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(山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島266590)

旋流器是三相分離的設(shè)備之一，主要用于分級、脫水、除沙等作業(yè)[1-3]，隨著工業(yè)要求的不斷提高，微細顆粒一直受到各大企業(yè)的青睞[4-5]；但是由于微細顆粒在分離過程中受到的離心力較小，分離的效果不明顯[6-7]，因此微細顆粒一直沒有得到廣泛的應(yīng)用。國外用D10mm和D25mm的微型旋流器對高嶺土進行選礦，得到粒徑小于2 μm的高嶺土顆粒,質(zhì)量分?jǐn)?shù)占90%以上[8-9],但粒徑小于1 μm顆粒分級仍然是個難題，而結(jié)構(gòu)參數(shù)是決定旋流器分級效果的主要因素，因此研究旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場及分離粒徑的影響具有更實際的意義[10-12]。

錐角是旋流器最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。錐角越小，分級能力越強但同時伴隨著內(nèi)部湍流強度增大，不利于提高分離精度，錐角越大，處理量越大但分離精度不高[13-14]。相對于單錐角而言，雙錐角旋流器能采用上端大錐角、下端小錐角串聯(lián)的形式，這樣可以提供更大的離心力，使微細顆粒能獲得更大的離心推動力[15-16]，因此合理選用錐角的形式和大小是旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[17-18]。

本文中通過仿真計算流體力學(xué) (computational fluid dynamics, CFD) 軟件FLUENT對D8mm單錐角(3 °)微型旋流器和雙錐角(5 °～3 °)微型旋流器進行了數(shù)值模擬,并進行實驗驗證，其結(jié)果對微型旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

1 微型旋流器

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為旋流器二維結(jié)構(gòu)示意圖。角錐比是指底流口直徑與溢流口直徑之比[19]，本文中采用的角錐比為0.6，確定出單錐角的大小為3 °，為了提高分離粒徑，采用上端大錐(5 °)與下端小錐(3 °)進行串聯(lián)，以便更好地對比單錐與雙錐旋流器的分離性能。

a 單錐旋流器

b 雙錐旋流器y—沿軸向方向；r—沿徑向方向；Li—旋流器筒體高度；Ls—錐段高度；Lt—底流管長度; Lu—第2段錐段高度。圖1 旋流器二維示意圖Flg.1 Two dimensional diagram of hydrocyclone and wall function equation

單錐旋流器及壁面函數(shù)方程為

其中：

y

Li

y>Li+Ls,

式中：D為筒體直徑;ds為底流口直徑。

雙錐旋流器及壁面函數(shù)方程為

其中，

y

Li

Li+Ls

y>Li+Ls+Lu。

微型旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其中di為給料口直徑，d0為溢流口直徑，h0為溢流管插入深度，H為筒體高度。

表1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

將流體域的三維模型導(dǎo)入到ICEM-CFD軟件中進行網(wǎng)格劃分。為了提高計算精度，整個模型采用六面體網(wǎng)格生成方法。開展網(wǎng)格無關(guān)性驗證，旋流器網(wǎng)格劃數(shù)如圖表2所示。

溢流口壓力作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)單錐旋流器隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，溢流口壓力不斷變化，當(dāng)增加到398 625和425 698時，溢流口壓力基本不變，說明模擬結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)發(fā)生變化，同理得出雙錐旋流器的最佳網(wǎng)格數(shù)，為了縮短模擬時間，單錐、雙錐旋流器網(wǎng)格數(shù)分別選用398 625和418 625，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表2 旋流器網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)

圖2 旋流器網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Diagram of hydrocyclone meshing

1.3 邊界條件及參數(shù)選擇

采用Fluent14.5軟件對2種旋流器進行模擬分析，多相流模型采用Mixture模型，湍流模型為雷諾應(yīng)力模型，壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，壓力離散格式為PRESTO，動量離散格式選用QUICK格式進行數(shù)值計算，湍動能和湍流耗散率采用二階迎風(fēng)格式。 由于壁面附近與湍流的區(qū)域中心部分存在差異較大，因此，為了便于提高精度，在模擬時選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解壁面附近區(qū)域的流動。 給料口設(shè)為速度入口，底流口和溢流口設(shè)為壓力出口，水相和顆粒相速度均為6 m/s，固相顆粒密度為4 650 kg/m3, 以進出口流量數(shù)值近似趨于相等作為計算收斂的判斷依據(jù)。

