黃小英

(新余學(xué)院機電工程學(xué)院，江西新余 338000)

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)，特別是近2年禽畜肉類價格上漲，國家出臺了一系列相關(guān)扶持政策，使我國禽畜類養(yǎng)殖場數(shù)量激增，各地涌現(xiàn)出規(guī)模不同的養(yǎng)殖場，在一定程度上緩解了肉類價格，但同時也加劇了農(nóng)村環(huán)境污染的問題。禽畜糞便及其浸出液是農(nóng)村環(huán)境的主要污染源[1-2]。選用固液分離器對養(yǎng)殖場糞水進行固液分離后，糞渣含水量可降至65%以下，且經(jīng)脫水的糞便不再有難聞味道，處理后的糞渣稍加風(fēng)干并摻入適量的氮磷鉀肥，就可以制成復(fù)合有機肥。但是，大型養(yǎng)殖基地的禽畜糞便往往含有一些固體顆粒，實際應(yīng)用過程中，壁面磨損問題嚴(yán)重降低了分離器的分離效率和使用壽命，阻礙了分離器的發(fā)展[3-4]。因此，對固液分離器的壁面磨損問題進行研究有著重要的工程應(yīng)用意義。固液分離器的壁面磨損是一個復(fù)雜的沖蝕磨損現(xiàn)象，黃俊龍等采用雷諾應(yīng)力模型和離散模型對固液分離器的磨損位置進行研究，表明底流口附近區(qū)域的磨損最嚴(yán)重[5]。王建軍等對分離器的磨損機制與磨損規(guī)律進行研究，表明分離器內(nèi)泥漿的旋轉(zhuǎn)速度和切向分速度是造成分離器壁面磨損的主要原因[6]。曹晴云等提出了預(yù)測旋流器內(nèi)壁磨損部位的公式[7]。但是，對于固液分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)與壁面磨損率、磨損特點、磨損分布之間的關(guān)系缺乏足夠的理論認(rèn)識。本試驗采用顆粒軌跡的模型對固液分離器壁面磨損影響因素進行研究，獲得了固液分離器壁面磨損的基本特征，分析了入口寬度、錐角、溢流管直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)對壁面磨損的影響，為今后旋流分離器的防磨措施和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 固液分離器內(nèi)壁磨損的計算

1.1 固液分離器的物理模型

采用長錐形單入口直切式固液旋流分離器，進口截面選擇矩形截面。與圓形進口相比，矩形截面入口湍流影響更弱，能量消耗更低，能夠產(chǎn)生切向注入效果，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 固液分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 顆粒軌跡的模型計算

將顆粒當(dāng)作離散相，流體作為連續(xù)相，采用隨機軌道模型(DPM)進行粒子軌跡分析，顆粒運動軌跡通過粒子作用力微分方程進行求解，如下式所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：Fx為x方向上的合力，N；t是時間；FD為顆粒受到的拖拽力，N；a1、a2、a3為拖拽力系數(shù)特征因子；gx為x方向上的重力加速度，m/s2；CD為曳力系數(shù)；Re為相對雷諾數(shù)；dp為顆粒直徑，m；ρp為顆粒密度，kg/m3；ρ為流體密度,kg/m3；μ為流體動力黏度，Pa·s；up為顆粒速度，m/s；u為流體速度，m/s。

1.3 邊界條件的設(shè)定

顆粒以射流源面的方式進入固液分離旋流器，粒子采用平均粒徑為60 μm、密度為2 700 kg/m3的石英砂。入口粒子質(zhì)量流率為11.5 g/s，顆粒密度設(shè)置為3.5 kg/m3，認(rèn)為顆粒均勻分布在進口網(wǎng)格上，粒子質(zhì)量不發(fā)生改變。同時，粒子之間沒有熱傳遞，粒子與液相的速度相同。粒子在溢流管口為完全逃逸，底流口粒子為捕捉邊界條件。采用Fluent中的壓力基準(zhǔn)算法隱式求解器，計算過程中認(rèn)為速度在橫截面上均勻分布，入口為充分發(fā)展湍流；流體采用常溫狀態(tài)下的清水，入口速度為u=14 m/s。液相出口邊界條件選擇自由流出口，將溢流管路加長到內(nèi)徑的10倍左右，以確保充分發(fā)展流成立。壁面通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁網(wǎng)格區(qū)域，液相流場為無滑移邊界條件，利用碰撞恢復(fù)系數(shù)方程對壁面與粒子之間的作用進行描述。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對壁面磨損的影響

