袁惠新，方勇，付雙成，葉娟，方毅

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旋流器的微米級(jí)顆粒分級(jí)性能分析

袁惠新1，2，方勇1，2，付雙成1，2，葉娟1，2，方毅1，2

（1常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2常州大學(xué)江蘇省綠色過(guò)程裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

微型旋流器中的超重力場(chǎng)和剪切湍流場(chǎng)可以強(qiáng)化微米級(jí)顆粒的分級(jí)。為了分析旋流器的微米級(jí)顆粒分級(jí)性能，本文通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了入口速度和底流分率對(duì)旋流分級(jí)的影響。數(shù)值模擬方面使用雷諾應(yīng)力模型模擬了微型旋流器內(nèi)的流場(chǎng)，試驗(yàn)方面使用直徑為20mm的微型旋流器來(lái)分級(jí)粒度分布為2～50μm的顆粒物料。結(jié)果表明，隨著入口速度的增大，分割粒度50減小，可達(dá)4.8μm，分級(jí)精度提高，可達(dá)0.45；隨著底流分率f的增大，不會(huì)顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大，但軸向速度會(huì)減小，使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間增加，分級(jí)效率提高；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＜0.6時(shí)，隨著f的增大，分割粒度50減小，可達(dá)4.7μm，分級(jí)精度提高，可達(dá)0.6；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時(shí)，分割粒度50增大，分級(jí)精度降低。

微型旋流器；數(shù)值模擬；粒度分布；顆粒物料

微米級(jí)顆粒以其優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用，然而實(shí)際應(yīng)用對(duì)于其粒度大小及分布范圍有一定的要求。例如，要求節(jié)能燈用熒光粉粒徑在5～8μm之間[1]，而彩色等離子體顯示屏的熒光粉粒徑則在2～4μm之間[2]。在復(fù)印粉生產(chǎn)行業(yè)，要求的粉料粒度50處于8.6～9μm，最大顆粒必須小于20μm，而小于5.4μm的顆粒必須在2%～3%以下[3]。3D打印用的粉末粒度也有一定的粒度大小及分布范圍要求。然而，無(wú)論是自然界的原產(chǎn)品，還是經(jīng)過(guò)各種加工所得到的粉體，它們的粒度往往達(dá)不到應(yīng)用要求，需要經(jīng)過(guò)分級(jí)處理[4]。

大顆粒的分級(jí)可用篩分或沉降法[5]，但微米級(jí)顆粒，由于其容易團(tuán)聚，篩分比較困難，且其團(tuán)聚和沉降速度小，沉降分級(jí)也不易進(jìn)行。微米級(jí)顆粒的分散是其分級(jí)的前提條件。因此，對(duì)于微米級(jí)顆粒的沉降分級(jí)，必須要解決兩個(gè)問(wèn)題[6]：一是使顆粒充分分散，二是要有強(qiáng)大的超重力場(chǎng)，以加速顆粒的沉降及增大顆粒間的沉降速度差。

旋流分離器內(nèi)的流場(chǎng)具有超重力特性，例如直徑10mm的微型旋流器，可產(chǎn)生大約10000的離心加速度[7]。此外，旋流分離器內(nèi)的流場(chǎng)還具有強(qiáng)力的湍流及剪切特性，可以對(duì)微米顆粒有強(qiáng)力的分散作用[8-9]。因此，微型旋流分離器可望用于微米級(jí)顆粒的分級(jí)[10]，且旋流分離器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，因此，微型旋流分級(jí)器具有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景[11]。

