闞 琛 郭明超

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

上懸離心機(jī)廣泛用于制糖工業(yè)中的甲糖膏分離，也適用于乙糖膏、葡萄糖膏、維生素VC、味精或類似的高黏度和高濃度的晶體物料的固液分離[1]。上懸離心機(jī)是通過電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力作用下去除溶液中不溶性殘?jiān)年P(guān)鍵設(shè)備。上懸離心機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的振動(dòng)對(duì)其使用壽命和安全運(yùn)轉(zhuǎn)有較大的影響，尤其是在啟停階段過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)對(duì)關(guān)鍵零部件損害較大[2]。上懸離心機(jī)的振動(dòng)是難以避免的，但振動(dòng)超過限度時(shí)，輕則造成零部件損壞，影響機(jī)器使用壽命；重則造成重大安全事故，釀成嚴(yán)重惡果。振動(dòng)由多種因素造成，主要來自轉(zhuǎn)子本身的加工、平衡精度以及裝配關(guān)系所造成的殘余不平衡量以及物料分散不均勻所引發(fā)的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和振型的改變。

上懸離心機(jī)運(yùn)行過程中，待處理料液在離心力作用下沿鼓壁形成環(huán)狀液層，其中密度較大的不溶性固體顆粒沿徑向沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，形成沉渣并始終附著于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部直至停車。沉降不均勻的沉渣會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓質(zhì)量分布不均勻，在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)的情況下，極大地影響上懸離心機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，加速上懸離心機(jī)軸承磨損，縮短機(jī)械壽命。同時(shí)，沉渣的分布位置直接影響了排渣用高壓噴嘴的分布及沖洗參數(shù)。

本文采用多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂等技術(shù)，進(jìn)行固液兩相流場(chǎng)分析，從而獲取轉(zhuǎn)鼓沉渣堆積狀態(tài)[3]。

1 上懸離心機(jī)工作原理

如圖1所示，料液從料液入口經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)的散液盤，高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉降層，當(dāng)不溶性顆粒的濃度很低時(shí)，顆粒之間的距離比較大，相互間的作用與影響極小，顆粒密度和大小不同的粒子由于離心力的作用各自以不同的速度沉降，形成自由沉降狀態(tài)。顆粒在液體中的沉降規(guī)律是顆粒沿著離心力的徑向方向在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上沉降，顆粒沉降速度隨著顆粒粒徑以及固液密度差的增大而增大。

2 數(shù)值方法與物理模型

在圖1沉降離心機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)離心機(jī)性能影響比較小的因素進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了圖2所示的簡(jiǎn)化模型，該簡(jiǎn)化模型可以表征沉降離心機(jī)的主要特征，簡(jiǎn)化了一些對(duì)離心機(jī)整體性能影響不大的結(jié)構(gòu)（如排渣口、清液入口和動(dòng)力輸入軸等）。以該簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，建立了對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型整體采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，分為三部分：散液盤區(qū)域、轉(zhuǎn)鼓區(qū)域和分相口及外部區(qū)域。三部分的網(wǎng)格數(shù)量分別約為600萬、1 000萬和400萬，總網(wǎng)格數(shù)約為2 000萬。

計(jì)算過程中，首先將三部分網(wǎng)格通過Interface組合在一起，形成離心機(jī)的整體計(jì)算網(wǎng)格。通過計(jì)算穩(wěn)定工況，對(duì)離心機(jī)計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行整體分析，獲得三部分交界區(qū)域的穩(wěn)定流場(chǎng)、多相流分布特征。之后在針對(duì)散液盤、轉(zhuǎn)鼓、分相口進(jìn)行局部性能分析和幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，分別以賦值交界區(qū)域的流場(chǎng)和多相流分布特征為邊界條件，進(jìn)行單部分的計(jì)算和分析。這樣可以大大降低計(jì)算量，提高分析和計(jì)算效率[4-5]。

本模型采用ANSYS FLUENT 19.0作為計(jì)算軟件，先進(jìn)行定常計(jì)算，獲得相對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)特征后，再根據(jù)需要進(jìn)行非定常特征計(jì)算和分析，最終獲得離心機(jī)內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)特征。

3 結(jié)果分析

3.1 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣堆積狀態(tài)分析

如圖3所示，在轉(zhuǎn)鼓上部液面附近初始化為固體顆粒，同時(shí)以穩(wěn)態(tài)時(shí)的流量、顆粒濃度與轉(zhuǎn)速運(yùn)行。這種分析方法更貼近實(shí)際情況，相當(dāng)于固體顆粒在離心力的作用下，由散液盤進(jìn)入到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)料液液面附近，然后開始沉降。