2.1 溢流管直徑的影響

溢流管直徑對分離器壁面的磨損有重要作用，其為顆粒出口通道。在其他條件不變的情況下，選取65、90、115 mm 3種溢流管直徑(D0)，對固液分離器壁面磨損情況進行研究。溢流管直徑對入口環(huán)形空間壁面磨損的影響如圖1所示。溢流管直徑改變時，不同軸向位置沿圓周方向入口環(huán)形空間壁面磨損率先增大后減小，磨損率分布趨勢基本一致；增大溢流管直徑時，方位角在18.80°～46.15°之間，壁面的磨損率差異較小，隨著方位角的增大，壁面磨損率都有不同程度的增大，其中方位角101.71°～141.88°之間區(qū)域磨損較為嚴(yán)重。不同軸向位置的最大磨損范圍有所不同，軸向位置(y)18 mm處，壁面最大磨損范圍較大；當(dāng)溢流管直徑從65 mm增大到115 mm時，軸向位置36 mm處壁面磨損率明顯下降。隨著溢流管直徑的減小，最大切向速度不斷增大，流體的流動特性發(fā)生較大改變，增加了壁面與粒子的碰撞能量，導(dǎo)致壁面磨損增加。同時，隨著溢流管直徑的減小，流體的約束作用減小，使得最大磨損率的方位角增大。

溢流管直徑變化時，分離空間圓筒體壁面磨損率變化如圖2所示?？梢钥闯?，不同溢流管直徑條件下，沿軸向位置圓筒體壁面磨損率的變化趨勢有所差別。隨著溢流管直徑的增大，圓筒體下部分壁面磨損率的最大值不斷減小，而上部分壁面磨損率基本不隨溢流管直徑的改變而改變。溢流管直徑由90 mm增加115 mm吋，有明顯的波谷和波峰，磨損率分布趨勢基本沒有改變，但隨著溢流管的直徑減小，波谷和波峰之間的間距減小，磨損帶寬度有所增大。溢流管直徑減小，筒體區(qū)域的最大切向速度增加，固體顆粒在下行流區(qū)形成螺旋高速旋轉(zhuǎn)下行的顆粒帶。同時，旋轉(zhuǎn)離心力的作用增加了壁面區(qū)域固體顆粒的密度。溢流管直徑較小時，筒體空間的固體顆粒容易形成“灰環(huán)”，造成壁面局部嚴(yán)重磨損。

溢流管直徑變化時，不同圓周方向圓錐段壁面磨損率變化如圖3所示。不同溢流管直徑條件下，圓周方向圓錐段壁面磨損率先增大后減小，但是最大磨損率的位置和最大磨損率有所差異。整體來看，沿圓周方向壁面磨損分布并不均勻，底流口附近壁面磨損最嚴(yán)重。隨著溢流管直徑的增大，圓錐體上部分壁面磨損率變化較小，而下部分壁面磨損率不斷減小。隨著溢流管直徑的增大，圓錐段的切向速度明顯減??；同時，溢流管直徑增大后，流體旋轉(zhuǎn)速度有所減小，中心渦的擺幅變小，湍流程度下降，進而降低了壁面與固體顆粒的接觸概率和作用能量，使圓錐段的壁面磨損率明顯下降。

2.2 錐角對壁面磨損的影響

作為分離器的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，錐角對旋流器內(nèi)部壓力降和流動阻力有較大影響，進而對旋流分離器的磨損有重要作用。錐角分別取4°、8°、12°、16°來研究錐角對分離器壁面磨損的影響。錐角對入口環(huán)形空間壁面的磨損率的影響如圖4所示?？梢钥闯?，在其他結(jié)構(gòu)不變的情況下，旋流分離器錐角的改變對入口環(huán)形空間的影響較小。錐角發(fā)生變化時，沿圓周方向不同軸向位置壁面的磨損率先増大后減小，變化趨勢基本一致。不同錐角條件下，最大磨損率均出現(xiàn)在120°～160°之間，且磨損率變化較小。隨著錐角的增大，同一軸向位置入口環(huán)形空間的壁面磨損率不斷降低，但變化幅度較小，軸向位置36 mm處曲線有部分重合區(qū)域，表明磨損率變化更加明顯。主要由于環(huán)形空間磨損以沖擊磨損為主，旋流分離器錐角發(fā)生變化并沒有改變流體的流動特性，不會引起環(huán)形空間速度分布的變化，固體顆粒對壁面的作用位置和形式并未改變。因此，對入口環(huán)形空間壁面磨損的影響也較小。

