張 智 宸 張 悅 刊 劉 培 坤 楊 猛 楊 廣 坤

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590）

水力旋流器作為一種非均相分離設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、礦物分選、環(huán)保、煤炭等領(lǐng)域［1-4］。常規(guī)旋流器在生產(chǎn)實(shí)踐中常伴有底流夾細(xì)和溢流跑粗現(xiàn)象，產(chǎn)品中顆粒粗細(xì)混雜，分離效率和分級(jí)精度有待提高。底流口直管段是水力旋流器的一個(gè)重要部件，直接影響旋流器的分離性能，因此，優(yōu)化旋流器底流口直管段結(jié)構(gòu)，是提高旋流器分離效率的一種有效方法。

ZHANG等［5］研究了旋流器底流口直徑與分離性能的關(guān)系，認(rèn)為適當(dāng)增大底流口直徑可以減小進(jìn)料粒度和濃度波動(dòng)對(duì)分離性能的影響；呂秀麗［6］研究了底流口直徑對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，認(rèn)為隨著底流口直徑的增加，旋流器內(nèi)流場(chǎng)流速降低，零速包絡(luò)面向內(nèi)向上收縮，分級(jí)效率降低；HAN等［7］設(shè)計(jì)了一種底流口直徑可調(diào)旋流器，通過底部調(diào)節(jié)裝置可快速、連續(xù)地改變底流口直徑，有利于控制底流物料排出狀態(tài)；何廷樹等［8］通過對(duì)比試驗(yàn)研究了沉砂口直管段的長度與直徑對(duì)分離效率和濃縮性能的影響。BANERJEE［9］和 DAZA［10］等對(duì)旋流器底流排料狀態(tài)進(jìn)行了研究，分析了繩狀排料和傘狀排料的形成過程以及旋流器底流擴(kuò)散角與進(jìn)料粒度分布的關(guān)系；劉鴻雁等［11］提出了新型出口擋板結(jié)構(gòu)的旋流器，提高了分離效率的同時(shí)降低了壓降；劉道友［12］詳細(xì)論證了內(nèi)附頂針式底流管結(jié)構(gòu)的旋流器在分離效率上高效性。

為進(jìn)一步探明底流口直管段長度對(duì)旋流器的流場(chǎng)特征和分離性能的影響，從數(shù)值模擬與試驗(yàn)兩個(gè)方面分析了不同底流口直管段長度對(duì)旋流器的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、濃縮性能及綜合分級(jí)效率的影響，以期為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供理論及技術(shù)指導(dǎo)。

1 旋流器的數(shù)值模擬

1.1 模型與網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

使用Solidworks 2018建立?50 mm旋流器的三維模型，旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

?

采用ICEM 18.0軟件對(duì)模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)溢流管和底流口處進(jìn)行加密處理，如圖2所示。

模型的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性以及模擬計(jì)算時(shí)間成本有著重要的影響。因此，對(duì)旋流器模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，確定合適的模型網(wǎng)格數(shù)量是必要的。將?50 mm旋流器流場(chǎng)模型劃分網(wǎng)格數(shù)分別為：20 463、39 850、60 155、80 045、102 540，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。圖3為不同網(wǎng)格數(shù)量模擬得到的切向速度對(duì)比圖。

由圖3可知，網(wǎng)格數(shù)在60 000以上時(shí)，切向速度基本一致，表明網(wǎng)格數(shù)量超過60 000時(shí)，切向速度不再受網(wǎng)格數(shù)量制約，綜合考慮模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和模型計(jì)算時(shí)間成本，確定底流口直管段插入深度為-80 mm、-60 mm、-40 mm、-20 mm、0 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm時(shí)的模擬網(wǎng)格數(shù)目分別為61 204、63 210、63 565、64 200、61 404、66 696、71 988、77 280、81 816。

1.2 邊界條件

為對(duì)比分析不同底流口直管段插入深度對(duì)旋流器分離性能的影響，采用Fluent 18.0軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。多相流模型選用mixture混合模型，湍流模型選用RSM雷諾應(yīng)力模型；入口設(shè)置為速度入口，速度大小為3 m/s，溢流口和底流口均為壓力出口；壁面邊界條件設(shè)置為NO-Slip-Wall；壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散格式為PRESTO，其他采用QUICK格式。計(jì)算時(shí)以進(jìn)出口各相流量的時(shí)均平衡作為計(jì)算收斂的依據(jù)。

1.3 模擬結(jié)果分析

為便于分析不同底流口直管段插入深度的旋流器流場(chǎng)變化，選取旋流器內(nèi)錐段區(qū)域的Z1=90 mm和Z2=110 mm兩特征高度截面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖4所示。

1.3.1 靜壓力分布

旋流器內(nèi)部顆粒分離過程的本質(zhì)是壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，因此有必要分析旋流器的壓力分布。圖5為不同旋流器在不同高度處的靜壓力分布云圖。

