基于CFD的多锥段旋流器内部流场的数值模拟

基于CFD的多锥段旋流器内部流场的数值模拟
蒋基安;赵天彪;杨兴华;刘培坤;刘美汝
【摘要】针对疏浚泥浆中固体颗粒粒度小,粒级分布范围宽的特点,提出了一种新型的多锥段旋流器结构,并采用雷诺应力(RSM)湍流模型,应用Fluent软件对旋流器内部的三维流动进行了数值模拟,得到了压力场和速度场的分布规律.实验测试结果验证了数值模拟结果的正确性,为该类型旋流器进行进一步的优化设计提供了理论依据.
【期刊名称】《现代矿业》
【年(卷),期】2013(000)011
【总页数】4页(P21-24)
【关键词】疏浚泥浆;旋流器;多锥段;CFD;数值模拟
【作者】蒋基安;赵天彪;杨兴华;刘培坤;刘美汝
【作者单位】中交上海航道勘察设计研究院有限公司;中交上海航道勘察设计研究院有限公司;山东科技大学机械电子工程学院;山东科技大学机械电子工程学院;山东科技大学机械电子工程学院
【正文语种】中文
旋流器作为一种通用分级分离设备，在矿业、化工、环保、医药等领域广泛应用［1-2］。

近年来，在江河湖海疏浚工程中，旋流器替代传统的船舱自然沉降溢流法，逐渐应用于疏浚泥水分离作业，提高了挖泥船装舱浓度。

目前关于疏浚泥水分离用旋流器的分离性能已有部分研究报道［3-4］，但是旋流器单机处理量较小，
若采用大直径旋流器又存在分离效率低、精度差的问题。

为解决旋流器提高分离精度与增加单机处理量这一矛盾问题，本文提出一种用于疏浚泥水分离的新型旋流器，通过采用渐扩型进料体和多锥段组合的结构方案，消除了短路流和空气柱带来的不利影响，增大了旋流器的有效分离空间，提高了分离精度、降低了能耗。

为了充分了解该旋流器的内部流场特性，利用流体计算动力学（CFD）［5-7］对其进行分析研究。

首先利用Solidworks软件，对渐扩进料体旋流器进行三维建模，应用Gambit软件对多锥段三维模型进行网格划分，然后利用流场模拟软件Fluent 6.3对其内部流场进行模拟。

在得到多锥段旋流器内部压力场、速度场分布规律后，将模拟结果与实验结果进行对比分析，以验证模拟结果的正确性，并为下一步的结构优化设计提供理论依据。

传统水力旋流器的几何结构如图1（a）所示，主要由进料管、筒体柱段和锥段组成，其结构参数包括旋流器直径D，进料口直径Di，筒体柱段长度H，溢流管直
径D0、插入深度L、壁厚W，底流口直径Du，以及锥角θ。

但是，疏浚泥浆具有颗粒粒度小，粒级分布范围宽等特点，针对这些特性，疏浚泥浆用旋流器必须满足较大生产能力、较小分离粒度、较高分离效率的要求。

在旋流器设计时，以分离浓缩为目的的旋流器要尽量选择不容易发生涡流的结构。

从抑制发生涡流的角度出发，锥段长度与直径的匹配关系应选择发生涡流最为困难的结构。

因此，本文提出一种新型的多锥段旋流器，突破了传统柱锥型结构，由渐扩锥形进料体、大锥、二锥、小锥、溢流管等组成，如图1（b）所示。

旋流器直径较传统
的旋流器有所增大，目的是增大处理量。

采用渐扩锥形进料体结构，相比于柱形进料体，一方面可以增加流体切向速度，提高分离效率，另一方面可以减少短路流。

旋流器的锥形部分采用多锥段组合结构，其目的是通过锥体高度的增加，增加颗粒的有效停留时间，提高分离精度和分离效率。

2.1 物理模型
根据实验工况设计大锥直径D＝150 mm的多锥段旋流器，使用Solidworks三维设计软件构建旋流器的物理模型并应用Gambit软件对模型进行网格划分，包括进料体、溢流管、大锥、二锥、小锥和底流管，见图2。

