張歲庚

(青海省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,青海 格爾木 816000)

水力旋流器作為一種高效的分級、脫泥設(shè)備,它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便、處理量大的優(yōu)點[1],同時也附帶著動力消耗大、設(shè)備磨損快和給礦壓力、給礦濃度、給礦粒度的波動對旋流器工作指標(biāo)影響十分敏感的缺點[2]。自1891 年水力旋流器問世以來,研究人員從結(jié)構(gòu)、材料、物料配比等諸多方面對水力旋流器的應(yīng)用展開了研究,其中有相當(dāng)一部分的研究在實驗室進行,隨著計算機數(shù)值仿真模擬技術(shù)的發(fā)展,此類應(yīng)用研究可以由計算速度快、精度高的計算機來完成,利用計算機數(shù)值模擬技術(shù),不僅可以縮短研究的時間,降低研究成本,更重要的是可以反復(fù)多次多場景模擬實驗場景。ANSYA_FLUENT是當(dāng)前主流的應(yīng)用于流體動力學(xué)仿真分析的軟件,利用ANSYS 的FLUENT 模塊可以有效模擬礦漿中顆粒相、液相和旋流器中氣相的相互作用后的場景。

ANSYS 有限元分析包含前處理、加載求解和后處理三步[3-4]。而精準(zhǔn)的模擬再現(xiàn)水力流旋流器三相流的運動情況,首先要建立正確的幾何模型并合理劃分有限元網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量的高低直接決定了數(shù)值模擬誤差的大小。本文所探討的正是有限元分析過程中前處理所要做的基礎(chǔ)工作。

1 旋流器的生產(chǎn)工作情況

該金礦廠目前原礦日處理量2400t 左右,工藝為半自磨(?6.0*3.0m)+球磨機(?4.2*7.3m)與FX500-GT×4旋流器組構(gòu)成閉路循環(huán)。生產(chǎn)中4 臺旋流器全開,其中溢流管為200mm,沉砂口徑均為75mm。旋流器結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。

圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 建立幾何模型

模型建立有多種方法,本文選擇在ICEM中自下而上建立圖1 中的模型,模型建立分兩部分,先建立旋流器的主體錐筒部分,后建立旋流器的溢流管,最后對兩部分進行布爾運算和拓?fù)錂z查求得旋流器的三維模型。

以旋流器的沉砂嘴底面中心點為原點自下而上建立旋流器的錐筒部分,將幾何模型的原點設(shè)置與系統(tǒng)坐標(biāo)系的原點重合,避免后期坐標(biāo)系不重合而轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系的麻煩,同時為高效建模提供便利。拓?fù)錂z查時可不用刪除多余的輔助點和輔助線,這在后面劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時不用再繪制輔助點和輔助線,從而節(jié)省建模時間,使塊能更好的擬合于幾何體。經(jīng)拓?fù)錂z查沒有特種丟失的完整模型如圖2 所示。

圖2 水力旋流器三維幾何模型

3 網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化是ICEM中劃分有限元網(wǎng)格的兩種方法。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元有兩種,二維的四邊形和三維的六面體。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元二維的有三角形、四邊形,三維的有三棱錐、三棱柱和六面體。良好的網(wǎng)格單元形狀是計算盡早收斂和獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量的重要前提,劃分網(wǎng)格時應(yīng)盡量使單元形狀接近正三角形、正四邊形、正三棱錐和正六面體。

3.1 水力旋流器結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的步驟流程如圖3 所示,幾何體已在圖2 中建立,接下來對幾何體進行分塊和關(guān)聯(lián),分塊時也按照自下而上的原則進行。

圖3 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流程

3.1.1 首先對溢流管進行分塊和關(guān)聯(lián)

對于含有曲線元素構(gòu)成的交界邊或面時,塊關(guān)聯(lián)完成后還要進行“O”型剖分才能獲得質(zhì)量較高的網(wǎng)格。

3.1.2 對旋流器錐筒部分進行分塊和關(guān)聯(lián)。

對錐筒部分進行分塊關(guān)聯(lián)操作時需要注意的是,由于溢流管插入錐筒內(nèi)部的部分已經(jīng)進行了一次分塊和關(guān)聯(lián),因此,在對錐筒進行“O”型剖分后,必須刪除與溢流管重疊部分的塊,否則劃分網(wǎng)格時會導(dǎo)致網(wǎng)格重疊紊亂計算失敗。

3.1.3 設(shè)置網(wǎng)格參數(shù),劃分網(wǎng)格

按照操作流程拓?fù)錂z查完后應(yīng)對模型進行PART 定義,這里放到第三步進行,并不影響網(wǎng)格劃分。PART 的主要作用是定義邊界或生產(chǎn)邊界層,由于在FLUENT 中流體計算從邊界開始進行的,所以定義PART 是必須的,否則在FLUENT 中流體將無法找到邊界層而無法進行計算。對于水力旋流器,我們需要創(chuàng)建以下六個部分的PART：