國(guó)內(nèi)外在旋流分級(jí)方面的研究工作，主要用幾十毫米乃至幾百毫米直徑的旋流器分離幾十乃至幾百微米的顆粒，少量的用微型旋流器進(jìn)行試驗(yàn)研究。張士瑞等[12]采用直徑10mm的微型旋流器，分離平均粒度為16μm的超細(xì)催化劑粉末，分離效果理想。李航等[13]采用直徑10mm水力旋流器分級(jí)蘇州高嶺土初選漿液，得到了粒度小于20μm的精礦。魏麗芳等[14]研究了4μm的α-Al2O3的旋流分級(jí)，認(rèn)為小直徑長(zhǎng)錐型的水力旋流器可滿足工藝要求。陳瑋 等[15]研究了旋流分級(jí)在超細(xì)α-Al2O3粉體中的應(yīng)用，通過(guò)研究分散劑、超聲波等因素對(duì)旋流分級(jí)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)分散劑有利于提高顆粒的分級(jí)效果。ENDRES等[16]用直徑為20mm的微型旋流器分級(jí)粒徑小于30μm的石英粉，通過(guò)試驗(yàn)得到分割粒度50小于5μm，與此同時(shí)，分級(jí)精度也有提高。UDAYA等[17]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)直徑為10mm的微型旋流器進(jìn)行分級(jí)性能分析，結(jié)果得到分割粒度50在4.9～14μm之間。KAWATRA[18]用直徑為102mm的旋流器分級(jí)顆粒粒度50=25μm的物料，通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和顆粒濃度來(lái)改變黏度，但是發(fā)現(xiàn)黏度對(duì)分級(jí)精度沒(méi)有顯著影響。ABDOLLAHZADEH等[19]通過(guò)研究顆粒形狀、進(jìn)料濃度等因素對(duì)旋流分級(jí)的影響，結(jié)果得到在最圓的球形顆粒和最小進(jìn)料濃度的情況下，旋流器的分級(jí)效果最好。

本文介紹了用20mm直徑的微型旋流分離器對(duì)2～50μm粒度范圍的顆粒進(jìn)行分級(jí)研究，包括旋流器的入口速度和底流分率對(duì)分級(jí)效果的影響。

1 研究方法

本文采用試驗(yàn)研究和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來(lái)研究微型旋流器對(duì)微米級(jí)顆粒的分級(jí)性能。

1.1 試驗(yàn)研究方法

1.1.1 試驗(yàn)裝置流程

試驗(yàn)流程如圖1所示，料桶中的物料由攪拌器連續(xù)的機(jī)械攪拌，充分分散后形成均勻分布的懸浮液。料液由料桶進(jìn)入螺桿泵后分為兩路，一路通過(guò)旁路回到料桶中，閥門(mén)Ⅰ主要起調(diào)節(jié)管路流量，穩(wěn)定流量的作用。一路通過(guò)電磁流量計(jì)和壓力表Ⅰ后由旋流器的進(jìn)料口進(jìn)入旋流器內(nèi)部，經(jīng)旋流分離后料液分別從旋流器的溢流口和底流口排出，排出的底流料液經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和壓力表Ⅲ回到料桶里，排出的溢流料液通過(guò)壓力表Ⅱ回到料桶里，料液可以循環(huán)使用。旋流器溢流和底流的流量分率可通過(guò)閥門(mén)Ⅱ和閥門(mén)Ⅲ調(diào)節(jié)。

1.1.2 旋流器

試驗(yàn)所用旋流器為單入口微型旋流器，如圖2所示。其材料為金屬銅，分為有著進(jìn)口的柱段、有著底流口的錐段和有著溢流口的頂蓋三段，連接部分有密封圈，組合完成后放入如圖3所示的套筒內(nèi)，通過(guò)套筒右側(cè)的壓緊塞壓緊密封，更換不同的部件可以得到不同結(jié)構(gòu)的旋流器。圖4為旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，表1是旋流器的具體尺寸。

圖1 試驗(yàn)流程圖

圖2 旋流器實(shí)物圖

圖3 設(shè)備外觀圖

圖4 旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 旋流器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.3 試驗(yàn)物料

試驗(yàn)物料為100L水、500g鋁粉和30mL消泡劑配置而成的非均相混合物。

試驗(yàn)用的鋁粉密度為2700kg/m3。鋁粉久置后易聚結(jié)成團(tuán)，需要分散、篩分處理，圖5為篩分后所得到的鋁粉。通過(guò)馬爾文2000激光粒度分析儀得到鋁粉的粒度分布和上累計(jì)曲線如圖6所示，鋁粉粒度分布范圍是2～50μm，平均粒度是16.6μm。

圖5 鋁粉和篩子

圖6 試驗(yàn)物料粒度分布圖

1.1.4 樣品分析

本試驗(yàn)采用稱重法測(cè)量樣品濃度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，先稱坩堝的重量0，然后將樣品倒入坩堝稱得樣品和坩堝總重（1），最后烘干稱得坩堝和鋁粉的重量2。因此，進(jìn)料和底流中鋁粉的質(zhì)量濃度分別見(jiàn)式(1)、式(2)[4]。

