劉培坤 鄭雪飛 楊興華 張悅刊 姜蘭越

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

水力旋流器是根據(jù)離心沉降原理將不同粒度或者不同密度物料進(jìn)行分級(jí)分選的分離設(shè)備，由于旋流器具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、處理量大等優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用范圍十分廣泛。在旋流器分離過程中，粗粒徑低品位顆粒會(huì)進(jìn)入溢流，造成溢流跑粗，短路流的存在也會(huì)加劇跑粗現(xiàn)象，嚴(yán)重影響分離效率和分級(jí)精度[1-2]。

針對旋流器分離過程中存在的溢流跑粗問題，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了諸多探索與研究。徐冬林等[3]研究了旋流器溢流管直徑對短路流的影響，結(jié)果表明，在保證流場穩(wěn)定的前提下，溢流管管徑越小，短路流速度越小，越有利于減少短路流的影響。針對短路流問題，劉培坤等[4]提出了一種錐形溢流管旋流器，研究結(jié)果表明，錐形溢流管可以起到厚壁溢流管的作用，可對流體進(jìn)行導(dǎo)向作用，可有效減少短路流進(jìn)入溢流管。杜振寶[5]為消除短路流對溢流的污染，設(shè)計(jì)了一種新型雙溢流水力旋流器，發(fā)現(xiàn)同心嵌套的雙溢流管結(jié)構(gòu)可獲得2種產(chǎn)物，確保內(nèi)溢流管物料的純凈，減少短路流的污染。Tang Bo等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨著溢流直徑增大，旋流器分離效率提高，當(dāng)溢流管直徑大于臨界值時(shí)，分離效率隨之下降。Jiang Lanyue等[7]為減少短路流的影響，研究了幾種新型的弧形溢流管旋流器。

為提高旋流器分級(jí)效率，降低短路流造成的溢流跑粗現(xiàn)象，提出一種篩孔型溢流管旋流器，與傳統(tǒng)圓柱型溢流管旋流器進(jìn)行對比，采用數(shù)值模擬技術(shù)和試驗(yàn)探究相結(jié)合的方法，對其流場分布規(guī)律和分離性能進(jìn)行深入研究。

1 篩孔型溢流管

兩相流體進(jìn)入旋流器后，在器壁的摩擦阻力作用下，一部分流體沿頂蓋下表面運(yùn)動(dòng)，后沿溢流管外壁向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入溢流管排出溢流口，這部分流體未經(jīng)分離直接由溢流管排出，造成溢流產(chǎn)物中夾雜粗顆粒，直接影響其分離效果[8-9]。為降低溢流產(chǎn)物中粗顆粒含量，在傳統(tǒng)圓柱型旋流器基礎(chǔ)上把溢流管底部進(jìn)行封閉，在封閉溢流管底部開設(shè)小孔，形成“篩孔”結(jié)構(gòu)，阻擋一定粒度的粗顆粒進(jìn)入溢流，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，小孔直徑為2 mm，孔的分布為同心圓排列，孔中心距為3 mm，開孔率為37%，開孔布局如圖2所示。

2 旋流器數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模擬方法

為了對比研究傳統(tǒng)溢流管旋流器與篩孔型溢流管旋流器內(nèi)部流場特征和分離性能，選用Φ50 mm旋流器進(jìn)行SolidWorks三維建模，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。利用ICEM CFD軟件對旋流器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，傳統(tǒng)圓柱型溢流管旋流器網(wǎng)格數(shù)量為136 464個(gè)，篩孔型溢流管旋流器網(wǎng)格數(shù)量為137 145個(gè)，旋流器網(wǎng)格劃分如圖3所示，溢流管底部局部網(wǎng)格劃分如圖4所示，采用Fluent14.5軟件對旋流器進(jìn)行模擬分析。

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采用Mixture多相流混合模型，主相設(shè)置為水，次相為石英砂，密度為2 650 kg/m3，試驗(yàn)中質(zhì)量濃度為10%，根據(jù)質(zhì)量濃度與體積濃度的換算公式（1），計(jì)算得到總的體積濃度為4.2%，用總體積濃度分別與各粒徑區(qū)間的固相粒度分布相乘，得到各粒徑區(qū)間的模擬體積分?jǐn)?shù)，粒徑分布如表2所示。選用基于壓力的穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算，采用適合高速旋轉(zhuǎn)流場模擬的RSM雷諾應(yīng)力湍流模型，選擇壓力-速度耦合SIMPLEC算法求解控制參數(shù)，采用PRESTO!壓力離散格式，采用QUICK離散格式處理動(dòng)量。進(jìn)料口設(shè)置為速度入口，大小為3.78 m/s，溢流口和底流口設(shè)置為壓力出口，設(shè)置為無滑移壁面函數(shù)。

