝要求。陳瑋 等[15]研究了旋流分級在超細(xì)α-Al2O3粉體中的應(yīng)用，通過研究分散劑、超聲波等因素對旋流分級的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分散劑有利于提高顆粒的分級效果。ENDRES等[16]用直徑為20mm的微型旋流器分級粒徑小于30μm的石英粉，通過試驗得到分割粒度50小于5μm，與此同時，分級精度也有提高。UDAYA等[17]通過數(shù)值模擬和試驗的方法對直徑為10mm的微型旋流器進行分級性能分析，結(jié)果得到分割粒度50在4.9～14μm之間。KAWATRA[18]用直徑為102mm的旋流器分級顆粒粒度50=25μm的物料，通過調(diào)節(jié)溫度和顆粒濃度來改變黏度，但是發(fā)現(xiàn)黏度對分級精度沒有顯著影響。ABDOLLAHZADEH等[19]通過研究顆粒形狀、進料濃度等因素對旋流分級的影響，結(jié)果得到在最圓的球形顆粒和最小進料濃度的情況下，旋流器的分級效果最好。

本文介紹了用20mm直徑的微型旋流分離器對2～50μm粒度范圍的顆粒進行分級研究，包括旋流器的入口速度和底流分率對分級效果的影響。

1 研究方法

本文采用試驗研究和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究微型旋流器對微米級顆粒的分級性能。

1.1 試驗研究方法

1.1.1 試驗裝置流程

試驗流程如圖1所示，料桶中的物料由攪拌器連續(xù)的機械攪拌，充分分散后形成均勻分布的懸浮液。料液由料桶進入螺桿泵后分為兩路，一路通過旁路回到料桶中，閥門Ⅰ主要起調(diào)節(jié)管路流量，穩(wěn)定流量的作用。一路通過電磁流量計和壓力表Ⅰ后由旋流器的進料口進入旋流器內(nèi)部，經(jīng)旋流分離后料液分別從旋流器的溢流口和底流口排出，排出的底流料液經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計和壓力表Ⅲ回到料桶里，排出的溢流料液通過壓力表Ⅱ回到料桶里，料液可以循環(huán)使用。旋流器溢流和底流的流量分率可通過閥門Ⅱ和閥門Ⅲ調(diào)節(jié)。

1.1.2 旋流器

試驗所用旋流器為單入口微型旋流器，如圖2所示。其材料為金屬銅，分為有著進口的柱段、有著底流口的錐段和有著溢流口的頂蓋三段，連接部分有密封圈，組合完成后放入如圖3所示的套筒內(nèi)，通過套筒右側(cè)的壓緊塞壓緊密封，更換不同的部件可以得到不同結(jié)構(gòu)的旋流器。圖4為旋流器結(jié)構(gòu)簡圖，表1是旋流器的具體尺寸。

圖1 試驗流程圖

圖2 旋流器實物圖

圖3 設(shè)備外觀圖

圖4 旋流器結(jié)構(gòu)簡圖

表1 旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.3 試驗物料

試驗物料為100L水、500g鋁粉和30mL消泡劑配置而成的非均相混合物。

試驗用的鋁粉密度為2700kg/m3。鋁粉久置后易聚結(jié)成團，需要分散、篩分處理，圖5為篩分后所得到的鋁粉。通過馬爾文2000激光粒度分析儀得到鋁粉的粒度分布和上累計曲線如圖6所示，鋁粉粒度分布范圍是2～50μm，平均粒度是16.6μm。

圖5 鋁粉和篩子

圖6 試驗物料粒度分布圖

1.1.4 樣品分析

本試驗采用稱重法測量樣品濃度。簡單來說，先稱坩堝的重量0，然后將樣品倒入坩堝稱得樣品和坩堝總重（1），最后烘干稱得坩堝和鋁粉的重量2。因此，進料和底流中鋁粉的質(zhì)量濃度分別見式(1)、式(2)[4]。

1.1.5 分級性能的計算

（1）分級效率 由底流和進料中的鋁粉的含量可以計算得到一般總效率T。一般總效率T見 式(3)。

式中，f為底流分率，f=u/i，u、i分別是底流流量和進料流量；u、i分別是底流的濃度和進料的濃度。

不同粒度的顆粒有著不同的分離效率，根據(jù)總效率，粒度為的顆粒的粒級效率()定義為式(4)。

式中，u()和i()分別為底流和進料的粒度分布頻率。

（2）分割粒度 在粒級效率曲線上對應(yīng)于50%分離效率的粒度被定義為分割粒度，用50表示，這種粒度的顆粒被分離和不被分離的可能性各為50%。

（3）分級精度 分級精度主要用于分級過程的評價，定義為50%粒級效率點兩側(cè)的兩個對稱點的粒度之比，即式(5)。

1.2 模擬研究方法

本文采用CFD軟件Fluent 6.3.26 研究微型旋流器內(nèi)的流場及分級性能。由于雷諾應(yīng)力模型（RSM）可以更好地模擬旋流器內(nèi)湍流地各向異性，所以進行數(shù)值模擬計算的時候，求解器選用Pressure Based 隱式求解器，湍流模型選用RSM模型，壓力－速度耦合方式選用SIMPLEC算法，壓力插補格式選用PRESTO格式控制。進料口設(shè)置為速度入口，底流口和溢流口設(shè)置為自由出口（Outflow）。最終可得到旋流器內(nèi)流體的速度和湍流強度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口速度對旋流分級性能的影響