不同錐角條件下，沿著軸向方向旋流分離器圓筒體壁面磨損率的變化情況如圖5所示?？梢钥闯觯瑘A筒體區(qū)域壁面磨損率呈“波形”曲線分布，變化趨勢基本不變，均出現(xiàn)明顯的波谷和波峰，主要與固體顆粒的高速螺旋運動有關(guān)。

不同錐角條件下，沿著軸向方向旋流分離器圓錐體壁面磨損率的變化情況如圖6所示?？梢钥闯?，錐角改變時圓錐段的磨損分布變化較小，磨損最大值均出現(xiàn)在底流口，沿軸向方向錐體段由上到底流口磨損程度先增大后減小。隨著錐角的增大，軸向位置911～1 231 mm之間，壁面磨損率不斷減??；軸向位置320～870 mm之間壁面磨損率變化較小。

在入口壓力不變的情況下，錐角變小時，底流口上方湍流程度增強，中心渦核扭擺增大，顆粒重新卷揚返回分離空間，增加了壁面的破壞程度；增大錐角會引起旋流分離器內(nèi)流體阻力變大，旋流分離器切向速度降低，在旋流器內(nèi)部粒子時間停留較短，壁面的磨損程度減緩。圓錐段下部分內(nèi)旋流占主導(dǎo)，錐角減小，顆粒的旋轉(zhuǎn)速度增大，錐體縮口作用增強，增加了對壁面的作用次數(shù)，導(dǎo)致磨損破壞程度增大。

2.3 入口面積對壁面磨損的影響

入口面積分別選取Si=45、54、63 cm2，不同入口面積條件下，分離器入口環(huán)形空間壁面磨損率的分布情況如圖7所示。入口面積對最大磨損率以及磨損嚴(yán)重區(qū)域的影響較大，沿圓周方向壁面磨損率均表現(xiàn)為先增大后減小， 整體分布趨勢比較接近。同時，不同的軸向位置磨損率也不相同，y=18 mm 和y=36 mm時，磨損最嚴(yán)重區(qū)域分別位于120.89°～182.32°、107.11°～226.79°之間。

入口面積對圓筒體、圓錐體壁面磨損率的影響，分別如圖8、圖9所示?？梢钥闯?，隨著入口面積的增大，相同軸向位置的壁面磨損率有所增大；入口面積對圓周方向圓筒體和圓錐體壁面磨損趨勢的影響較小；圓筒體壁面的磨損程度受入口面積的影響稍大于圓錐體壁面，隨著入口面積的改變，圓筒體壁面最大磨損區(qū)域發(fā)生了改變。入口面積的改變對圓錐體壁面最大磨損率的位置和磨損率的整體變化趨勢幾乎沒有影響，但磨損嚴(yán)重區(qū)域呈局部磨損分布。進口速度和其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，增大旋流分離器入口面積，內(nèi)部液相流的湍動程度加劇，顆粒攜帶的能量增大，碰撞壁面的能量和概率加大；入口面積減小能夠降低壁面的破壞程度， 但會導(dǎo)致分離效率降低。因此，不能盲目地通過減小入口面積來降低壁面磨損。

3 結(jié)論

為了提高固液分離器的分離效率和使用壽命，采用顆粒軌跡的模型對固液分離器壁面磨損影響因素進行研究，獲得了固液分離器壁面磨損的基本特征。研究表明，固液分離器壁面磨損形式主要以局部磨損為主。錐角增加，旋流分離器壁面磨損率最大值也會增加，在底流口附近變化最明顯；圓錐體區(qū)域壁面磨損率有不同程度的增加。溢流管直徑增大，最大磨損率出現(xiàn)的位置有所改變，出現(xiàn)了磨損環(huán)形。入口面積增大，磨損嚴(yán)重區(qū)域面積變寬，入口環(huán)形空間壁面磨損率增大。希望對今后旋流分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計提供參考。