朱明軍，袁惠新，付雙成，董連東（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213000）

臥螺式浮渣分離離心機(jī)兩相數(shù)值模擬

朱明軍，袁惠新，付雙成，董連東
（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213000）

第一作者：朱明軍（1988—），男，碩士研究生。E-mail zhumj07420418@126.com。

聯(lián)系人：袁惠新，教授。E-mail yuanhuixin2000@126.com。

摘要：傳統(tǒng)的臥式螺旋卸料離心機(jī)只能分離沉渣，不能分離浮渣。本文對(duì)一種分離輕質(zhì)固體浮渣的臥螺離心機(jī)進(jìn)行兩相數(shù)值模擬研究，使用Pro-E軟件建立三維模型，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，基于Euler多相流模型，采用RNG k-ε湍流模型及多重參考系（MRF）方法，模擬分析了這種臥螺離心機(jī)內(nèi)的固液兩相體積分?jǐn)?shù)分布以及操作參數(shù)和物性參數(shù)對(duì)流場(chǎng)和分離性能的影響。模擬結(jié)果表明：此臥螺離心機(jī)適用于高濃度、中粗粒子的分離；流體沉降分層比較明顯，水在液池的外層，浮渣在內(nèi)層；轉(zhuǎn)速差總體上對(duì)分離性能影響不大，但不能過(guò)低或是過(guò)高，保持在30～70r/min是比較好的選擇；進(jìn)料濃度增加，顆粒沉降速度降低，分離效率會(huì)下降；小顆粒沉降速度底且易“反混”而分離性能差，較大顆粒沉降速度高，分離性能明顯高于小粒徑顆粒。

關(guān)鍵詞：浮渣分離；臥螺離心機(jī)；數(shù)值模擬；分離性能

臥螺離心機(jī)作為一種高效分離設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、建筑工程、生物醫(yī)療等行業(yè)。很多學(xué)者對(duì)其原理結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算以及其內(nèi)部流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了深入研究[1-2]，近年來(lái)一些研究者也對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究。

鄭勝飛、于萍、劉京廣等[3-5]對(duì)分離沉渣的普通臥螺離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，其理論分析及模型建立均未考慮螺旋對(duì)于內(nèi)部流場(chǎng)的影響，與實(shí)際工況相差較大，但對(duì)本文研究的浮渣式離心機(jī)提供了一定的模擬參考。

俞衛(wèi)軍[6]通過(guò)對(duì)普通固液分離臥螺離心機(jī)的三維流場(chǎng)數(shù)值模擬，分析研究了影響含油浮渣離心脫水效果的主要因素，但其主要是進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)投加高分子絮凝劑使輕質(zhì)浮渣聚集結(jié)塊而沉降在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，提高普通臥螺離心機(jī)的處理能力。

以上所述普通臥螺離心機(jī)只能分離沉渣，而臥螺式浮渣分離離心機(jī)應(yīng)用前景廣闊，比如焦化廠中的冷焦廢水除去輕質(zhì)含油焦粉、“三泥”處理中含油浮渣脫水工藝、輕質(zhì)纖維和塑料的回收利用等[7-10]。然而，到目前為止國(guó)內(nèi)外在這方面的研究較少，尤其是在現(xiàn)今CFD模擬軟件Fluent高速發(fā)展的時(shí)期，很少有人在這方面做過(guò)數(shù)值模擬研究，從而來(lái)更好地指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)出較高性能的臥螺式浮渣分離離心機(jī)。

本文研究的浮渣分離離心機(jī)主要參考一種分離冰粒懸浮液的臥螺離心機(jī)[11]。其幾何模型如圖1所示，螺旋葉片在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的高度較低，輕質(zhì)固體在液池的內(nèi)層，重相液在外層，在轉(zhuǎn)鼓柱段的內(nèi)壁上沿軸向裝設(shè)有相當(dāng)數(shù)量的筋板，且在轉(zhuǎn)鼓左端溢流口附近設(shè)有環(huán)形擋板以阻止輕質(zhì)固體浮渣流向溢流口，減少液體的含渣量。

