孫 娜，王 宏，張力強(qiáng)

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

選煤技術(shù)是煤炭資源高效利用、發(fā)揮資源重點(diǎn)優(yōu)勢(shì)能力的關(guān)鍵，也是基礎(chǔ)行業(yè)充分發(fā)展的前提[1，2]，到2020年原煤入洗率將提高到80%以上。在眾多選煤方法中，重介質(zhì)選煤具有分選精度高、分選原理簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、產(chǎn)出與投入比高、分選效率高等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到市場(chǎng)的認(rèn)同[3，4]。重介質(zhì)旋流器(DMC)是選煤的核心設(shè)備，通常為圓錐形，采用切向或漸開線進(jìn)料的方式。然而，在旋流器工作時(shí)由于內(nèi)部反向渦流和空氣柱的存在，旋流器的分選性能往往不能達(dá)到最佳值。最常見的問題是在向下和向上的內(nèi)外旋流之間發(fā)生快速剪切產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流混合；此外，由于空氣柱的隨機(jī)偏心運(yùn)動(dòng)和振蕩也會(huì)導(dǎo)致湍流混合。這兩種湍流混合不僅降低了分離精度或分離效率，而且還導(dǎo)致在螺旋物料流中徑向分布的顆粒密度偏離周圍介質(zhì)的密度。在旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)中，由于切向速度很高而內(nèi)部反向渦流的直徑較小，使得作用于顆粒的離心力非常高以至于大量的細(xì)介質(zhì)顆粒過度分離并被帶進(jìn)尾煤排料口。過度的介質(zhì)分離又會(huì)造成在低分離密度下的操作困難和靠近零速面附近的紊流現(xiàn)象。為了改善上述現(xiàn)象，本文提出了一種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型重介質(zhì)旋流器。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，對(duì)湍流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬已在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。通過FLUENT軟件模擬，可以直觀地看出流體在旋流器內(nèi)的流動(dòng)過程，有利于預(yù)測(cè)流體的流動(dòng)性能，而且可以通過改變各種參數(shù)，得到模擬的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。以往的實(shí)驗(yàn)往往需要大量的人力、物力和時(shí)間，通過流體力學(xué)數(shù)值模擬，可以快捷直觀地理解流體流動(dòng)機(jī)理，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的整理起到指導(dǎo)作用[5]。本文將應(yīng)用CFD技術(shù)中最常用的FLUENT軟件對(duì)新型旋流器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，既可以節(jié)約時(shí)間，又可以為參數(shù)的優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 新型旋流器模型的建立

隨著計(jì)算流體力學(xué)的不斷發(fā)展，F(xiàn)LUENT 軟件的模擬應(yīng)用在不斷推廣，分級(jí)旋流器以及重介旋流器的數(shù)值模擬有不斷的發(fā)展[6]。在計(jì)算流體力學(xué)模擬的過程中，必須先建立模型，再對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后才能在Fluent軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前，傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器工作時(shí)，由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，使得內(nèi)部存在一個(gè)不斷擺動(dòng)的空氣柱，既影響分選精度又消耗大量的能量。結(jié)合大量研究人員對(duì)重介質(zhì)旋流器中的多相流體力學(xué)進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，提出了一種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新型重介質(zhì)旋流器，與傳統(tǒng)旋流器不同的是輕產(chǎn)物出口在錐段最底端中間部分，重產(chǎn)物出口在錐段底部側(cè)面，如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 模型建立及網(wǎng)格化分

旋流器模型如圖3所示，根據(jù)新型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表1)在三維建模軟件中建立相應(yīng)模型；應(yīng)用ICEM軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)實(shí)體模型劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，通過創(chuàng)建與實(shí)體相對(duì)應(yīng)的合理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即Block，建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)體模型的映射關(guān)系，然后在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上劃分網(wǎng)格，最后將劃分的網(wǎng)格映射到實(shí)體模型上，如圖4所示。相對(duì)于GAMBIT而言，ICEM沒有傳統(tǒng)意義上的邊界條件設(shè)置，而是在讀入FLUENT文件后在進(jìn)行設(shè)置，但為了后續(xù)的操作，還是要將屬性相同的元素設(shè)為同一個(gè)屬性類別，比如在新建Part時(shí)，將入料口命名為Inlet，將出料口命名為Outlet，將各個(gè)壁面命名為Wall，將連接處的公共面命名為Interface。最后，將網(wǎng)格輸出，至此，利用ICEM劃分旋流器網(wǎng)格的操作已全部完成。

表1 新型旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 旋流器模型三維效果圖

圖4 旋流器模型網(wǎng)格圖

2 數(shù)值模擬與分析

在FLUENT軟件中進(jìn)行材料的選擇、邊界條件設(shè)置、計(jì)算模型的選擇和算法設(shè)置等一系列的操作，在完成各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定之后就可以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。FLUENT軟件本身具有一定的后處理功能和圖形可視化技術(shù)，為了得到形象直觀的圖形結(jié)果，需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到相關(guān)物理參數(shù)的云圖、速度矢量圖、流動(dòng)軌跡圖等，并生成簡(jiǎn)要的計(jì)算報(bào)告[7]。接下來簡(jiǎn)單介紹一下湍流模型的選擇，對(duì)于邊界條件設(shè)置和求解控制的設(shè)置在此不做詳細(xì)介紹。

