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        多進口旋流器流場特征及分離性能

        2022-02-12 08:53:32張悅刊葛江波劉培坤楊興華
        化工進展 2022年1期
        關(guān)鍵詞:切向速度旋流器旋流

        張悅刊,葛江波,劉培坤,楊興華

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

        旋流器作為一種高效固液分離設(shè)備,憑借其操作簡單、占地面積小、維修費用低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于煤礦、石油、化工、環(huán)保等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)旋流器分離效率低等缺陷制約了旋流分離技術(shù)在工程領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。因此,改善旋流器結(jié)構(gòu),提高其分離性能勢在必行。而進口結(jié)構(gòu)是影響旋流流場初始流態(tài)、干預(yù)旋流分離效果的重要因素。通過優(yōu)化旋流器進口結(jié)構(gòu),提前干預(yù)流體運行狀態(tài)和流場分布,是提高旋流器分離效率的一種有效方法。

        文獻[7?8]研究發(fā)現(xiàn),合適的旋流器進口寬度可以降低分離粒度,進而實現(xiàn)精細分離。Fan 等通過粒子圖像測速(PIV)技術(shù)測量不同入口傾角對分離效率的影響,發(fā)現(xiàn)入口傾角為30°時分離性能最高。Yoshida等通過實驗對比了傳統(tǒng)旋流器和螺旋進口旋流器的分離性能,發(fā)現(xiàn)螺旋進口旋流器分離效率較傳統(tǒng)型式有明顯提高。Zhang 等采用數(shù)值模擬方法,研究了不同曲率的弧形進口對旋流流場的影響,研究發(fā)現(xiàn)曲率較小的弧形進口旋流器可以抑制溢流跑粗現(xiàn)象,進一步提升了分離精度。Li等通過數(shù)值模擬方法對比分析了漸開線和螺旋線進口旋流器的差異,結(jié)果表明:螺旋線進口型旋流器既能抑制顆粒錯位,又能降低能量損耗。

        旋流器進口數(shù)量對旋流器流場穩(wěn)定性、分離效率同樣具有重要作用。對稱雙進口旋流器流場具有較好的穩(wěn)定性,多用于油水分離領(lǐng)域。Liu等、Hwang等對多進口旋流器進行了模擬研究,均認為在相同工況下,增加進口數(shù)量可以提升旋流器切向速度,增強離散相離心力,進而優(yōu)化分離效率。Winfield 等采用數(shù)值模擬方法分析了單、三進口旋流器流場特征,發(fā)現(xiàn)三進口旋流器可以在低入口速度工況下提供穩(wěn)定的旋流流場,以提升分離精度。

        為了進一步研究進口數(shù)量對旋流器流場性能與分離效率的影響,本文在不改變總體進料流量的前提下,將單進口旋流器改為雙進口、三進口、四進口旋流器,采用數(shù)值模擬方法研究進口數(shù)量對旋流器流場特征及分離性能的影響規(guī)律,以期為旋流器在工程領(lǐng)域的進一步推廣應(yīng)用提供理論支撐。

        1 數(shù)學(xué)模型與驗證

        1.1 結(jié)構(gòu)模型與網(wǎng)格劃分

        單進口旋流器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,多進口旋流器具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖1 單進口旋流器結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分

        圖2 多進口旋流器結(jié)構(gòu)

        表1 旋流器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)

        使用ICEM18.0 軟件對旋流器流場進行網(wǎng)格劃分,如圖1(b)所示。網(wǎng)格數(shù)量既影響模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,又決定模型計算時間成本。因此,對旋流器模型進行網(wǎng)格獨立性驗證,確定合適的模型網(wǎng)格數(shù)量是必要的。將單進口旋流器流場模型劃分網(wǎng)格數(shù)分別為27295、50925、70458、118073,進行網(wǎng)格獨立性驗證。選取旋流器軸向位置=95mm 處進行切向速度對比,從圖3 可以看出,網(wǎng)格數(shù)在50000以上時,切向速度基本一致。綜合考慮模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和模型計算時間成本,本文單進口旋流器流場網(wǎng)格數(shù)量選用50925。

        圖3 網(wǎng)格獨立性驗證

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        VOF模型通過求解單一相動量方程[式(1)],捕捉網(wǎng)格中的流體體積分?jǐn)?shù),從而實現(xiàn)對空氣柱的捕捉。