1.1.5 分級(jí)性能的計(jì)算

（1）分級(jí)效率 由底流和進(jìn)料中的鋁粉的含量可以計(jì)算得到一般總效率T。一般總效率T見(jiàn) 式(3)。

式中，f為底流分率，f=u/i，u、i分別是底流流量和進(jìn)料流量；u、i分別是底流的濃度和進(jìn)料的濃度。

不同粒度的顆粒有著不同的分離效率，根據(jù)總效率，粒度為的顆粒的粒級(jí)效率()定義為式(4)。

式中，u()和i()分別為底流和進(jìn)料的粒度分布頻率。

（2）分割粒度 在粒級(jí)效率曲線上對(duì)應(yīng)于50%分離效率的粒度被定義為分割粒度，用50表示，這種粒度的顆粒被分離和不被分離的可能性各為50%。

（3）分級(jí)精度 分級(jí)精度主要用于分級(jí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，定義為50%粒級(jí)效率點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)的粒度之比，即式(5)。

1.2 模擬研究方法

本文采用CFD軟件Fluent 6.3.26 研究微型旋流器內(nèi)的流場(chǎng)及分級(jí)性能。由于雷諾應(yīng)力模型（RSM）可以更好地模擬旋流器內(nèi)湍流地各向異性，所以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的時(shí)候，求解器選用Pressure Based 隱式求解器，湍流模型選用RSM模型，壓力－速度耦合方式選用SIMPLEC算法，壓力插補(bǔ)格式選用PRESTO格式控制。進(jìn)料口設(shè)置為速度入口，底流口和溢流口設(shè)置為自由出口（Outflow）。最終可得到旋流器內(nèi)流體的速度和湍流強(qiáng)度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 入口速度對(duì)旋流分級(jí)性能的影響

為了研究入口速度對(duì)旋流分級(jí)的影響，模擬和試驗(yàn)采用=20mm、=37°、o/=0.23、u/=0.2的微型旋流器，固定底流分率為0.2，只改變其入口速度，采用軸向相對(duì)位置/=1.5截面為基準(zhǔn)，以此分析入口速度對(duì)旋流分級(jí)的影響。

2.1.1 入口速度與壓力降的關(guān)系

在Fluent數(shù)值模擬中，物理模型的近似、網(wǎng)格的劃分以及其他的一些因素會(huì)使模擬值偏離實(shí)際值。因此，必須對(duì)數(shù)值模擬的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。壓力降是衡量旋流器能量消耗程度的一個(gè)重要參數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)與模擬分別得到的壓力降進(jìn)行對(duì)比可以間接驗(yàn)證模擬的可靠性。圖7為試驗(yàn)和模擬得出的壓力降與入口速度之間的關(guān)系。雖然在高入口速度時(shí)偏較大，但模擬曲線和試驗(yàn)曲線具有較好的吻合性，說(shuō)明模擬具有一定的可靠性。

圖7 試驗(yàn)與模擬所得的入口速度與壓力降的關(guān)系

2.1.2 入口速度對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

圖8為模擬所得不同的入口速度的情況下參考截面上的徑向分布。由圖8可以看出，隨著入口速度的提高，流體的切向速度也在增大，在相對(duì)徑向位置/=0.12處流場(chǎng)的切向速度最大。隨著切向速度的增大，顆粒受到更大的離心力，顆粒沉降速度增加，旋流器的分割粒度50減小。

從圖8還可看出，微型旋流器內(nèi)的流場(chǎng)為典型的組合渦，具有剪切作用，且入口速度越大，切向速度梯度越大，剪切作用越大。

2.1.3 入口速度對(duì)旋流器內(nèi)部湍流強(qiáng)度分布的影響

圖9為模擬所得=0截面處不同入口速度下旋流器內(nèi)的湍流強(qiáng)度分布云圖。從圖9可以看出，隨著入口速度增大，旋流器內(nèi)的湍流強(qiáng)度也跟著增強(qiáng)，促進(jìn)對(duì)團(tuán)聚顆粒的分散，這對(duì)分級(jí)有利，但是過(guò)大的湍流強(qiáng)度對(duì)分級(jí)不利，可能會(huì)導(dǎo)致顆粒反混，影響分級(jí)的效果。