為了研究入口速度對旋流分級的影響，模擬和試驗采用=20mm、=37°、o/=0.23、u/=0.2的微型旋流器，固定底流分率為0.2，只改變其入口速度，采用軸向相對位置/=1.5截面為基準(zhǔn)，以此分析入口速度對旋流分級的影響。

2.1.1 入口速度與壓力降的關(guān)系

在Fluent數(shù)值模擬中，物理模型的近似、網(wǎng)格的劃分以及其他的一些因素會使模擬值偏離實際值。因此，必須對數(shù)值模擬的可靠性進行驗證。壓力降是衡量旋流器能量消耗程度的一個重要參數(shù)，通過試驗與模擬分別得到的壓力降進行對比可以間接驗證模擬的可靠性。圖7為試驗和模擬得出的壓力降與入口速度之間的關(guān)系。雖然在高入口速度時偏較大，但模擬曲線和試驗曲線具有較好的吻合性，說明模擬具有一定的可靠性。

圖7 試驗與模擬所得的入口速度與壓力降的關(guān)系

2.1.2 入口速度對內(nèi)部流場的影響

圖8為模擬所得不同的入口速度的情況下參考截面上的徑向分布。由圖8可以看出，隨著入口速度的提高，流體的切向速度也在增大，在相對徑向位置/=0.12處流場的切向速度最大。隨著切向速度的增大，顆粒受到更大的離心力，顆粒沉降速度增加，旋流器的分割粒度50減小。

從圖8還可看出，微型旋流器內(nèi)的流場為典型的組合渦，具有剪切作用，且入口速度越大，切向速度梯度越大，剪切作用越大。

2.1.3 入口速度對旋流器內(nèi)部湍流強度分布的影響

圖9為模擬所得=0截面處不同入口速度下旋流器內(nèi)的湍流強度分布云圖。從圖9可以看出，隨著入口速度增大，旋流器內(nèi)的湍流強度也跟著增強，促進對團聚顆粒的分散，這對分級有利，但是過大的湍流強度對分級不利，可能會導(dǎo)致顆粒反混，影響分級的效果。

2.1.4 入口速度對分級效率的影響

圖10為試驗所得的旋流器在不同入口速度下的級效率曲線，隨著入口速度的增加，級效率曲線向左偏移，相同粒度的顆粒在入口速度增加時分級效率增加。但是對于粒度為1～4μm的顆粒入口速度對其分級效率的影響不明顯。這是因為隨著入口速度的增大，顆粒在旋流器內(nèi)的停留時間變短，粒度小的顆粒沉降速度慢，來不及沉降。而且隨著入口速度的增大，旋流器內(nèi)的湍流強度增強，粒度 小的顆粒更易受高湍流的影響，使其沉降更加困難，甚至?xí)霈F(xiàn)反混。

圖8 入口速度對切向速度分布的影響

圖9 X=0截面處不同入口速度的湍流強度分布云圖

圖10 不同入口速度的級效率曲線

圖11為入口速度對分割粒度50的影響。隨著入口速度的增大，分割粒度減小，可達到4.8μm。這是因為隨著入口速度的增大，旋流器內(nèi)流體的切向速度增大，產(chǎn)生更大的離心分離作用，顆粒沉降速度增大，粒度較小的顆粒被分離出來。

圖12為入口速度對分級精度的影響。隨著入口速度的增大，在離心加速度提高的同時，湍流分散作用提高，旋流器的分級精度呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢，可達到0.45。

圖11 入口速度對分割粒度的影響

圖12 入口速度對分級精度的影響

2.2 底流分率對旋流分級的影響

為了研究底流分率對旋流分級的影響，模擬和試驗都采用=20mm、=37°、o/=0.23、u/=0.2的微型旋流器，采用軸向位置/=1.5截面為基準(zhǔn)，固定入口速度為5.76m/s，改變其底流分率。以此分析底流分率對旋流分級的影響。

2.2.1 底流分率對內(nèi)部流場的影響

圖13、圖14和圖15為模擬所得底流分率對切向、軸向和徑向速度分布的影響。從圖中可以看出，底流分率對切向速度的影響不大，對徑向速度稍有影響，對軸向速度影響大。

隨著底流分率的提高，向下的外旋流的軸向速度變化不大，但是向上的內(nèi)旋流的軸向速度在減小，而受底流分率影響最大的是溢流口處的回流，隨著底流分率的增大，回流從無到有逐漸增大，當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時，溢流口處回流增大的幅度顯著 提高。

