李 慧 張發(fā)廳

0 引言

水力旋流器是一種應(yīng)用非常廣泛的液體非均相混合物的分離設(shè)備。自問(wèn)世以來(lái),有關(guān)其研究與應(yīng)用方面的文獻(xiàn)已有很多,然而所涉及的大都是分級(jí)方面,應(yīng)用于固—液分離方面的則比較少。由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、處理量大、分離效率高并且可連續(xù)操作等優(yōu)點(diǎn),因而其在固—液分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。

單純通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法[1,2]研究旋流器,周期長(zhǎng)、成本較高且受到模型尺寸、人身安全和測(cè)量精度上的限制。因此,本文針對(duì)地下水除沙用的固—液分離水力旋流器,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的FLUENT商業(yè)軟件包對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)改變模型的結(jié)構(gòu)參數(shù),探討其對(duì)水力旋流器性能的影響,從而為水力旋流器優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),減少能耗提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 模型幾何結(jié)構(gòu)尺寸

如圖1所示,柱體段長(zhǎng)度h=300mm,插入深度S=100mm,旋流器錐角α=15°。

其余幾何參數(shù)如下:

a=40 mm;b=80 mm;De=85mm;D=250mm;B=60 mm; H=1 021mm。

為更符合實(shí)際工況,底流口延長(zhǎng)一平行直管,長(zhǎng)度為 50mm。

2 水力旋流器內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法

2.1 湍流模型

目前可用于工程實(shí)際的模擬方法,仍是從Reynolds時(shí)均化方程出發(fā)的模擬方法,這就是常說(shuō)的“湍流模型”[3],其基本出發(fā)點(diǎn)是利用某些假設(shè),將Reynolds時(shí)均化方程中的高階湍流脈動(dòng)關(guān)聯(lián)項(xiàng)用低階關(guān)聯(lián)項(xiàng)或時(shí)均量來(lái)表達(dá),從而使Reynolds時(shí)均化方程組封閉可求解。

2.2 積分區(qū)域的離散化

在對(duì)指定的問(wèn)題進(jìn)行CFD計(jì)算之前,首先要將計(jì)算區(qū)域離散化,把它劃分成許多個(gè)子區(qū)域,并確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制容積,從而生成網(wǎng)格。

2.3 求解方法的確定

將控制方程組離散變?yōu)榇鷶?shù)方程后,接下來(lái)就是求解的問(wèn)題了。水力旋流器內(nèi)流場(chǎng)為時(shí)均定常、各向異性的強(qiáng)湍流旋流流動(dòng)。針對(duì)水力旋流器的流場(chǎng),一般采用SIMPLE,SIMPLER,SIMPLEC等系列壓力—速度修正算法求解。FLUENT軟件提供了SIMPLE,SIMPLEC和PISO三種處理壓力—速度耦合關(guān)系的算法。SIMPLEC是SIMPLE的改進(jìn)算法,意為協(xié)調(diào)一致的SIMPLE算法,在該算法中可不再對(duì)壓力修正值進(jìn)行欠松弛處理。PISO一般用于求解非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,而且對(duì)于動(dòng)量方程與其他標(biāo)量場(chǎng)強(qiáng)烈耦合的穩(wěn)態(tài)問(wèn)題,用PISO方法很不容易收斂。

因此,結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn),本文的研究采用穩(wěn)態(tài)迭代法的 SIMPLEC算法。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響

由模擬結(jié)果可分別得到各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響。

3.1 溢流管直徑對(duì)壓降的影響

溢流管直徑是一個(gè)很重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),它一定程度上決定了內(nèi)、外旋流的分界點(diǎn)位置,對(duì)壓降和分離效率的影響都較大。

表1 溢流管直徑—壓降關(guān)系表

本文在進(jìn)口流量為 80 m3/h的情況下,即入口流速為6.94m/s時(shí),對(duì)溢流口直徑分別為 70,85,95,100的旋流器進(jìn)行了數(shù)值模擬,對(duì)比考察了溢流管直徑對(duì)壓降的影響。表 1列出了不同溢流管直徑下的模擬壓降值和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值。由數(shù)值預(yù)報(bào)的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值可看出,隨著溢流管直徑的增大,靜壓降、動(dòng)壓降絕對(duì)值、總壓降都隨之減小。作者認(rèn)為,直徑較小的溢流管中流體的速度較大,即動(dòng)能較大,因而靜壓能較低,靜壓降較大。同時(shí),小直徑的溢流管的阻力損失相應(yīng)也會(huì)增大,因此,總的壓降也較大。