2.1.4 入口速度對(duì)分級(jí)效率的影響

圖10為試驗(yàn)所得的旋流器在不同入口速度下的級(jí)效率曲線，隨著入口速度的增加，級(jí)效率曲線向左偏移，相同粒度的顆粒在入口速度增加時(shí)分級(jí)效率增加。但是對(duì)于粒度為1～4μm的顆粒入口速度對(duì)其分級(jí)效率的影響不明顯。這是因?yàn)殡S著入口速度的增大，顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間變短，粒度小的顆粒沉降速度慢，來(lái)不及沉降。而且隨著入口速度的增大，旋流器內(nèi)的湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，粒度 小的顆粒更易受高湍流的影響，使其沉降更加困難，甚至?xí)霈F(xiàn)反混。

圖8 入口速度對(duì)切向速度分布的影響

圖9 X=0截面處不同入口速度的湍流強(qiáng)度分布云圖

圖10 不同入口速度的級(jí)效率曲線

圖11為入口速度對(duì)分割粒度50的影響。隨著入口速度的增大，分割粒度減小，可達(dá)到4.8μm。這是因?yàn)殡S著入口速度的增大，旋流器內(nèi)流體的切向速度增大，產(chǎn)生更大的離心分離作用，顆粒沉降速度增大，粒度較小的顆粒被分離出來(lái)。

圖12為入口速度對(duì)分級(jí)精度的影響。隨著入口速度的增大，在離心加速度提高的同時(shí)，湍流分散作用提高，旋流器的分級(jí)精度呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢(shì)，可達(dá)到0.45。

圖11 入口速度對(duì)分割粒度的影響

圖12 入口速度對(duì)分級(jí)精度的影響

2.2 底流分率對(duì)旋流分級(jí)的影響

為了研究底流分率對(duì)旋流分級(jí)的影響，模擬和試驗(yàn)都采用=20mm、=37°、o/=0.23、u/=0.2的微型旋流器，采用軸向位置/=1.5截面為基準(zhǔn)，固定入口速度為5.76m/s，改變其底流分率。以此分析底流分率對(duì)旋流分級(jí)的影響。

2.2.1 底流分率對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響

圖13、圖14和圖15為模擬所得底流分率對(duì)切向、軸向和徑向速度分布的影響。從圖中可以看出，底流分率對(duì)切向速度的影響不大，對(duì)徑向速度稍有影響，對(duì)軸向速度影響大。

隨著底流分率的提高，向下的外旋流的軸向速度變化不大，但是向上的內(nèi)旋流的軸向速度在減小，而受底流分率影響最大的是溢流口處的回流，隨著底流分率的增大，回流從無(wú)到有逐漸增大，當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時(shí)，溢流口處回流增大的幅度顯著 提高。

2.2.2 底流分率對(duì)旋流器內(nèi)部湍流強(qiáng)度分布的影響

圖16為模擬所得的=0截面處不同底流分率下旋流器內(nèi)的湍流強(qiáng)度分布云圖，可以看出，當(dāng)?shù)琢鞣致视?.1增大到0.6時(shí)，旋流器內(nèi)部的湍流強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域在錐段靠近柱段的地方，湍流強(qiáng)度稍有下降，有利于顆粒的分散，這對(duì)旋流分級(jí)有利。當(dāng)?shù)琢鞣致蚀笥?.6時(shí)，旋流器內(nèi)湍流強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域向旋流器底流口方向偏移，該區(qū)域較強(qiáng)的湍流使得顆粒反混，使得分級(jí)效果下降。這是因?yàn)殡S著底流分率的增大，更多的旋流器中的流體從底流口排出，這導(dǎo)致旋流器錐段和底流口的湍流強(qiáng)度的增加。

圖13 底流分率對(duì)切向速度分布的影響

圖14 底流分率對(duì)軸向速度分布的影響

圖15 底流分率對(duì)徑向速度分布的影響

圖16 X=0截面處不同底流分率下旋流器內(nèi)部的湍流強(qiáng)度分布云圖

2.2.3 底流分率對(duì)分級(jí)效率的影響

圖17為試驗(yàn)所得不同底流分率的級(jí)效率曲線。從圖17可以看出，當(dāng)f＜0.6時(shí)各級(jí)效率曲線變化很小，而當(dāng)f＞0.6時(shí)級(jí)效率曲線向右偏移，50增大。