2.1 流場(chǎng)模擬數(shù)學(xué)模型的選擇

由于建立的旋流器模型內(nèi)部流場(chǎng)屬于復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)，而且內(nèi)部還存在渦流，根據(jù)許多專家學(xué)者試驗(yàn)得出的結(jié)論，應(yīng)該選擇雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress)，即RSM，這個(gè)模型也被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的模型。雷諾應(yīng)力方程可以寫成下式：

Pij+Gij+φij-εij+Fij(1)

在使用雷諾應(yīng)力模型時(shí)，還需要添加k和ε的方程，它們的表達(dá)式如下：

式中，對(duì)于不可壓縮的流體而言，Gii=0。c1ε、c2ε、cη、σk、σε是常數(shù)，分別取值為c1ε=1.44、c2ε=1.92、cη=0.09、σk=0.82、σε=1.0。其中c3ε是可壓縮流體流動(dòng)計(jì)算中與浮力有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)流體的主流方向與重力方向平行時(shí)，c3ε取值為1，當(dāng)流體的主流方向與重力方向垂直時(shí)，c3ε取值為0，渦黏性系數(shù)ηt可由下列公式計(jì)算：

2.2 整體結(jié)果分析

殘差已經(jīng)非常接近0.001，而且所有參數(shù)都基本趨于水平或呈周期性變化，這是判斷計(jì)算收斂的一個(gè)重要的特征，即認(rèn)為數(shù)據(jù)可靠，可進(jìn)行數(shù)值分析。

2.2.1 壓力分布

壓力截面如圖5所示，可以看出：壓力在旋流器內(nèi)的分布呈現(xiàn)出隨著半徑減小而降低的變化規(guī)律。截面壓強(qiáng)分布如圖6所示，在旋流器中心位置靜壓力約為零，即該新型重介質(zhì)旋流器弱化了中心空氣柱影響，從而可以減小零速面附近的顆粒物料堆積、顆粒滯留波動(dòng)的現(xiàn)象，與傳統(tǒng)的旋流器相比，可以提高產(chǎn)品的分選精度。

圖5 壓力截面圖

圖6 截面壓強(qiáng)分布圖

2.2.2 密度分布

旋流器的兩個(gè)出料口都是與大氣相通的，在其內(nèi)部由于空氣的回流作用形成空氣柱。密度分布如圖7所示，可以看出，在旋流器中間部分存在著一個(gè)密度為1.225(空氣密度)的區(qū)域，主要集中在旋流器中下部，但與傳統(tǒng)用的旋流器相比，大大減小了空氣柱區(qū)域。由此也可以證明新型旋流器對(duì)于弱化中心空氣柱效果比較明顯。

2.2.3 流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡

在旋流器數(shù)值模擬計(jì)算收斂后，可以通過后處理很直觀地看出旋流器內(nèi)三維流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖8所示，物料經(jīng)入料管沿切線方向進(jìn)入旋流器后，沿著圓柱體和圓錐體內(nèi)壁形成一個(gè)向下的螺旋流，向底流口富集，并有一部分流體經(jīng)底流口排出；由于物料在圓錐體下部受到向上的力，大部分旋流液流在未到達(dá)錐頂(底流口附近)時(shí)已轉(zhuǎn)向朝中心軸流動(dòng)，經(jīng)中心輕產(chǎn)物排料管排出。下降流集中在旋流器壁與軸向速度為零的區(qū)域之間。由流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出該新型旋流器能夠?qū)崿F(xiàn)礦物按密度分選。

圖7 密度分布圖

圖8 流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2.4 速度分布

旋流器內(nèi)流體流動(dòng)的速度通常以三個(gè)分速度來表示：切向速度、徑向速度和軸向速度，切向速度決定物料所受離心力的大小，徑向速度決定流體的徑向流動(dòng)壓力，軸向速度則決定著分選物料在下降流和上升流中的位移時(shí)間，其中切向速度和徑向速度具有較大的實(shí)際意義，因?yàn)殡x心力和徑向流動(dòng)壓力是物料分層的主要力[7]。在新型旋流器中心截面上沿徑向位置做幾條具有代表性的橫線，以便研究旋流器內(nèi)速度的變化情況，各點(diǎn)坐標(biāo)見表2。

表2 抽取橫線坐標(biāo)值

1) 切向分速度。礦漿在旋流器中的切向速度是由于物料以切線方向在一定壓力下給入而獲得的，在旋流器分離過程中起著主要作用[9]。切向速度分布如圖9所示，切向速度隨旋流器半徑的減小而增大，在接近輕產(chǎn)物中心管的位置時(shí)達(dá)到最大值，而后隨半徑的減小急劇減小，且對(duì)稱性較好，即該新型旋流器內(nèi)部流體切向速度分布呈規(guī)律性變化。