1　模型簡(jiǎn)介及邊界條件

1.1模型簡(jiǎn)介

利用Pro-E三維建模軟件建立的臥螺式浮渣分離離心機(jī)的三維模型見(jiàn)圖2，其中在轉(zhuǎn)鼓軸向方向上設(shè)置12塊筋板，由于研究的是離心機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)，所以這里將進(jìn)料裝置簡(jiǎn)化，直接將3個(gè)進(jìn)料管連在錐段并與軸線平行，6個(gè)出液口在轉(zhuǎn)鼓大端最左側(cè)，環(huán)形擋板位于螺旋內(nèi)筒距離轉(zhuǎn)鼓左端面20mm處，厚度為5mm，結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。對(duì)轉(zhuǎn)鼓和螺旋采用T-grit方法創(chuàng)建的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖3所示，共劃分出1778661個(gè)網(wǎng)格、3929398個(gè)面、386388個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1　臥螺式浮渣分離離心機(jī)幾何模型

圖2　浮渣分離離心機(jī)三維模型組裝圖及主要尺寸（單位：mm）

圖3　浮渣分離離心機(jī)三維模型網(wǎng)格

表1　臥螺式浮渣分離離心機(jī)幾何模型基本尺寸

1.2邊界條件

入口設(shè)定為速度入口邊界，入口速度v=0.4m/s，方向垂直于入口方向，入口湍流強(qiáng)度為5%。除下文模擬的可變的操作參數(shù)和物性參數(shù)外，物料固液兩相流基本參數(shù)及離心機(jī)基本運(yùn)行參數(shù)有：液相介質(zhì)為水，密度ρl=998kg/m3，黏度μl=0.001Pa? s ；固相為硅顆粒，密度ρs=500kg/m3，黏度μs=1.72×10?5，固體顆粒粒徑為1mm，固相所占流體體積分?jǐn)?shù)為20%，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為3500r/min，轉(zhuǎn)速差為30r/min。出口邊界設(shè)為自由出口邊界。對(duì)于轉(zhuǎn)鼓壁，設(shè)為無(wú)滑移條件，螺旋與筋板之間設(shè)置interface面，所有壁面上流體都滿足速度無(wú)滑移條件。為分析方便，在z=0平面上，分別選擇如圖4所示的軸向位置150mm、250mm、265mm、350mm、420mm、450mm、580mm來(lái)進(jìn)行研究分析。

1.3仿真計(jì)算

邊界條件設(shè)置完之后導(dǎo)入到Fluent軟件設(shè)置好參數(shù)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，整個(gè)流場(chǎng)在迭代了45000步左右之后，殘差曲線基本達(dá)到收斂精度要求，出渣口渣的體積分?jǐn)?shù)基本保持不變（圖5），可以認(rèn)為兩相數(shù)值模擬基本收斂。

圖4　臥螺離心機(jī)模型在z=0截面上的軸向位置截面圖（單位：mm）

圖5　出渣口渣的體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)圖

2　相的體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果分析

圖6　z=0截面液相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖7　z=0截面固相體積分?jǐn)?shù)云圖

圖8　不同截面固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6為z =0截面液相體積分?jǐn)?shù)云圖。從圖6中可以清晰地看到液池的分層，液面基本平行于出液口外邊緣位置，螺旋葉片伸入液面一定距離。圖7和圖8為不同截面固相體積分?jǐn)?shù)云圖，由于浮渣的密度小于液體水的密度，所以水在液池的外層，而內(nèi)層是浮渣。在錐段離出渣口較近的區(qū)域以及出渣口位置，浮渣的體積分?jǐn)?shù)維系在55%左右。

3　操作參數(shù)對(duì)流場(chǎng)以及分離性能的影響

3.1轉(zhuǎn)速對(duì)滯后系數(shù)以及離心液壓的影響

3.1.1轉(zhuǎn)速對(duì)滯后系數(shù)的影響

當(dāng)臥螺式浮渣離心機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓以及螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)周圍的液體及浮渣一起轉(zhuǎn)動(dòng)，流體的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)并非一致，即存在滯后現(xiàn)象。這里研究相1即液體的滯后。為此，設(shè)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為ω，自由液面的轉(zhuǎn)速為ω0，通常用ω0/ω表征滯后量的大小，值越小，表明滯后越大。