由圖5可知，靜壓力均呈對(duì)稱分布，由器壁到軸心逐漸減小。在-80～60 mm范圍內(nèi)，隨直管段插入深度的增加，旋流器近壁處壓力值逐漸增大，軸心處基本相同，插入深度為80 mm時(shí)壓力值有略微下降。壓力梯度力是細(xì)顆粒徑向運(yùn)動(dòng)的主要作用力［13］。因此，適當(dāng)增加直管段插入深度，有利于減少外旋流的細(xì)顆粒含量，強(qiáng)化旋流器內(nèi)顆粒分離效果。

1.3.2 切向速度分布

切向速度數(shù)值在速度分量中最大，是水力旋流器內(nèi)固液兩相分離的主要?jiǎng)恿?。圖6為不同旋流器不同高度的切向速度分布云圖。

由圖6可知，在兩個(gè)高度（Z1=90 mm和Z2=110 mm）位置處，不同旋流器的切向速度均呈“M”型分布，速度值從壁面向軸心先增大后減小。直管段插入深度對(duì)切向速度的影響以0 mm為中心呈對(duì)稱分布。在這兩個(gè)高度位置處，插入深度為0 mm時(shí)切向速度峰值最小，插入深度為-60 mm和60 mm時(shí)切向速度峰值最大。說明底流口直管段插入深度絕對(duì)值過小時(shí)會(huì)導(dǎo)致切向速度的降低，不利于分離性能的提高。

1.3.3 徑向速度分布

徑向速度反映流體在旋流器內(nèi)沿徑向的運(yùn)動(dòng)速度和規(guī)律，對(duì)旋流器的兩相分離作用也不可忽視。圖7為不同旋流器不同高度的徑向速度分布云圖。

由圖7可知，不同旋流器徑向速度分布規(guī)律一致，即器壁處速度為0，向內(nèi)逐漸增大，軸心處達(dá)到極大值；隨插入深度增加，徑向速度呈先增大后減小的趨勢(shì)，插入深度為-20 mm時(shí)速度最大，說明直管段插入深度的絕對(duì)值增加有利于徑向速度減小，從而使旋流器內(nèi)部顆粒停留時(shí)間長，有利于分級(jí)效率和分級(jí)精度的提升。

1.3.4 湍動(dòng)能

旋流器流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能變化復(fù)雜［14］。圖8為底流口直管段不同插入深度流場(chǎng)湍動(dòng)能變化云圖。

由圖8可知，直管段插入深度為-80 mm時(shí)湍動(dòng)能最小，但直管段插入過深會(huì)導(dǎo)致空氣柱不穩(wěn)定，插入深度為-60 mm時(shí)流場(chǎng)較為穩(wěn)定，且湍動(dòng)能相應(yīng)減小。在-40～80 mm范圍內(nèi)，隨直管段長度增加，流場(chǎng)湍動(dòng)能先減小再增大，直管段長度在20 mm時(shí)的湍動(dòng)能最小。說明直管段長度絕對(duì)值過大會(huì)導(dǎo)致湍動(dòng)能增大，進(jìn)而對(duì)旋流器流場(chǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。湍動(dòng)能減小，會(huì)使離散相所受流體阻力降低，更有利于水力旋流器實(shí)現(xiàn)精細(xì)分離。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在底流口直管段長度分別為0 mm、20 mm、40 mm、60 mm和80 mm情況下進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以產(chǎn)品的質(zhì)量濃度、產(chǎn)率、流量、粒度、綜合分級(jí)效率和分離粒度為指標(biāo)，探究底流口直管段長度對(duì)?50 mm旋流器分離性能的影響。試驗(yàn)操作壓力0.1 MPa，選取石英砂為物料，配制質(zhì)量濃度約為10%的礦漿，進(jìn)料粒級(jí)組成如表2所示。

?

試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖9所示。將清水與石英砂物料混合加入攪拌桶配制礦漿，經(jīng)攪拌器攪拌均勻后由離心泵打入旋流器進(jìn)行試驗(yàn)，溢流和底流經(jīng)管路返回料筒攪拌，保證試驗(yàn)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，待運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)底流、溢流和進(jìn)料進(jìn)行取樣，分析產(chǎn)品濃度和產(chǎn)率，采用體積法計(jì)算各產(chǎn)品流量，利用BT-9300S激光粒度分布儀進(jìn)行粒徑檢測(cè)，分析計(jì)算分離粒度和綜合分級(jí)效率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 直管段長度對(duì)旋流器濃縮性能的影響

表3為不同直管段長度對(duì)旋流器濃縮性能的影響。

由表3可知，隨著底流口直管段長度的增加，濃縮倍數(shù)先增大后基本不變，底流分流比逐漸降低。結(jié)合模擬結(jié)果可知，隨著直管段長度的增加，流場(chǎng)靜壓力增加，壓力梯度力增加，有更多的兩相流進(jìn)入內(nèi)旋流，進(jìn)而從溢流口排出，導(dǎo)致溢流濃度增加，使得進(jìn)入底流的液體和顆粒都減少，底流流量占比減小，又由于水相減少的比例更大，所以底流濃度增加，而底流固相產(chǎn)率減小。旋流器直管段長度從0增至40 mm，對(duì)濃縮性能影響較大，長度越長，濃縮性能越好，直管段長度大于40 mm則對(duì)濃縮性能影響變小。

?