        式中,α為水相體積分?jǐn)?shù),其值介于0~1 之間;v為相方向速度;、x分別為時間、位置長度。

        RSM 模型考慮湍流各項異性假設(shè),對復(fù)雜流場的預(yù)測精度較高,可以較準(zhǔn)確預(yù)測旋流器流場特性,并通過雷諾應(yīng)力輸運方程[式(2)]封閉雷諾平均N?S方程進行求解。

        Mixture 模型作為簡化的多相流模型,通過計算混合項動量方程[式(3)]、連續(xù)性方程[式(4)]可以在短時間內(nèi)完成對離散相的預(yù)測。

        式中,為混合相密度;為混合相平均速度;為壓力;為重力加速度;為體積力;αρ為第相黏度;為第相漂移速度。

        DPM模型是追蹤低濃度顆粒運動的有效方法,通過式(5)計算顆粒運動特性,實現(xiàn)對離散相運動軌跡的預(yù)測。

        式中,uρ分別為第相顆粒速度、密度;為顆粒松弛時間;為流體速度;為附加力。

        1.3 模擬參數(shù)設(shè)置

        文中使用VOF模型、Mixture模型和DPM模型分別對旋流流場、離散相分離效率和顆粒軌跡進行預(yù)測,所用模型均為Fluent18.0商用軟件中標(biāo)準(zhǔn)模型。模型入口均為Velocity?inlet,出口均為Pressure?out。壓力?速度耦合方式采用Simple,壓力離散方法采用Presto,其他離散方法使用Quick 格式。使用VOF 模型預(yù)測旋流器的流場特性,入口速度為2.28m/s,空氣回流系數(shù)為1。Mixture模型使用CaCO顆粒預(yù)測離散相的分離效率,顆粒體積分?jǐn)?shù)為5.4%,具體顆粒粒徑分布及體積分?jǐn)?shù)見表2。DPM模型入口、溢流口均為escape模式,底流口為trap模式。計算時以進出口單位時間內(nèi)各相流量不平衡誤差小于10作為計算收斂的依據(jù)。

        表2 顆粒粒徑分布及體積分?jǐn)?shù)

        1.4 模型驗證

        相關(guān)數(shù)學(xué)模型使用前需要進行模型準(zhǔn)確性驗證。Hsieh 等測量了75mm 旋流器內(nèi)部流場速度,本文采用VOF 耦合RSM 模型,模擬得到了單進口旋流器流場的切向速度分布,如圖4(a)所示,與Hsieh 等實驗數(shù)據(jù)進行對比,兩者速度結(jié)果基本一致;將Mixture模型預(yù)測結(jié)果與文獻[22]的試驗結(jié)果進行比較,如圖4(b)所示,二者具有較高的一致性。

        圖4 模型準(zhǔn)確性驗證

        2 結(jié)果與分析

        旋流器結(jié)構(gòu)圖坐標(biāo)原點設(shè)為旋流器溢流管端面中心,選取坐標(biāo)軸=0時的截面為中心截面;進口橫截面位置設(shè)在=30mm處,如圖5所示。

        圖5 旋流器中心截面位置

        2.1 壓力分布

        圖6為不同進口旋流器不同高度位置的壓力分布,可以看出,當(dāng)旋流器位置高度<157.5mm 時,多進口旋流器(二、三和四進口旋流器)徑向壓力峰值較單進口旋流器的徑向壓力更大。而當(dāng)旋流器位置高度>157.5mm 時,4 種旋流器流場壓力分布基本相同。為進一步分析流場壓力變化,選取4種旋流器中心截面上高度=95mm 處徑向壓力進行分析,如圖7所示。從定量角度分析流場徑向壓力變化,可以看出在旋流器器壁處,多進口旋流器壓力值均大于單進口旋流器,且進口數(shù)量為偶數(shù)時,流場壓力值更大。因此,增加旋流器進口數(shù)量,有利于流場徑向靜壓力提升,從而增大顆粒徑向受力,強化顆粒分離效果。

        圖6 不同高度靜壓分布云圖

        圖7 壓力分布曲線(z=95mm)

        2.2 切向速度

        旋流流場切向速度決定了顆粒離心力的大小,影響顆粒從內(nèi)旋流到外旋流的逃逸能力。圖8是不同進口旋流器不同位置高度的切向速度云圖,可以看出,4種旋流器切向速度均呈現(xiàn)出從器壁到旋流中心先增加后降低的趨勢,但是進口數(shù)量僅對旋流場=30mm 和=51mm 高度位置的切向速度大小有一定影響,表現(xiàn)為從單進口到四進口旋流器,進口截面處流場切向速度隨進口數(shù)量的增加而增大,而隨著旋流器軸向位置的變化,這種影響逐漸減小。這一現(xiàn)象可以通過=72mm 和=95mm 位置的切向速度云圖看出。因此,可以認為進口數(shù)量僅在一定位置高度影響切向速度場變化,該影響隨值增大而逐漸降低。