圖9是軸向位置為450mm、徑向位置是70mm以及z=0點(diǎn)處的液體的轉(zhuǎn)速、滯后系數(shù)與轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的模擬關(guān)系圖，其中自由液面處液體的轉(zhuǎn)速由公式ω0=vτ/r0（vτ為此點(diǎn)的切向速度，r0=0.07m）計(jì)算得到。從圖9中可以看出，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，在轉(zhuǎn)鼓的帶動(dòng)下，自由液面的轉(zhuǎn)速逐漸增大，而滯后系數(shù)先是在0.75～1.05之間擺動(dòng)，而當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速在4500r/min以上時(shí)，趨于穩(wěn)定，大概為1.07。滯后系數(shù)變化不穩(wěn)定，有時(shí)甚至超過(guò)1，主要是由于研究的點(diǎn)的徑向位置為轉(zhuǎn)鼓壁與螺旋內(nèi)筒壁的中間處，流體流動(dòng)時(shí)常也會(huì)受到螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，而轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速較高時(shí)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)筋板一起以相同的速度高速旋轉(zhuǎn)的作用下，流體的轉(zhuǎn)動(dòng)基本與轉(zhuǎn)鼓保持一致。

3.1.2轉(zhuǎn)速對(duì)離心液壓的影響

物料中某一徑向位置由離心作用產(chǎn)生的離心壓力按公式（1）、式（2）計(jì)算。

當(dāng)r0=0時(shí)，離心壓力達(dá)到最大值。

式中，ρf為液體的壓力，Pa；ω為轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，r/min；R為轉(zhuǎn)鼓半徑，mm；r0為自由液面的徑向位置，mm。

此最大值發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓的鼓壁處，即圖10（軸向位置為450mm、徑向位置是100mm以及z=0）中的離心液壓值。從圖10中也可以看出，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增大，相1液體的動(dòng)壓和混合物的靜壓基本成拋物線的變化規(guī)律，即二次方正增長(zhǎng)，且液體的動(dòng)壓與理論值接近。這體現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓壁處的壓力主要是來(lái)自液體高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)鼓壁所產(chǎn)生的壓力，而鼓壁處混合物的靜壓要明顯低于此動(dòng)壓值。

圖9　轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速-滯后系數(shù)/自由液面轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖10　轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速-相1動(dòng)壓/混合物靜壓關(guān)系

3.2操作參數(shù)對(duì)流場(chǎng)以及分離性能的影響

3.2.1分離效率的定義

分離性能用分離效率來(lái)評(píng)價(jià)。根據(jù)物料平衡，懸浮液中的固相質(zhì)量M應(yīng)等于沉渣中固相質(zhì)量Mc與分離液中固相質(zhì)量Mf之和，即式（3）。

因此，分離總效率的定義為式（4）。總效率又稱固相回收率[1]。

3.2.2轉(zhuǎn)速差對(duì)分離性能的影響

轉(zhuǎn)速差是指轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速與螺旋輸送器轉(zhuǎn)速之差，也即兩者的相對(duì)速度。轉(zhuǎn)速差直接影響排渣能力、上清液質(zhì)量、泥餅干度等。在兩相數(shù)值模擬中改變轉(zhuǎn)速差，可以得出圖11，即轉(zhuǎn)速差與出渣口固渣含濕率和固相回收率的關(guān)系。從圖11中可以看出，轉(zhuǎn)速差總體上對(duì)固渣含濕率和固相回收率影響不大。當(dāng)轉(zhuǎn)速差在10～30r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速差的增大，出渣含濕率增大，固相回收率降低。這是因?yàn)檩^低的轉(zhuǎn)速差使得物料在轉(zhuǎn)鼓中的停留時(shí)間增長(zhǎng)，處理能力降低，使浮渣未被及時(shí)從排渣口排出，就反流回沉降區(qū)，從上清液中流失，導(dǎo)致上清液質(zhì)量差。此外，轉(zhuǎn)速差過(guò)低，可能導(dǎo)致離心機(jī)損壞。式（5）為螺旋轉(zhuǎn)矩[12]公式。

圖11　轉(zhuǎn)速差對(duì)分離性能的影響

式中，KM為磨損系數(shù)；Frm為脫水區(qū)的平均分離因數(shù)，；LG為脫水區(qū)的軸向長(zhǎng)度，mm； Δω為轉(zhuǎn)速差，r/min。