式中，Civ為體積濃度，%；Ciw為質(zhì)量濃度，%；ρ為石英砂密度，t/m3。

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2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 溢流管周圍速度矢量對比

圖5（a）所示為圓柱型溢流管四周流體速度矢量分布示意圖，通過局部放大圖可知，在器壁摩擦阻力作用下，給入旋流器的流體一部分沿溢流管外壁向下運(yùn)動(dòng)后未參與分離直接進(jìn)入溢流管，這部分流體中夾雜著粗顆粒成為溢流產(chǎn)物的一部分，這就是短路流引起的溢流跑粗現(xiàn)象。圖5（b）所示為篩孔型溢流管四周流體速度矢量分布示意圖，由局部放大圖可以看出，在“篩孔”的作用下，進(jìn)入溢流管的短路流部分的流體減少，更多短路流部分的流體重新進(jìn)入外旋流參與分離。

2.2.2 旋流器切向速度對比

切向速度場決定離心力場，是旋流分離的基礎(chǔ)，在分離過程中起主導(dǎo)作用，在速度分量中數(shù)值最大。分別選取截面高度Z=175 mm和Z=150 mm處的切向速度進(jìn)行對比，Z=175 mm高度處為溢流管底部位置，Z=150 mm為溢流管下部旋流器柱段位置。如圖6（a）所示溢流管底部位置，在半徑r＜15 mm的范圍內(nèi)，篩孔型溢流管旋流器切向速度趨近于零，由于篩孔的阻擋作用使得流體切向速度大大降低，減緩了分離過程，延長了分離時(shí)間。如圖6（b）所示在溢流管下部位置，遵循旋流器分離過程中切向速度的分布規(guī)律，由旋流器壁面向軸心位置，切向速度先增大后減小。在旋流器半徑r＜10 mm的范圍內(nèi)，篩孔型溢流管旋流器的切向速度明顯高于圓柱型溢流管旋流器，離心力場增強(qiáng)，有助于分離過程的充分進(jìn)行。

2.2.3 旋流器軸向速度對比

軸向速度的大小決定了溢流底流的流量分配及顆粒在旋流器內(nèi)部停滯時(shí)間，影響分離效果。圖7是不同高度截面的軸向速度對比，旋流器內(nèi)軸向速度均符合軸對稱分布規(guī)律，在外旋流中軸向速度為負(fù)值，流體向底流方向流動(dòng)，在內(nèi)旋流中流體運(yùn)動(dòng)方向相反，流向溢流。由圖7（a）可知，在溢流管底部位置，篩孔型溢流管內(nèi)的流體軸向速度趨近于零，明顯低于圓柱型溢流管旋流器，有利于延長顆粒在旋流器內(nèi)部的分離時(shí)間，能夠減小短路流中粗顆粒不經(jīng)分離排出溢流管的幾率，降低溢流跑粗。在旋流器柱段位置，如圖7（b）所示，在外旋流處，篩孔型溢流管旋流器內(nèi)流體的軸向速度高于圓柱型溢流管旋流器，可有效帶動(dòng)溢流管壁周圍短路流中的顆粒向下運(yùn)動(dòng)，積極參與分離過程。在內(nèi)旋流中，篩孔型溢流管旋流器軸向速度低于圓柱型溢流管旋流器，可以增加顆粒在旋流器內(nèi)部的停留時(shí)間，進(jìn)行充分分離，降低粗顆?；烊胍缌鞯臋C(jī)率。

3 分級(jí)試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)裝置及方法

設(shè)計(jì)試驗(yàn)對篩孔型溢流管旋流器的分離性能進(jìn)行研究，加工圓柱型溢流管旋流器和開孔率為37%的篩孔型溢流管旋流器進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。由旋流器、渣漿泵、攪拌器、壓力表、閥門、料筒以及管路系統(tǒng)等組成的循環(huán)系統(tǒng)，以質(zhì)量濃度為10%的石英砂為原料，進(jìn)料壓力為0.08 MPa進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示。

3.2 不同形式旋流器分級(jí)對比試驗(yàn)