        圖8 不同位置高度的切向速度云圖

        2.3 軸向速度

        圖9 是4 種旋流器中心截面上=95mm 高度位置的軸向速度分布曲線,可以看出:旋流器中心軸向速度隨進口數(shù)量的增加而增加。同時,相比于三進口旋流器,四進口旋流器軸向速度最大值略有降低,但仍大于單進口旋流器中心軸向速度。空氣柱區(qū)域軸向速度的增加在一定程度上了帶動了內(nèi)旋流的上升,所以增加旋流器進口數(shù)量,可以提升中心區(qū)域附近的流場軸向速度,進而強化旋流器處理能力。圖10是不同進口旋流器軸向零速包絡(luò)面云圖,圖中藍色區(qū)域為外旋流流場。由圖10 可以看出,相比于單進口旋流器,多進口旋流器軸向零速包絡(luò)面波動性更小,這表明增加進口數(shù)量有利于增強旋流器分離空間內(nèi)礦漿運動的穩(wěn)定性。

        圖9 軸向速度曲線分布(z=95mm)

        圖10 軸向零速包絡(luò)面云圖

        2.4 空氣柱

        空氣柱的生成是旋流器流場穩(wěn)定的重要標(biāo)志,且空氣柱對旋流器分離性能具有重要影響。圖11是不同進口結(jié)構(gòu)旋流器空氣柱的產(chǎn)生、發(fā)展、演化過程。對比空氣柱形態(tài)可以發(fā)現(xiàn),進口數(shù)量對穩(wěn)定的空氣柱形成時間有一定影響。對于多進口結(jié)構(gòu)旋流器,流場運行時間均在0.6s時形成較為穩(wěn)定的狀態(tài),而單進口旋流器空氣柱在該時間時仍表現(xiàn)為偏擺非常明顯的非穩(wěn)定狀態(tài)。為進一步分析4種旋流器對空氣柱直徑的影響,提取氣液邊界面繪制空氣柱邊界位置曲線,如圖12所示。經(jīng)對比可以發(fā)現(xiàn),處于不同軸向位置的空氣柱直徑均有隨著值的增大而減小的趨勢。同時還可以發(fā)現(xiàn),多進口旋流器空氣柱直徑總體比單進口旋流器空氣柱直徑略小,從而表明多進口旋流器不僅有利于流場在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定,而且由于空氣柱直徑較小,可以在相同的工況下有效提升旋流器的處理能力。但同時也發(fā)現(xiàn),由于多進口旋流器多個進料體的疊加,使得多進口旋流器空氣柱徑向波動比單進口旋流器略有增加。

        圖11 空氣柱形成過程

        圖12 空氣柱邊界曲線圖

        2.5 湍動能

        湍動能對旋流器流場的穩(wěn)定性、分離性能、能耗均有影響,圖13 是不同進口旋流器中心截面湍動能云圖。對比圖13 可以發(fā)現(xiàn),在主分離區(qū)內(nèi),多進口旋流器(二、三和四進口)湍動能略大于傳統(tǒng)旋流器,而在溢流管內(nèi)單進口旋流器的湍動能比其余3種旋流器大,兩者作用區(qū)域不同。在主分離區(qū)域內(nèi)礦漿運動產(chǎn)生的湍動能對礦漿分離產(chǎn)生影響,較大的湍動能可能引起顆粒在液體內(nèi)的波動性,影響分離精度;在溢流管內(nèi)空氣和礦漿流動產(chǎn)生的湍動能會對能耗產(chǎn)生額外影響,較大的湍動能會帶來能耗的增加。

        圖13 湍動能云圖

        2.6 顆粒軌跡

        通過DPM 模型追蹤了不同旋流器中7.5μm 細顆粒和57.5μm 粗顆粒的運動軌跡,如圖14 所示,其中圖14(a)~(d)依次為單、雙、三和四進口旋流器中7.5μm顆粒軌跡線,圖14(e)、(f)為對應(yīng)不同進口旋流器中57.5μm 顆粒軌跡線。圖中可以看出,4 種進口旋流器內(nèi)57.5μm 粗顆粒運動軌跡基本一致。但在相同工況下,從進口到底流口的最短分離時間分別為0.6s、0.53s、0.46s、0.416s,這表明入口數(shù)量越多,顆粒在旋流器內(nèi)停留時間越短,越有利于提高粗顆粒的處理效率。而由于7.5μm顆粒粒徑小,受湍流擴散影響較大,其軌跡線具有較強的隨機性,很短時間內(nèi)就從溢流口排出,因此入口數(shù)量對細顆粒的分離時間基本沒有影響。