從式（5）可以看出，M與Δω成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)速差很小時(shí)，螺旋受到的扭矩將很大。甚至?xí)捎诼菪枇^(guò)大，螺旋受到的扭矩過(guò)大而損壞差速器。

而當(dāng)轉(zhuǎn)速差在70r/min以上時(shí)，過(guò)大的轉(zhuǎn)速差會(huì)使得沉渣脫水時(shí)間縮短，脫水后沉渣含濕率增大。所以轉(zhuǎn)速差在30～70r/min是比較好的選擇。

3.2.3進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)沉降速度以及分離性能的影響

3.2.3.1進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)沉降（徑向）速度的影響

脫水用臥螺離心機(jī)半錐角α=9°～12°，一般用于中粗粒子和高濃度較易分離的懸浮液，本文研究的脫水用臥螺式浮渣分離離心機(jī)α=9°，適用于高濃度懸浮液的分離，所以本文模擬的固相進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)在10%～60%之間變化。

假如顆粒在流體中的分布為均勻的四面體分布，則顆粒間距l(xiāng)與濃度的關(guān)系為式（6）[13]。

式中，C為顆粒的體積濃度；l/x為間距與粒徑之比。

當(dāng)濃度增加，l/x減小，沉降過(guò)程中，顆粒間發(fā)生摩擦、碰撞而失去動(dòng)能，即增加了阻力系數(shù)，從而沉降速度降低。

濃度對(duì)顆粒沉降速度的影響可以用式（7）考慮[13]。

式中，ut為未考慮濃度影響的沉降速度；uts為考慮了濃度影響后的沉降速度；n為顆粒雷諾數(shù)Rep的函數(shù)（如圖12），Rep<0.3時(shí)n=4.65，Rep>1000 時(shí)n=2.33。

由式（7）得出，濃度對(duì)顆粒沉降速度的影響大致呈n次方的負(fù)比例關(guān)系，即隨著濃度的增加，沉降速度逐漸降低。從圖13模擬結(jié)果分析也可以看出，徑向速度隨著徑向位置基本成拋物線的變化規(guī)律，而隨著進(jìn)料固相濃度的增加，顆粒的沉降速度大都逐漸減小。

圖12　指數(shù)n和顆粒雷諾數(shù)之間的關(guān)系

3.2.3.2進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離性能的影響

從圖14模擬結(jié)果分析可以看出，進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)總體上對(duì)進(jìn)料口固渣含濕率、出渣含濕率和固相回收率影響不大。隨著進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)的增大，由于進(jìn)料濃度的增加，所以使得進(jìn)料口固渣含濕率逐漸降低。而固相回收率先是緩慢增加，而當(dāng)進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)在50%以上時(shí)，其迅速降低。一方面這是由于如前文分析指出，濃度增加，顆粒沉降速度降低，使得顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間增長(zhǎng)，顆粒未及時(shí)沉降而從溢流口跑出，從而影響輸渣降低了固相回收率；另一方面，濃度過(guò)高會(huì)使螺旋輸送器承受載荷加大，從而影響其輸渣能力，降低分離性能。此外，由圖14數(shù)值模擬結(jié)果分析可以看出，出渣含濕率受固相濃度的影響不大，維系在59%～60%之間。

3.2.4顆粒粒徑對(duì)沉降速度以及分離性能的影響

3.2.4.1顆粒粒徑對(duì)沉降（徑向）速度的影響

顆粒的沉降速度可表達(dá)為如式（8）、式（9）的顆粒粒度x的函數(shù)[13]。

式中，τ為“分割常數(shù)”或“時(shí)間常數(shù)”；rω2為離心加速度；x為顆粒粒徑；Δρ（負(fù)）為顆粒與介質(zhì)的密度差，Δρ=ρp?ρf（其中ρp為顆粒的密度，ρf為介質(zhì)的密度）；μ為顆粒的黏度。