如圖4所示，顆粒相逐漸沿著徑向開始沉降，直至轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面。固體顆粒相在沿著徑向沉降的過程中，在重力作用和料液的沖刷作用下也會(huì)同時(shí)向下移動(dòng)。固體顆粒相最終沿著轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面分布，而且沿軸向分布并不均勻，具有局部堆積現(xiàn)象。可以發(fā)現(xiàn)，立板將轉(zhuǎn)鼓分為4個(gè)周向區(qū)域，固體顆粒相在單個(gè)區(qū)域內(nèi)的分布不均勻；在4個(gè)區(qū)域內(nèi)分布的相對(duì)規(guī)律是一致的，并通過提取4個(gè)區(qū)域顆粒質(zhì)量參數(shù)可知，4個(gè)區(qū)域內(nèi)顆粒質(zhì)量基本相同。

固體顆粒通過轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面、立板之間的縫隙時(shí)，在離心力和慣性力等的作用下會(huì)實(shí)現(xiàn)快速沉降。所以，固體顆粒在立板前、后方的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面處沉降后堆積得較多，而在立板之間的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面處堆積得比較少，如圖5所示。

為進(jìn)一步分析固體顆粒相對(duì)于轉(zhuǎn)鼓壁面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行了VOF+DPM模型的計(jì)算，用于追蹤單個(gè)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度并進(jìn)行分析。本文選擇了3個(gè)典型參考點(diǎn)，分別位于立板后側(cè)、立板中間位置和立板前側(cè)，用于追蹤經(jīng)過3個(gè)點(diǎn)的固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度的情況，從而了解固體顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程和固體顆粒與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。

圖6給出了轉(zhuǎn)鼓內(nèi)387個(gè)固體顆粒隨機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以發(fā)現(xiàn)，立板對(duì)顆粒的徑向沉降具有積極作用，可以促進(jìn)顆粒徑向快速沉降；在重力和料液沖刷作用下，固體顆粒存在自上而下的緩慢運(yùn)動(dòng)；顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓具有一定的隨機(jī)性，立板沿周向分布造成流場(chǎng)不均勻分布，顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)分布并不十分均勻，存在局部堆積情況，大部分顆粒沉降在轉(zhuǎn)鼓中上部區(qū)域；顆粒沉降過程中，與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面距離越近，固體顆粒相對(duì)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面的合速度速率越小，最終實(shí)現(xiàn)沉降。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步考察沉渣堆積狀態(tài)，采用上懸離心機(jī)進(jìn)行分離試驗(yàn)，分離轉(zhuǎn)速、進(jìn)料流量與料液濃度均與仿真分析一致。

圖7所示為沉渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的實(shí)際堆積情況，沉渣在立板附近堆積較多且立板分隔的4個(gè)區(qū)域沉渣量基本相同，最大差值為0.03 kg，如表1所示。因此，可以得出以下結(jié)論：大部分沉渣集中在轉(zhuǎn)鼓上部，且立板與立板之間沉渣分布不均勻，立板前后堆積較多，立板與立板之間較少；由立板分隔出的4個(gè)區(qū)域沉渣堆積規(guī)律與沉渣量基本相同。上述實(shí)際沉渣堆積情況與仿真分析基本一致。

表1 各區(qū)域沉渣質(zhì)量

4 結(jié)論

對(duì)上懸離心機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的沉渣分布進(jìn)行流體仿真分析，得出轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部沉渣在高速旋轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)動(dòng)過程以及沉渣分布狀態(tài)，其結(jié)果與試驗(yàn)情況相一致。

（1）顆粒進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓具有一定的隨機(jī)性，由于轉(zhuǎn)鼓內(nèi)分布有立板、環(huán)板等，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流場(chǎng)沿周向是變化的，而且具有一定的周期性。受到流場(chǎng)影響，固體顆粒在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)單個(gè)區(qū)域分布不均勻，但由立板分隔出的4個(gè)區(qū)域相對(duì)均勻，在立板前后存在局部堆積情況，大部分顆粒最終沉降在轉(zhuǎn)鼓中上部區(qū)域。

（2）在離心力的作用下，固體顆粒隨著轉(zhuǎn)鼓、料液一起高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，沿著徑向沉降。特別是當(dāng)固體顆粒運(yùn)動(dòng)到立板處時(shí)，固體顆粒通過立板跟轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁面之間的縫隙，實(shí)現(xiàn)快速沉降。立板對(duì)于固體顆粒的沉降具有積極作用，可以促進(jìn)顆粒徑向快速沉降。沉渣在4個(gè)區(qū)域的堆積狀態(tài)與堆積量基本一致，說明了該上懸離心機(jī)運(yùn)行過程中，附著于轉(zhuǎn)鼓壁的沉渣相對(duì)均勻，不會(huì)由于物料分散增加過多的不平衡量而發(fā)生振動(dòng)異常。

（3）沉渣大部分堆積于轉(zhuǎn)鼓上部，在此位置應(yīng)布置數(shù)量多、流量大、壓力高的噴嘴；其他位置沉渣堆積量較少，可減少噴嘴數(shù)量，降低噴嘴參數(shù)。

本文分析為上懸離心機(jī)的清洗提供了指導(dǎo)，能夠有效改善清洗效果，節(jié)省清洗水量與時(shí)間。