2.2.2 底流分率對旋流器內(nèi)部湍流強度分布的影響

圖16為模擬所得的=0截面處不同底流分率下旋流器內(nèi)的湍流強度分布云圖，可以看出，當(dāng)?shù)琢鞣致视?.1增大到0.6時，旋流器內(nèi)部的湍流強度較強的區(qū)域在錐段靠近柱段的地方，湍流強度稍有下降，有利于顆粒的分散，這對旋流分級有利。當(dāng)?shù)琢鞣致蚀笥?.6時，旋流器內(nèi)湍流強度較強的區(qū)域向旋流器底流口方向偏移，該區(qū)域較強的湍流使得顆粒反混，使得分級效果下降。這是因為隨著底流分率的增大，更多的旋流器中的流體從底流口排出，這導(dǎo)致旋流器錐段和底流口的湍流強度的增加。

圖13 底流分率對切向速度分布的影響

圖14 底流分率對軸向速度分布的影響

圖15 底流分率對徑向速度分布的影響

圖16 X=0截面處不同底流分率下旋流器內(nèi)部的湍流強度分布云圖

2.2.3 底流分率對分級效率的影響

圖17為試驗所得不同底流分率的級效率曲線。從圖17可以看出，當(dāng)f＜0.6時各級效率曲線變化很小，而當(dāng)f＞0.6時級效率曲線向右偏移，50增大。

圖17 不同底流分率的級效率曲線

底流分率的增大，不會顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大。內(nèi)旋流軸向速度的減小會使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時間增加，這會使得更多的顆粒充分沉降后被分離，與此同時，當(dāng)f＜0.6時，隨著f的增大，湍流強度稍有下降，有利于顆粒的分散，這對旋流分級有利，分割粒度50減小，分級精度提高。當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時，溢流回流大幅增加，這將導(dǎo)致更多溢流產(chǎn)品的反混，同時，底流口區(qū)域較強的湍流使得顆粒反混，影響分級效果，分割粒度50增大，分級精度降低。

圖18和圖19分別是底流分率對分割粒度和分級精度的影響，隨著底流分率的提高，分割粒度50減小，可達4.7μm，分級精度提高，可達0.6。但是當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時，由于底流口區(qū)域較強的湍流使得顆粒反混，影響分級效果，分割粒度50增大，分級精度降低。

3 結(jié)論

在本研究條件范圍內(nèi)，得出如下結(jié)論。

圖18 底流分率對分割粒度的影響

圖19 底流分率對分級精度的影響

（1）隨著入口速度的增加，分割粒度50減小，微型旋流器可以分級處理粒度更小的粉體產(chǎn)品，分割粒度50可達4.8μm。

（2）隨著入口速度的增加，湍流強度也增大，促進對團聚顆粒的分散，因此，分級精度可以提高，分級精度可達0.45。

（3）隨著底流分率f的增大，不會顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大，但軸向速度會減小，使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時間增加，分級效率提高。

（4）當(dāng)f＜0.6時，隨著f的增大，旋流器內(nèi)湍流強度下降，這對旋流分級有利，分割粒度50減小，可達4.7μm，分級精度提高，可達0.6；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時，溢流回流大幅增加，底流口區(qū)域湍流強度增加，顆粒反混加劇，分割粒度50增大，分級精度降低。

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Analysis of the classification performance of micron particles with hydrocyclones

YUAN Huixin1，2，F(xiàn)ANG Yong1，2，F(xiàn)U Shuangcheng1，2，YE Juan1，2，F(xiàn)ANG Yi1，2

（1School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China；2Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

The high gravity field and turbulent shear field can strengthen the classification of micron particles in micro hydrocyclone. In order to analyze the classification performance of micron particles with hydrocyclones，the effect of inlet velocity and underflow ratio on hydrocyclone classification were studied by combination of experiment and numerical simulation. The Reynolds stress model was used to simulate the flow field of micro hydrocyclone in numerical simulation，the micro hydrocyclone of 20mm in diameter was used to classify granular materials whose particle size distribution was 2—50μm in the experiments. The results showed that with the increase of inlet velocity，the cut size50decreases，the50is 4.8μm，and the classification precisionincreases，theis 0.45. With the increase of underflow ratiof，the tangential and radial velocity are not significantly changed. The settling velocity of particles has no obvious change in the hydrocyclone，but the axial velocity will decrease，which makes the residence time of particles increase in the hydrocyclone. The classification efficiency improves. When underflow ratiofis less than 0.6，with the increase off，the cut size50decreases. The50is 4.7μm and the classification precisionincreases，theis 0.6. When underflow ratiofis greater than 0.6，the cut size50increases，and the classification precisiondecreases.

micro hydrocyclone；numerical simulation；particle size distribution；granular materials

TQ051.8

A

1000–6613（2017）12–4371–07

10.16085/j.issn.1000-6613. 2017-0625

2017-04-11；

2017-05-22。

袁惠新（1957—），博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為多相流與機械分離凈化技術(shù)與設(shè)備。E-mail：yuanhuixin2016@163.com。