從式（8）和式（9）可以得出，在其余參數(shù)不變的情況下，顆粒的沉降速度與顆粒粒徑的二次方成正比。通過(guò)數(shù)值模擬分析，從圖15可以看出，0.005mm顆粒和0.05mm顆粒的沉降速度明顯低于2.5mm和3mm顆粒的沉降速度，甚至0.005mm顆粒的大部分徑向速度為正，這就是下文要分析的“反混”現(xiàn)象。此外，2.5mm顆粒和3mm顆粒分別在徑向位置大于50mm和58mm時(shí)的徑向速度基本為零，說(shuō)明此兩種顆粒分別位于這兩個(gè)徑向位置以下，在其以上幾乎沒(méi)有顆粒。

圖13　進(jìn)料體積分?jǐn)?shù)對(duì)固相徑向速度的影響（x=265mm截面）

圖14　進(jìn)料固相體積分?jǐn)?shù)對(duì)分離性能的影響

圖15　顆粒粒徑對(duì)固相徑向速度的影響（x=150mm截面）

3.2.4.2顆粒粒徑對(duì)分離性能的影響

從圖16可以看出，顆粒粒徑對(duì)出渣含濕率和固相回收率的影響比較大。粒徑為0.005mm、0.01mm以及0.02mm的顆粒由于出液口和出渣口含渣量較低（見(jiàn)圖17），所以固相回收率和出渣含濕率較高。當(dāng)顆粒粒徑在0.005～0.1mm之間變化時(shí)，隨著顆粒粒徑的增大，出渣含濕率逐漸增大，而固相回收率基本上逐漸減小，且總體上出渣含濕率較高，而固相回收率除了0.005mm、0.01mm以及0.02mm外都比較低。顯然，基于前文的分析，過(guò)于細(xì)微的顆粒在離心機(jī)中的沉降速度會(huì)比較小從導(dǎo)致分離效率的下降。

另一方面，時(shí)間常數(shù)小的顆粒不僅沉降速度小，而且對(duì)湍流也很敏感，即使顆粒已經(jīng)沉降了，也很容易地被卷起——反混（remixing），導(dǎo)致分離效率下降。圖17和圖18分別為0.005mm顆粒的固相體積分?jǐn)?shù)分布圖和徑向速度矢量圖，從中可以明顯看出這一現(xiàn)象。其中圖18為x=150～250mm截面y軸正方向上的局部放大圖，圖中的藍(lán)色箭頭代表顆粒徑向速度為負(fù)值，其余則為正值，說(shuō)明部分顆粒朝轉(zhuǎn)鼓壁方向運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)了反混。

圖16　顆粒粒徑對(duì)分離性能的影響

圖17　z=10mm截面固相體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖18　z=10mm截面固相徑向速度矢量圖（局部放大圖）

而當(dāng)顆粒粒徑在0.1～0.5mm之間變化時(shí)，隨著顆粒粒徑的不斷增大，出渣含濕率顯著降低，而固相回收率也明顯提高。當(dāng)顆粒粒徑在0.5mm以上時(shí)，固相回收率較高，基本維系在54%以上，出渣含濕率也相對(duì)較低，保持在60%左右，分離效率相對(duì)小粒徑顆粒顯著提升（見(jiàn)圖16模擬分析）。

前文已經(jīng)說(shuō)明本文研究的臥螺式浮渣分離離心機(jī)適用于高濃度、中粗離子的分離，所謂中粗粒子是指顆粒粒徑在0.1mm以上乃至幾個(gè)毫米[13]，以上模擬結(jié)果也證實(shí)了這點(diǎn)。

4　結(jié)論

本文采用Fluent軟件中的RNG k-ε湍流模型和多重參考系（MRF）方法以及Euler多相流模型，對(duì)一種臥螺式浮渣分離離心機(jī)進(jìn)行了兩相數(shù)值模擬研究，模擬分析了這種臥螺離心機(jī)內(nèi)的固液兩相體積分?jǐn)?shù)分布以及操作參數(shù)和物性參數(shù)對(duì)流場(chǎng)和分離性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）流體沉降分層比較明顯，可以清楚地看到液面，水和浮渣的體積分?jǐn)?shù)分布云圖基本達(dá)到了預(yù)期效果，浮渣在液池的內(nèi)層，水在外層。在錐段離出渣口較近的區(qū)域以及出渣口位置，浮渣的體積分?jǐn)?shù)維系在55%左右。