圖17 不同底流分率的級(jí)效率曲線

底流分率的增大，不會(huì)顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大。內(nèi)旋流軸向速度的減小會(huì)使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間增加，這會(huì)使得更多的顆粒充分沉降后被分離，與此同時(shí)，當(dāng)f＜0.6時(shí)，隨著f的增大，湍流強(qiáng)度稍有下降，有利于顆粒的分散，這對(duì)旋流分級(jí)有利，分割粒度50減小，分級(jí)精度提高。當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時(shí)，溢流回流大幅增加，這將導(dǎo)致更多溢流產(chǎn)品的反混，同時(shí)，底流口區(qū)域較強(qiáng)的湍流使得顆粒反混，影響分級(jí)效果，分割粒度50增大，分級(jí)精度降低。

圖18和圖19分別是底流分率對(duì)分割粒度和分級(jí)精度的影響，隨著底流分率的提高，分割粒度50減小，可達(dá)4.7μm，分級(jí)精度提高，可達(dá)0.6。但是當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時(shí)，由于底流口區(qū)域較強(qiáng)的湍流使得顆粒反混，影響分級(jí)效果，分割粒度50增大，分級(jí)精度降低。

3 結(jié)論

在本研究條件范圍內(nèi)，得出如下結(jié)論。

圖18 底流分率對(duì)分割粒度的影響

圖19 底流分率對(duì)分級(jí)精度的影響

（1）隨著入口速度的增加，分割粒度50減小，微型旋流器可以分級(jí)處理粒度更小的粉體產(chǎn)品，分割粒度50可達(dá)4.8μm。

（2）隨著入口速度的增加，湍流強(qiáng)度也增大，促進(jìn)對(duì)團(tuán)聚顆粒的分散，因此，分級(jí)精度可以提高，分級(jí)精度可達(dá)0.45。

（3）隨著底流分率f的增大，不會(huì)顯著改變切向和徑向速度，顆粒在旋流器內(nèi)的沉降速度變化不大，但軸向速度會(huì)減小，使得顆粒在旋流器內(nèi)的停留時(shí)間增加，分級(jí)效率提高。

（4）當(dāng)f＜0.6時(shí)，隨著f的增大，旋流器內(nèi)湍流強(qiáng)度下降，這對(duì)旋流分級(jí)有利，分割粒度50減小，可達(dá)4.7μm，分級(jí)精度提高，可達(dá)0.6；當(dāng)?shù)琢鞣致蔲＞0.6時(shí)，溢流回流大幅增加，底流口區(qū)域湍流強(qiáng)度增加，顆粒反混加劇，分割粒度50增大，分級(jí)精度降低。

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Analysis of the classification performance of micron particles with hydrocyclones

YUAN Huixin1，2，F(xiàn)ANG Yong1，2，F(xiàn)U Shuangcheng1，2，YE Juan1，2，F(xiàn)ANG Yi1，2

（1School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China；2Jiangsu Key Laboratory of Green Process Equipment，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

The high gravity field and turbulent shear field can strengthen the classification of micron particles in micro hydrocyclone. In order to analyze the classification performance of micron particles with hydrocyclones，the effect of inlet velocity and underflow ratio on hydrocyclone classification were studied by combination of experiment and numerical simulation. The Reynolds stress model was used to simulate the flow field of micro hydrocyclone in numerical simulation，the micro hydrocyclone of 20mm in diameter was used to classify granular materials whose particle size distribution was 2—50μm in the experiments. The results showed that with the increase of inlet velocity，the cut size50decreases，the50is 4.8μm，and the classification precisionincreases，theis 0.45. With the increase of underflow ratiof，the tangential and radial velocity are not significantly changed. The settling velocity of particles has no obvious change in the hydrocyclone，but the axial velocity will decrease，which makes the residence time of particles increase in the hydrocyclone. The classification efficiency improves. When underflow ratiofis less than 0.6，with the increase off，the cut size50decreases. The50is 4.7μm and the classification precisionincreases，theis 0.6. When underflow ratiofis greater than 0.6，the cut size50increases，and the classification precisiondecreases.

micro hydrocyclone；numerical simulation；particle size distribution；granular materials

TQ051.8

A

1000–6613（2017）12–4371–07

10.16085/j.issn.1000-6613. 2017-0625

2017-04-11；

2017-05-22。

袁惠新（1957—），博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔髋c機(jī)械分離凈化技術(shù)與設(shè)備。E-mail：yuanhuixin2016@163.com。