INLET——設(shè)定旋流器的進料口為入口；OUTLET1——設(shè)定沉砂口為出口1；

OUTLET2——設(shè)定溢流管出口為出口2；

WALL1——設(shè)定錐筒其它包絡(luò)面為壁面1；

WALL2——設(shè)定溢流管外表面為壁面2；

INTERIOR——設(shè)定插入錐筒內(nèi)部的溢流管入口流域內(nèi)部。

PART 的名字可以隨意命名,但這里這直接命名為FLUENT 中的邊界類型(Boundary Type),是為了便于在FLUENT 中進行計算時方便識別。

3.1.4 檢查優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量

參照圖1 設(shè)定全局網(wǎng)格尺寸,最大網(wǎng)格單元為0.05m,最小網(wǎng)格單元為0.005m,初始化顯示網(wǎng)格的質(zhì)量比較差,并且在旋流器進料管與圓柱形殼體的交接面處,網(wǎng)格發(fā)生了一定的畸變,這說明六面體類型網(wǎng)格單元對于細(xì)節(jié)的捕捉并不是很精確,這需要通過調(diào)整最小單元尺寸來優(yōu)化。其中,長寬比較大的網(wǎng)格單元主要集中在沉砂嘴上方,另外進料口與圓柱形殼體交界處有一部分,最小角不合格的網(wǎng)格單元主要集中在進料口與圓柱形殼體交界處,以及插入出入圓柱形殼體的溢流管部分。這就需要通過節(jié)點調(diào)整工具和函數(shù)工具調(diào)整邊界的節(jié)點數(shù)來優(yōu)化模型網(wǎng)格質(zhì)量。初始化和優(yōu)化優(yōu)化后的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)對比如表1 所示,有限元模型如圖4 所示,可以看出優(yōu)化后基本符合網(wǎng)格質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

表1 水力旋流器結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)表

圖4 水力旋流器優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

3.1.5 轉(zhuǎn)換并輸出網(wǎng)格

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生產(chǎn)的網(wǎng)格只是預(yù)網(wǎng)格,并不是實際的網(wǎng)格文件,因此,完成網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化后要將文件轉(zhuǎn)換保存為多塊網(wǎng)格文件,同時設(shè)置求解器為ANSYS Fluent,單位設(shè)置為默認(rèn)。

3.2 水力旋流器非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的步驟流程如圖5 所示,設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸及之前的操作與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法完全相同,Part 的定義也與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相同。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格省去了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中分塊關(guān)聯(lián)的步驟。非結(jié)構(gòu)化中網(wǎng)格單元類型默認(rèn)為四面體(Tetra/Mixed),也可以選擇六面體,本文中選擇默認(rèn)四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元類型,即三棱錐形體網(wǎng)格。對于四面體網(wǎng)格單元它的生成方式有以下三種。

(1)Rubust:適用于Tetra/Mixed 網(wǎng)格類型,先生成體網(wǎng)格,再生成面網(wǎng)格；

(2)Quick:適用于Tetra/Mixed 網(wǎng)格類型,先生成面網(wǎng)格,再生成體網(wǎng)格；

(3)Smooth:生成方式于Quick 相似,只是近壁面網(wǎng)格尺寸變化平緩,對初始網(wǎng)格質(zhì)量要求高；

Quick 方式一般用于對精度要就不高,粗略大致的模擬；Smooth 用于精確度較高的的模擬,它消耗的計算時間較長,對計算機的硬件要求也更高。由于受計算機硬件的限制,本文選擇Rubust 生成方式。從表2 和圖5可以看出,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中三棱錐形體網(wǎng)格單元對于細(xì)節(jié)的捕捉明顯要比結(jié)構(gòu)化中六面體網(wǎng)格單元好得多。

圖5 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流程

表2 水力旋流器非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)表表

由于單獨的四面體網(wǎng)格單元不能作為邊界層,因此選擇四面體網(wǎng)格單元作為主要網(wǎng)格單元時,需要單獨生產(chǎn)另外的邊界層,因此,在設(shè)置完全局網(wǎng)格尺寸后,在設(shè)置Part 尺寸時需要勾選生成邊界層選項(Prism)。全局網(wǎng)格尺寸與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格設(shè)置相同。

由表2 和圖6 可知生成的水力旋路器非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量基本符合質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn),可直接輸出網(wǎng)格文件,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格輸出與結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格輸出相似,不同的是非結(jié)構(gòu)化直接生產(chǎn)的就是網(wǎng)格文件,沒有網(wǎng)格預(yù)覽的步驟,設(shè)置求解器同樣設(shè)置為ANSYS Fluent, 其余為保持為默認(rèn)設(shè)置。

圖6 水力旋流器非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

4 結(jié)論

對于本文中所示的水力旋流器模型,既可以用結(jié)構(gòu)化的方法也可以非結(jié)構(gòu)化的方法來建立有限元模型。結(jié)構(gòu)化中由于存在分塊關(guān)聯(lián)的情況,并且分塊關(guān)聯(lián)水平的高低會直接影響到網(wǎng)格劃分質(zhì)量的優(yōu)劣,其操作相對繁瑣,但總體來說結(jié)構(gòu)化所建立的有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量要比非結(jié)構(gòu)化所建立的有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量高。在操作中我們也發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)化中六面體網(wǎng)格單元對于模型交界面處細(xì)節(jié)的捕捉能力要比非結(jié)構(gòu)化中四面體的網(wǎng)格單元的捕捉能力稍差。