2.2.2 直管段長度對(duì)產(chǎn)品細(xì)度和分離粒度的影響

產(chǎn)品細(xì)度反映了產(chǎn)品粒徑的粗細(xì)程度，分離粒度是指粒度分離曲線上分配率為50%的顆粒粒度，兩者均為旋流器的重要性能指標(biāo)。不同底流口直管段長度下各產(chǎn)品中位粒徑變化和分離粒度見表4，底流、溢流顆粒累積曲線如圖10所示。

?

由表4可知，旋流器底流口直管段長度由0增加至80 mm，底流產(chǎn)品中位粒徑由49.32 μm增大至65.88 μm，溢流產(chǎn)品中位粒徑由 8.57 μm 增大至21.16 μm，分離粒度從 11.91 μm 增大至 38.48 μm。溢流產(chǎn)品的中位粒徑、底流產(chǎn)品的中位粒徑以及分離粒度均隨直管段長度的增加而增大，且均在20～40 mm范圍增加幅度最大。

由圖10可知，隨著旋流器直管段長度的增加，溢流和底流產(chǎn)品均變粗，且在直管段長度從20 mm增至40 mm時(shí)的變化幅度最大。結(jié)合流場(chǎng)變化可知，由于直管段長度的增加，導(dǎo)致流場(chǎng)切向速度增大，顆粒所受的離心力增強(qiáng)，原本隨外旋流進(jìn)入底流的部分細(xì)顆粒轉(zhuǎn)而進(jìn)入內(nèi)旋流，并從溢流口排出，減少了底流中細(xì)顆粒的含量，但是由于這部分顆粒比原本溢流顆粒更粗，所以溢流中位粒徑增大，反過來說，直管段長度的減少更有利于溢流產(chǎn)品變細(xì)。

2.2.3 綜合分級(jí)效率

為定量分析水力旋流器的分級(jí)效果，對(duì)于某指定粒級(jí)的顆粒，評(píng)價(jià)小于該粒徑的顆粒進(jìn)入溢流，大于該粒級(jí)的顆粒進(jìn)入底流的能力的指標(biāo)為綜合分級(jí)效率，綜合分級(jí)效率普遍采用漢考克公式，即

式中：E漢為旋流器對(duì)某一粒級(jí)的綜合分級(jí)效率，%；α為進(jìn)料中該粒級(jí)的負(fù)累計(jì)含量，%；β為溢流中該粒級(jí)的負(fù)累計(jì)含量，%；γ為底流中該粒級(jí)的負(fù)累計(jì)含量，%；

本研究選取-30 μm顆粒含量進(jìn)行計(jì)算，不同直管段長度下各產(chǎn)品-30 μm顆粒含量分析結(jié)果如表5所示。

?

由表5可知，直管段長度由0增加至80 mm，底流中-30 μm顆粒含量從24.54%降到6.43%，溢流中-30 μm顆粒含量從95.71%降到62.10%，且均在20～40 mm范圍降低幅度最大。

以-30 μm粒級(jí)計(jì)算綜合分級(jí)效率，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，直管段長度由0增大到60 mm，其綜合分級(jí)效率從44.96%增加到64.56%，到80 mm后略有降低。結(jié)合數(shù)值模擬可知，在0～60 mm范圍，隨著直管段長度的增大，流場(chǎng)靜壓力與切向速度均增加、徑向速度減小，顆粒在旋流器內(nèi)停留時(shí)間增加，底流夾細(xì)現(xiàn)象減少，使得旋流器的分級(jí)性能提高；底流管長度為80 mm時(shí)，流場(chǎng)靜壓力和切向速度均有減小，分級(jí)性能略有降低。傳統(tǒng)旋流器直管段長度為20 mm，其綜合分級(jí)效率為50.71%，直管段長度為60 mm的旋流器綜合分級(jí)效率較傳統(tǒng)旋流器提高了13.85個(gè)百分點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）隨直管段插入深度絕對(duì)值的增大，流場(chǎng)靜壓力、切向速度、湍動(dòng)能均有不同程度的增加，徑向速度有所減小。表明適當(dāng)增加直管段插入深度有利于提高旋流器分級(jí)效率和分級(jí)精度。

（2）直管段長度變化對(duì)旋流器濃縮性能影響較為顯著。在一定范圍內(nèi)，隨著直管段長度的增加，分流比減小、底流產(chǎn)率減小，旋流器濃縮倍數(shù)增大，濃縮性能變好，直管段長度進(jìn)一步增加對(duì)濃縮性能影響減小。

（3）隨直管段長度的增加，旋流器溢流、底流的粒度均有變粗的趨勢(shì)，分離粒度增大，綜合分級(jí)效率提高。