        圖14 顆粒軌跡線

        2.7 分離性能

        分配率是衡量旋流器分離效果的重要指標(biāo),圖15 是不同進口旋流器底流分配率曲線??梢钥闯?,當(dāng)入口速度為3m/s、單進口旋流器處理粒徑為50μm、57.5μm 顆粒時,底流分配率分別為81.40%、90.75%;當(dāng)旋流器進口數(shù)量為二、三和四進口時,50μm 粒徑顆粒的底流分配率分別達到92.00%、91.90%和90.50%,57.5μm 顆粒的底流分配率分別達到96.34%、96.34%和96.30%。相同物料條件下,只有當(dāng)單進口旋流器入口速度為7.5m/s時,50μm、57.5μm 顆粒的底流分配率才能達到96%,這說明可以通過適當(dāng)增加進料速度和增加進口數(shù)量來實現(xiàn)粗顆粒底流分配率的提升。

        圖15 底流分配率曲線

        為了進行分離性能的全面分析,引入了分離粒度()和可能偏差()兩個指標(biāo)。表3 是不同進口旋流器分離粒度和可能偏差指標(biāo)值。由表3可以看出,入口速度為3m/s、進口數(shù)量為二、三和四時,其均比單進口旋流器小。同時還能看出,雙進口和三進口旋流器值要小于傳統(tǒng)單進口旋流器,但進口數(shù)增加到四進口時,又出現(xiàn)增大趨勢。

        表3 分離粒度和可能偏差表

        3 結(jié)論

        通過對單、雙、三、四進口旋流器流場特征及分離性能的對比模擬研究,得出以下結(jié)論。

        (1)旋流器進口數(shù)量的改變會對旋流器流場產(chǎn)生影響,相比于傳統(tǒng)旋流器,多進口旋流器可以有效增加流場徑向壓力和礦漿分離區(qū)域內(nèi)流場的穩(wěn)定性。

        (2)進口數(shù)量的增加可以有效提升旋流器分離性能。在分離50μm、57.5μm粗顆粒時,多進口旋流器(二、三和四進口)的底流分配率較傳統(tǒng)單進口旋流器分別提升了10.60%、5.59%。

        (3)多進口旋流器可以減小分離粒度,同時,多進口旋流器能在較低速度入口工況下實現(xiàn)傳統(tǒng)旋流器高入口速度才能完成的分級效果。

        需要指出的是,盡管本文通過數(shù)值模擬方法從不同角度分析了進口數(shù)量對旋流器流場和分離性能的影響,但由于流場的復(fù)雜性,研究過程中忽略了顆粒與顆粒之間、顆粒與流體之間的相互作用的影響,因此多進口旋流器的分離性能有待進一步深入研究。

        符號說明

        ,,,—— 分別為進料體長度、溢流管直徑、柱段直徑、底流口直徑,mm

        —— 雷諾應(yīng)力輸運方程中湍流擴散項,Pa/s,,=1、2、3

        —— 雷諾應(yīng)力輸運方程分子擴散相,Pa/s,,=1、2、3

        —— 分離粒度

        —— 可能偏差

        —— 體積力,N

        G—— 雷諾應(yīng)力輸運方程產(chǎn)生相,Pa/s,,=1、2、3

        —— 重力加速度,m/s

        ,,,,—— 分別為進料體高度、溢流管插入深度、柱段高度、錐段高度、底流口長度,mm

        P—— 雷諾應(yīng)力輸運方程壓力相,Pa/s,,=1、2、3

        —— 壓力,N

        ,—— 分別為時間和顆粒松弛時間,s

        —— 第相漂移速度,m/s

        v,—— 分別為水相方向速度、流體平均速度,m/s,=1、2、3

        ,u—— 分別為混合相平均速度、相顆粒速度和流體速度,m/s

        x—— 位置長度,mm,=1、2、3

        —— 水相的體積分?jǐn)?shù),%

        ε—— 雷諾應(yīng)力輸運方程耗散相,Pa/s,,=1、2、3

        φ—— 雷諾應(yīng)力輸運方程壓力應(yīng)變相,Pa/s,,=1、2、3

        ,,ρ—— 分別為流體、混合相密度、相顆粒密度,kg/m

        μ,α ρ—— 分別為流體黏度、第相流體黏度,Pa·s

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