（2）流體流動(dòng)受到轉(zhuǎn)鼓和螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的雙重影響，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速較高時(shí)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)筋板一起以相同速度高速旋轉(zhuǎn)的作用下，流體的轉(zhuǎn)動(dòng)基本與轉(zhuǎn)鼓保持一致。轉(zhuǎn)鼓壁處的壓力主要是來(lái)自相1即液體高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)鼓壁所產(chǎn)生的壓力，而鼓壁處混合物的靜壓要明顯低于此動(dòng)壓值。

（3）轉(zhuǎn)速差總體上對(duì)分離性能影響不大，但不能過(guò)低或是過(guò)高，保持在30～70r/min是比較好的選擇。進(jìn)料濃度增加，顆粒沉降速度降低，分離效率會(huì)下降。小顆粒沉降速度底且易“反混”而分離性

能差，較大顆粒沉降速度高，分離性能明顯高于小粒徑顆粒，說(shuō)明此臥螺離心機(jī)適用于高濃度、中粗粒子的分離。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫啟才，金鼎五.離心機(jī)原理結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2] 袁惠新.分離過(guò)程與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3] 鄭勝飛，任欣，謝林君.臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬[J].輕工機(jī)械，2009，27（6）：26-29.

[4] 于萍，林葦，王曉彬，等.臥螺離心機(jī)離心分離場(chǎng)速度仿真分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（24）：151-157.

[5] 劉京廣.臥螺離心機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬及轉(zhuǎn)鼓錐角研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[6] 俞衛(wèi)軍.含油浮渣離心脫水效果的強(qiáng)化研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2007.

[7] Xu Z，Wang Z，Kung J，et al.Separation and characterization of foulant material in coker gas oils from Athabasca bitumen[J].Fuel，2005，84（6）：661-668.

[8] 王毓仁，顧薇瓊.煉廠含油污泥的離心脫水技術(shù)的探索[J].石油煉制與化工，2003，34（1）：49-55.

[9] 劉學(xué)東，吳仲巋，柳俊，等.煉廠焦化裝置含硫廢水除焦粉中試研究[J].新技術(shù)新工藝，2012（9）：46-48.

[10] 譚萬(wàn)將.旋流分離小密度差塑料(PET/PVC)過(guò)程的研究[D].常州：常州大學(xué)，2012.

[11] Shapiro L，Darby U.Screw-type solids discharge centrifuge having means to discharge light solids：US，415435[P].1964.

[12] 畢秦嶺，張博松.螺旋沉降離心機(jī)扭矩高的原因分析及改進(jìn)[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2001，19（4）：245-247.

[13] 袁惠新，馮骉.分離工程[M].北京：中國(guó)石化出版社，2001.

研究開(kāi)發(fā)

研究開(kāi)發(fā)

Two-phase numerical simulation research in a decanter centrifuge of separating floating sludge

ZHU Mingjun，YUAN Huixin，F(xiàn)U Shuangcheng，DONG Liandong
（School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

Abstract：Traditional decanter centrifuge is only used to separate heavy sludge rather than floating sludge.This research developed a two-phase numerical simulation on a decanter centrifuge in separating light solid floating sludge.The three dimension software Pro-E was used to build the 3D model.The computational fluid dynamics software Fluent was applied to analyze volume fraction distribution of the solid and liquid phase as well as the effects of operating conditions and fluid parameters on flow field and separation properties.The simulation was based on Euler multiple phase flow model and RNG k-ε turbulence model in a multiple coordinate reference system.The simulation results showed that the decanter centrifuge can be used to separate high density and middle-coarse particles；the fluid settling lamination was obvious and water was in the inner side while floating sludge outside of cistern；there was little effect of rotation speed discrepancy on separation properties.Rotation speed discrepancy in the range of 30—70r/min was optimal.With the increase of the feed concentration，particles’setting velocity and separation efficiency decreased.Low setting velocity for small particles resulted in less separation efficiency and coarse particles had higher separation capabilities because of quick setting velocity.

Key words：light floating sludge separation；decanter centrifuge；numerical simulation；separation properties

基金項(xiàng)目：科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金（08C26213200648）及江蘇省2013年度高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（CXLX13_724）項(xiàng)目。

收稿日期：2014-07-21；

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.02.007

文章編號(hào)：1000–6613（2015）02–0336–08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TK-9

修改稿日期：2014-09-16。