圓柱型溢流管和篩孔型溢流管旋流器試驗(yàn)對比結(jié)果如表3所示。采用篩孔型溢流管時(shí)旋流器溢流濃度由圓柱型溢流管的3.06%減小到2.83%，底流濃度由圓柱型溢流管的32.61%升高到36.98%，底流固相產(chǎn)率由圓柱型溢流管的69.43%升高到72.03%。由產(chǎn)物粒度組成可得，與圓柱型溢流管相比較，篩孔型溢流管溢流中大于25 μm的粗顆粒從3.21%降低為1.78%，溢流中粗顆粒明顯減少。相反地，相較于圓柱型溢流管旋流器，篩孔型溢流管旋流器底流中小于25 μm的顆粒含量減少了1.86%，改善了底流夾細(xì)現(xiàn)象。從分級(jí)效率來看，-25 μm分級(jí)質(zhì)效率由圓柱型溢流管的47.59%提高到篩孔型溢流管的58.00%，分級(jí)量效率由圓柱型溢流管的48.74%提高到篩孔型溢流管的60.08%，均得到大幅增加，表明采用篩孔型溢流管有效改善了溢流跑粗現(xiàn)象。由于篩孔開孔率37%，其處理量由2.591 m3/h降低到2.289 m3/h。對比2種旋流器溢流產(chǎn)物累計(jì)含量，結(jié)果如圖9所示。采用篩孔型溢流管時(shí)，d50=5.415 μm，采用圓柱型溢流管時(shí)，d50=6.270 μm，顯然前者得到的溢流產(chǎn)物更細(xì)，表明粗顆粒含量明顯減少。

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3.3 開孔率對篩孔型溢流管旋流器分離性能的影響

為探究開孔率對篩孔型溢流管旋流器分離性能的影響，加工開孔率分別為25%、31%、37%、43%的直徑20 mm篩孔型溢流管，如圖10所示，在物料濃度為10%，進(jìn)料壓力為0.08 MPa條件下進(jìn)行分離性能試驗(yàn)。

隨著溢流管開孔率的增加，溢流和底流的濃度和產(chǎn)率變化如圖11所示。

由圖11可知，隨著開孔率的增加，底流濃度不斷升高，從30.91%升高到48.99%，底流固相產(chǎn)率有所下降，溢流濃度稍有降低，溢流產(chǎn)率從19.08%增大到了22.98%。隨著溢流管開孔率的增加，溢流開孔有效面積增大，流體進(jìn)入溢流所受阻力減小，更多水相和顆粒進(jìn)入溢流，溢流產(chǎn)率提高、濃度降低，底流產(chǎn)率降低、濃度升高。

產(chǎn)品中位粒徑代表各產(chǎn)品的平均細(xì)度，各產(chǎn)品對應(yīng)的中位粒徑如表4所示，隨著溢流管開孔率的增加，溢流和底流的中位粒徑增大，原因在于開孔率變大，進(jìn)入溢流的細(xì)顆粒變多，但相較于開孔率小的溢流管，這部分顆粒相對較粗，隨著開孔率增大，溢流細(xì)度降低，底流中細(xì)顆粒減少，壓力降減小，溢流流量增大，溢流產(chǎn)品變粗“跑粗”明顯。

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4 結(jié) 語

針對旋流器分離過程中短路流造成的溢流跑粗問題，設(shè)計(jì)篩孔型溢流管旋流器，通過模擬研究旋流器內(nèi)流場分布規(guī)律，并進(jìn)行對比試驗(yàn)探究其分離性能。

（1）篩孔型溢流管能阻擋粗顆粒進(jìn)入溢流管，使未經(jīng)分離的短路流進(jìn)入外旋流重新進(jìn)行分離。在溢流管底部內(nèi)旋流中，流體切向速度趨近于零，短路流速度也隨之降低，有效減小了溢流跑粗現(xiàn)象。在溢流管下部內(nèi)旋流中，流體切向速度增大，有利于分離過程的充分進(jìn)行。

（2）采用篩孔型溢流管后，在溢流管底部的內(nèi)旋流軸向速度趨近于零，明顯低于圓柱型溢流管旋流器。采用篩孔型溢流管可延長顆粒在旋流器內(nèi)部的分離時(shí)間，降低溢流跑粗。在溢流管下部外旋流中，篩孔型溢流管旋流器軸向速度高于圓柱型溢流管旋流器，可有效帶動(dòng)溢流管壁周圍短路流中的顆粒往下運(yùn)動(dòng)參與分離過程，內(nèi)旋流中篩孔型溢流管旋流器軸向速度低于圓柱型溢流管旋流器，可以延長顆粒在旋流器內(nèi)部的停留時(shí)間，進(jìn)行充分分離過程，消減溢流跑粗現(xiàn)象。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于圓柱型溢流管，采用篩孔型溢流管分離效率得到顯著提高，-25μm分級(jí)質(zhì)效率由47.59%提高到58%，分級(jí)量效率由48.74%提高到60.08%，粗顆粒減少，溢流產(chǎn)物更細(xì)，有效改善了溢流跑粗問題。隨著篩孔型溢流管開孔率的增大，溢流產(chǎn)率提高、濃度降低，底流和溢流產(chǎn)品顆粒變粗。