2 模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬中加入5種不同粒徑的硅酸鋯顆粒，體積濃度見表3。

表3 不同顆粒的體積分?jǐn)?shù)

為了便于分析內(nèi)部流場的變化，考慮柱段與錐段之間存在差異，分別選取不同截面進行分析，由于2個旋流器高度不同，選取單錐旋流器以底流口為基準(zhǔn)面向上20、105.2 mm，雙錐旋流器為23.29和84.78 mm，以保證2個旋流器截面的截面積相同。2個旋流器的特征線位置如圖3所示。

圖3 旋流器特征線位置圖Fig.3 Hydrocyclone feature line location map

2.1 界面壓力分布

壓力是旋流器固液分離中的一項重要參數(shù)。超微細顆粒由于質(zhì)量小,受到的離心力較小，如果壓力較小則難以分離，因此需要增大壓力來提高分離效果。圖4為軸截面處的壓力分布云圖。

圖5為2個不同截面處的壓力分布圖線。

從2個旋流器的軸截面壓力云圖可以看出，旋流器的靜壓力分布具有對稱性，壓力分布由器壁向軸心逐漸減小，在軸心處壓力變?yōu)樨撝担@也是空氣柱形成的原因。此外，雙錐旋流器的徑向壓力梯度明顯大于單錐旋流器，有利于微細顆粒的徑向分離，壓力越高，可以保證旋流器的的離心力場強度，提高顆粒的分離效果。

2.2 切向速度

切向速度是固液分離的主要動力源，其速度大小都高于軸向速度和徑向速度，切向速度較大有利于兩相的分離。圖6為2個不同截面處的切向速度對比。 從分布圖中看出，2個截面的速度的分布大致相同，成對稱性圖形，在旋流器中心位置處達到最大，沿器壁方向逐漸減小，在器壁位置處減小到零。從圖6中還可以看出，2個截面處雙錐旋流器的切向速度比單錐的大，在I—I截面處單錐、雙錐旋流器的速度分別為7和10 m/s。

圖4 軸截面壓力云圖Fig.4 Axial pressure cloud diagram

a I—I截面

b II—II截面圖5 不同截面處靜壓力分布Fig.5 Static pressure distribution lines at different sections

a I—I截面

b II—II面圖6 不同截面處切向速度分布Fig.6 Tangential velocity profile at different sections

根據(jù)向心力公式

可以看出，向心力與速度的平方成正比，在回轉(zhuǎn)半徑相同的情況下，雙錐旋流器離心力是單錐旋流器的2.04倍，而微細顆粒分級需要更大的離心力推動才能將不同粒徑的顆粒進行分離，并且分離粒徑隨著離心力的增大而減小，在相同的工況下可以減小分離粒徑。

2.3 徑向速度

旋流器內(nèi)的徑向流動主要沿器壁指向軸心，隨著半徑的減小而增大，在軸心處速度最大。徑向速度是橫向沉降的主要動力，與切向速度的規(guī)律基本類似，對分離性能有很大的影響，尤其是微細顆粒的分選對徑向速度要求更高。

圖7為旋流器內(nèi)部不同截面的徑向速度分布圖線。由圖看出，徑向速度分布圖線對稱性較好，在器壁處速度為零，由器壁向內(nèi)逐漸增大，在零速包絡(luò)面位置處達到最大，其分布規(guī)律與常規(guī)的旋流器規(guī)律基本相同，雙錐微型旋流器的徑向速度大于單錐旋流器，這使得在徑向的曳力較大，更利于微細顆粒進入內(nèi)旋流，溢流中的細顆粒含量增多，減小溢流跑粗。

a I—I截面

b II—II截面圖7 不同截面處徑向速度分布Fig.7 Radial velocity profile at different sections

2.4 顆粒分布對比

旋流器內(nèi)的顆粒分布情況直接反應(yīng)旋流器的分離性能，圖8為2種顆粒的體積分?jǐn)?shù)圖線。從圖8a可以看出雙錐旋流器在底流口附近2.5 μm微粒體積分?jǐn)?shù)明顯小于單錐旋流器，進入底流口的微細顆粒明顯減少，減少了底流夾細。從圖8b可以看處，雙錐旋流器在底流口附近4.5 μm微粒體積分?jǐn)?shù)明顯大于單錐旋流器，進入底流口的粗顆粒明顯增多，有效減少了溢流跑粗。