3.2 溢流管直徑對(duì)分離效率的影響

表2列出了入口流速為 6.94m/s時(shí),不同溢流管直徑下的模擬的分離效率和分級(jí)效率值。從表 2中可以看出,隨著溢流管直徑的增大,總的分離效率、分級(jí)效率均逐漸降低。粒徑為 3.95μm的顆粒的分離效率降低幅度較大,即所受溢流管直徑的影響較大,而粒徑為 27.2μm的顆粒分離效率幾乎不受溢流管直徑的影響。作者認(rèn)為,當(dāng)溢流管直徑增大時(shí),內(nèi)外旋流的分界點(diǎn)逐漸向筒壁外移,使得內(nèi)旋流區(qū)域增大,外旋流區(qū)域減小,顆粒更容易卷入內(nèi)旋流從溢流管逃逸而不能有效分離。同時(shí),溢流管直徑的增大,使得短路流更容易發(fā)生,粒徑較小的顆粒很容易被短路流夾帶,因此對(duì)溢流管直徑變化較為敏感。盡管較小溢流管直徑分離效率較高,但是由前面的分析可知,較小的溢流管徑同時(shí)也會(huì)增大壓降,即增大能耗。因此,在實(shí)際工況中,應(yīng)根據(jù)具體的生產(chǎn)要求,來(lái)確定所選擇的水力旋流器的溢流管直徑尺寸。

3.3 溢流管插入深度對(duì)分離效率的影響

一般情況下,固—液旋流器中的溢流管要向圓柱段內(nèi)插入一定深度,來(lái)減少由于短路的作用而使進(jìn)入旋流器頂部的分散相顆粒直接從溢流管排出從而降低分離效率。合理的溢流管插入深度有利于分離效率的提高。本文考察了一定進(jìn)口流量的前提下,溢流管插入深度分別為80mm,100mm,105mm,125mm,150mm的情況下對(duì)分離效率的影響。表 3列出了不同插入深度下,分離效率和粒級(jí)效率的模擬計(jì)算值。

可以看出,隨著溢流管插入深度的增大,總的分級(jí)效率先增大,后又逐漸減小,其曲線出現(xiàn)了一個(gè)高效平緩區(qū)。該高效區(qū)大概區(qū)段在 100mm～125mm。各分級(jí)效率總體也呈現(xiàn)這樣一個(gè)趨勢(shì),即效率先增大后減小,但是粒徑較大的顆粒的分離效率幾乎不受溢流管插入深度變化的影響。

因此,由數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出,溢流管插入太淺,不利于短路流的抑制;但插入太深,會(huì)使中小顆粒不易分離,因而造成總的分離效率下降。

表3 溢流管插入深度—分離效率關(guān)系表

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用FLUENT軟件,采用貼體坐標(biāo)法的網(wǎng)格劃分,通過(guò)對(duì)固—液分離用水力旋流器的數(shù)值模擬,深入研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器性能的影響。在入口流量一定的情況下,隨著溢流管直徑的增大,靜壓降、動(dòng)壓降絕對(duì)值、總壓降都隨之減小,然而其分離效率也隨之減小,所以應(yīng)兼顧考慮能耗與壓降這二者的關(guān)系。隨著溢流管插入深度的增大,總的分級(jí)效率先增大,后又逐漸減小。溢流管插入太淺,不利于短路流的抑制;但插入太深,會(huì)使中小顆粒不易分離,因而造成總的分離效率的下降,其插入深度存在一個(gè)高效取值區(qū)。

[1] Kelsall D.F..A Study of the Motion of Solid Particle in a Hydraulic Cyclone[J].Trans.Instn Chem.Eng.,1952,30(1):87-108.

[2] Brad ley D.,Pulling D.J..Flow Patterns in the Hydraulic Cyclone and Their Interpretation in Terms of Performance[J]. Trans.Instn.Chem.Eng.,1959,37(2):34-35.

[3] 賀友多.傳輸過(guò)程的數(shù)值方法[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1991:111-115.

[4] Dai.G.Q.,L.J.M.,Chen.W.M..Numerical Prediction of the Liquid Flow within a Hydrocyclone[J].Chemical Engineering Journal,1994,7(4):217-223.

[5] He.P.,Salcudean.M..A Numeirical Simulation of Hydrocyclones[J].Trans.Instn.Chem.Eng.,1999,77(Part A):429-439.

[6] 鄒 寬,楊 茱,曹 瑋,等.水力旋流器湍流流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2004,25(1):127-129.