圖9 切向速度分布圖

2)徑向分速度。理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)：旋流器旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)在徑向方向上存在較大的速度梯度和壓力梯度，它是實(shí)現(xiàn)顆粒有效分離的主要推動(dòng)力[10]。常規(guī)旋流器的徑向速度分布應(yīng)是：隨著徑向位置從器壁趨向軸心，徑向速度逐漸增大，在空氣柱邊緣附近又急劇降低；錐段徑向速度方向始終由器壁指向軸心，內(nèi)旋流區(qū)的徑向速度變化幅度比外旋流區(qū)的變化幅度要大。徑向速度分布如圖10所示，該新型旋流器內(nèi)部流體徑向速度分布呈規(guī)律性變化。

圖10 徑向速度分布圖

3)軸向分速度。軸向速度分布如圖11所示，流體的軸向分速度在旋流器壁附近方向向上，隨半徑減小而減小，直至零；然后轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳路较虻乃俣?，隨半徑的減小而增加，在達(dá)到空氣柱附近時(shí)達(dá)到最大值，與傳統(tǒng)旋流器內(nèi)部流體軸向速度分布規(guī)律相吻合，即證明新型旋流器軸向速度分布也呈規(guī)律性變化。

圖11 軸向速度分布圖

2.3 新型旋流器與傳統(tǒng)旋流器的對(duì)比

使用FLUENT流體模擬軟件對(duì)新型旋流器和相同規(guī)格的傳統(tǒng)型旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的結(jié)果見表3。

表3 兩種旋流器模擬結(jié)果對(duì)比

通過上表3的對(duì)比可知，在相同的規(guī)格和參數(shù)的條件下，新型旋流器相對(duì)于傳統(tǒng)旋流器底流口的流量大大提高，這也證明新型旋流器的分選方式較傳統(tǒng)的旋流器有了很大改變；同等條件下，新型旋流器的處理能力較傳統(tǒng)旋流器提高了5.1%，能損降低了19.0%，節(jié)能降耗十分明顯。

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 新型旋流器試驗(yàn)研究

在實(shí)驗(yàn)室建立相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，利用密度壺測(cè)量合格介質(zhì)的密度，通過入料處安裝的電磁流量計(jì)來測(cè)量進(jìn)料的體積流量。使用具有中等可選性的細(xì)粒煤進(jìn)行分選，入料粒度控制在2mm以內(nèi)。為了組成與實(shí)際選煤廠類似的重介質(zhì)系統(tǒng)，將磁鐵礦粉與10%的煤泥混合，介質(zhì)與煤的比值約為4.5∶1，入料密度為1.45g/cm3，進(jìn)入旋流器的進(jìn)料速度控制在6.2m/s，得到的試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)旋流器的對(duì)比見表4。

表4 兩種旋流器試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過表4的對(duì)比可知，在相同的規(guī)格和參數(shù)的條件下，新型旋流器相對(duì)于傳統(tǒng)旋流器底流口的流量大大提高，這也證明新型旋流器的分選方式較傳統(tǒng)的旋流器有了很大改變；同等條件下，新型旋流器的處理能力較傳統(tǒng)旋流器提高了4.9%，能損降低了17.6%，節(jié)能降耗效果十分明顯，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

中等可選性細(xì)粒煤分配曲線如圖12所示，從圖12中可以看出，分選密度為1.34g/cm3，比進(jìn)料介質(zhì)密度低0.11g/cm3，并且得到的結(jié)果不同于常規(guī)重介質(zhì)旋流器，可以看出細(xì)粒煤的分離精度令人滿意，可能偏差Ep值為0.04，優(yōu)于傳統(tǒng)的重介質(zhì)旋流器和其它細(xì)粒煤分離器如螺旋分選機(jī)、TBS所獲得的值，于是認(rèn)為使用該旋流器分選細(xì)粒煤是有效的。

圖12 中等可選性細(xì)粒煤分配曲線

新型重介質(zhì)旋流器中細(xì)粒煤的分離精度如此好是由于弱化了空氣柱，從而使由空氣柱的隨機(jī)偏心運(yùn)動(dòng)引起的湍流混合最小化。溢流管的設(shè)計(jì)減少了傳統(tǒng)旋流器中存在的向下和向上渦流之間的快速剪切造成的湍流混合，在湍流混合減少的情況下，通過旋流獲得的分離效果較好。

4 結(jié) 論

1)利用FLUENT軟件對(duì)新型旋流器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可便捷地分析旋流器內(nèi)流場(chǎng)情況，得到相對(duì)理想的結(jié)果。

2)通過對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的分析可知，該新型兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器可以很好地實(shí)現(xiàn)礦物按密度分選。

3)通過對(duì)旋流器內(nèi)壓力、密度的分析可知，新型旋流器結(jié)構(gòu)大大弱化了中心空氣柱的不利影響，有助于提高分選效率、降低能耗。

4)通過與傳統(tǒng)的兩產(chǎn)品旋流器模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，同等條件下新型旋流器處理量得到了提高，能耗大大降低，分離精度得到改善，分選細(xì)粒煤得到的可能偏差Ep值為0.04，效果非常顯著，為后期旋流器技術(shù)的研究與發(fā)展提供了有力的參考。