2.5 分離粒徑對比

旋流器的效率曲線表示給料中各種不同粒徑物料進入沉砂(底流)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與相關(guān)粒徑間的關(guān)系。分離粒徑d50是分配率50%對應(yīng)的顆粒粒徑，是旋流器重要的質(zhì)量指標(biāo)。圖9為2個旋流器模擬的分級效率曲線。從圖中可以看出，單錐旋流器的d50為5.9 μm，雙錐旋流器的d50為5 μm，分離粒徑減小了0.9 μm。

a 粒徑為2.5 μm顆粒

b 粒徑為4.5 μm顆粒圖8 II—II截面處不同顆粒體積分?jǐn)?shù)對比Fig.8 Comparison of volume fraction of different particles at section II—II

3 實驗

微細顆粒選用硅酸鋯，物料質(zhì)量濃度為8 g/L,入口壓力為0.5 MPa，硅酸鋯密度為4 650 kg/m3，表4為2種微型旋流器的濃度與產(chǎn)率。

圖9 模擬分級效率曲線Fig.9 Simulate grading efficiency curve

從表中可以看出，雙錐微型旋流器溢流的質(zhì)量濃度減小了0.11 g/L，底流的增大了1.43，底流產(chǎn)率提高了6.36個百分點，分股比(底流體積流量與溢流體積流量的比值)的基本不變。

通過對比3種不同顆粒粒徑的體積分?jǐn)?shù)和分級效率來評定旋流器分級的效果。分別選取小于1、小于2、小于4.5 μm 3種粒徑進行旋流器分級性能研究。

表5為3種顆粒體積分?jǐn)?shù)。從表5中可以看出，小于1 μm微細顆粒的溢流體積分?jǐn)?shù)為75.33%，比單錐旋流器溢流體積分?jǐn)?shù)提高了5.93%，小于2 μm顆粒的溢流體積分?jǐn)?shù)為68.1%，比單錐旋流器提高了3.6%，小于4.5 μm顆粒的底流體積分?jǐn)?shù)為40.71%，比單錐旋流器提高了5.21%，有效地減少了底流夾細和溢流跑粗現(xiàn)象，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果吻合。

表4 濃度與產(chǎn)率值

表5 3種顆粒體積分?jǐn)?shù)

分離精度通常由分級效率曲線的陡度指數(shù)SI來表示，其定義式為

式中：d25為分級效率曲線上25%對應(yīng)的顆粒粒徑；d75為分級效率曲線上75%對應(yīng)的顆粒粒徑。

圖10為試驗分級效率曲線。

由圖可知，單錐旋流器d25=3 μm，d75=7 μm。 雙錐旋流器d25=2.3 μm，d75=6 μm。 單錐旋流器的陡度指數(shù)為0.43，雙錐旋流器的陡度指數(shù)為0.38，由此可知雙錐旋流器分離精度比單錐旋流器稍有降低，但從表4中可以得出雙錐旋流器底流加細和溢流跑粗現(xiàn)象得到明顯改善。

圖10 實驗分級效率曲線Fig.10 Experiment grading efficiency curve

4 結(jié)論

1)通過CFD軟件Fluent模擬顯示，雙錐旋流器的切向速度和徑向速度都有所提高，在相同的工況下使微細顆粒具有更大的離心力，分離更加徹底。

2)通過模擬顯示，雙錐角微型旋流器分離粒徑減小0.9 μm，溢流中小于1 μm產(chǎn)品含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高6.13%，小于2 μm的提高3.6%，底流中小于4.5 μm產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高5.21%，底流夾細和溢流跑粗現(xiàn)象得到明顯改善。

3)實驗證明雙錐型微型旋流器分離粒徑更小，分離效果更好。