考虑到旋流器的形状比较规则，计算精度要求高，对旋流器采用结构网格划分。

整个计算区域由结构化六面体网格划分而成，在近壁涡流处网格划分密集，在远壁处网格划分稀疏，共包括798 800个网格单元。

2.2 控制方程
流体在水力旋流器内部的流动属于三维、粘性、不可压缩流动，其运动规律符合Navier-Stokes方程［7］。

由于旋流器内部流体在流动过程中热传递很少，可忽略不计，因此在控制方程组中不必考虑能量守恒方程。

连续性方程见式（1），动量方程见式（2）：
式中，ρ为流体密度；u为流体速度；p为压力；x为空间坐标；μ为流体粘度。

湍流模型采用雷诺应力模型（Reynolds Stress Model，RSM），RSM模型放弃了涡粘性假设，适用于模拟强旋湍流［7］。

2.3 边界条件和数值模拟方法
在对旋流器进行单相模拟计算时，物料定义为水，温度采用常温，进口总流量为15.3 m3／h，其进出口边界条件为：
（1）进口。

进口速度按试验值给定，即垂直于进口截面的速度u＝4.00 m／s。

（2）底流口。

出口边界处静压为常压。

（3）溢流口。

出口边界处静压为常压。

（4）壁面。

采用标准壁面函数。

压力与速度的耦合方式采用SIMPLE算法。

为了得到较为精准的模拟结果，动量方程、雷诺应力方程的离散均采用Quick格式。

2.4 物性参数
此处主要讨论清水介质下旋流器的流场规律，流体选取纯水，水的粘度取μ0＝
0.01 Pa·s，密度取ρ＝1 000 kg／m3。

3.1 进口速度矢量分布
旋流器入口所在横截面处的流体速度矢量图如图3所示，它清楚的显示了旋流器
内流体的运动规律，可以看出流体进入旋流器之后变为旋转运动。

3.2 压力场分布
在图2所示的旋流器中截取x＝0平面，其压力分布云图见图4。

图中可见，在器
壁附近压力高，而在中心轴附近压力较低，有利于固体颗粒向中心轴方向移动，符合旋流分离的一般规律。

对旋流器z＝－527mm，z＝－837mm，z＝－1 267 mm 3个截面处（分别为旋流器的大锥、二锥和小锥段）的压力分布图进行比较，如图5所示。

由图可知，
沿大锥向小锥方向，同一截面上的压差越来越小，即随着截面距溢流管距离的增大，压力在该截面上的分布逐渐趋于均匀。

因此，压力波动的范围在旋流器内部各区域是不一样的，总体来说是越靠近溢流管越大，越靠近底流管则越小。

3.3 切向速度
进料体段两个截面上的切向速度分布曲线如图6所示，其中z＝－184 mm截面
接近溢流管底部，z＝－326 mm截面靠近进料体的下端部。

在大锥和二锥段处取
3个截面，分别是z＝－527 mm，z＝－737 mm和z＝－837 mm，其切向速度分布曲线见图7。

由图可见，在不同横截面上，切向速度分布规律基本相同，均是从器壁沿半径向中心轴方向先增大，符合自由涡的规律；而在中心轴附近，切向速度数值沿半径向中心轴急剧降低，符合强制涡的规律。

因此，模拟结果符合经典的切向速度分布规律。

另外由图7可知，就速度绝对值而言，随着流体从大锥向小
锥方向运动，切向速度逐渐减小，分离能力也逐渐降低。

3.4 轴向速度
为了进一步验证模拟结果的正确性，制作旋流器模型并搭建了测试试验台。

以清水作为介质，采用丹东百特公司生产的激光粒度仪对旋流器进行轴向速度和径向速度测试，并将测试结果与模拟结果进行比较。

旋流器大锥段z＝－527 mm和z＝－617 mm两个截面处的轴向速度分布比较如图8所示。

从图中可以看出，模拟值
与测试值吻合情况良好。

流体的轴向速度从器壁沿半径向中心轴方向不断增大，在某点轴向速度为零，通过轴向速度为零的各点形成零速包络面（LZVV）。

在LZVV面以内，轴向速度改变方向，液体向溢流管方向流动，形成内旋流；而在LZVV面以外，液体则向底流口方向流动，形成外旋流。

从速度数值大小来看，内旋流的速度明显大于外旋流。

从图上还可以看出，在大锥段，随着流动由上至下的不断推进，靠近旋流器壁处的下行流的速度和范围逐渐增大，而靠近旋流器中心轴的流体流速则逐渐减小。

（1）根据疏浚泥浆的特性提出了一种新型的多锥段旋流器，突破了柱锥型传统结构，采用渐扩锥形进料体和多锥段组合的锥体结构，可以减少短路流，增加颗粒的有效停留时间，提高分离精度和效率。

（2）应用雷诺应力模型（RSM），利用模拟软件Fluent6.3对旋流器内部单相三维流动进行了湍流数值模拟，得到了压力场、速度场的分布图，并与实验测得的大锥段轴向速度特性进行比较，模拟值与实测值吻合良好，验证了模拟方法的可行性。

（3）多锥段旋流器的压力分布特点是，随着截面距溢流管距离的增大，其压差逐渐减小，即同一截面上压力波动的范围越靠近溢流管越大，越靠近底流口则越小。

速度分量中，切向速度数值最大，对分离起到决定性的影响。

自上游向下游，切向速度逐渐减小，分离能力逐渐减弱。

大锥段内的轴向速度，在零速包络面以里的内旋流，轴向速度自上向下速度值逐渐减小，而在零速包络面以外的外旋流，轴向速度自上向下逐渐增大。

【相关文献】
［1］褚良银.水力旋流器［M］.北京：化学工业出版社，1998.
［2］ Wang B，Yu A B.Numerical study of particle-fluid flow in hydrocyclones with different body dimensions［J］.Minerals Engineering，2006，19（10）：1022-1033. ［3］孙磊，余龙，谭家华.一种用于疏浚泥沙分离的水力旋流器效率分析［J］.中国港湾建设，2007，151（7）：26-28.
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