淀粉分離旋流器液固兩相流場的流體動力學(xué)研究

武文斌 王 新 王彥波

(河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所1,鄭州 450007)

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所2,南京 210014)

淀粉分離旋流器液固兩相流場的流體動力學(xué)研究

武文斌1王 新2王彥波1

(河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所1,鄭州 450007)

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所2,南京 210014)

因?yàn)榈矸鄯蛛x旋流器內(nèi)部流體流動的復(fù)雜性,所以只能依靠實(shí)測研究和經(jīng)驗(yàn)方程去預(yù)測和檢驗(yàn)設(shè)備的性能,但這些方法無法從根本上解釋旋流器分離機(jī)理。利用 CFD分析軟件對小直徑的淀粉分離旋流器進(jìn)行了仿真計(jì)算,采用 RS M模型對單相流場進(jìn)行了模擬,重點(diǎn)分析了流場的速度場分布情況以及旋流器內(nèi)廣泛存在的循環(huán)流現(xiàn)象;進(jìn)而在單相流場的基礎(chǔ)上采用M IXTURE模型對旋流器內(nèi)液固兩相流場進(jìn)行了模擬,重點(diǎn)分析了旋流器內(nèi)壓降和進(jìn)口流量之間的關(guān)系,并通過與以前的實(shí)測結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式的對比,驗(yàn)證了流場計(jì)算的可靠性。

計(jì)算流體動力學(xué) 淀粉分離旋流器 湍流 液固兩相流

采用水力旋流器可以完成淀粉的除砂、澄清、濃縮、洗滌精制等多種操作,所以水力旋流器在淀粉工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用,但目前研究主要采用“黑箱”法,這對了解旋流器內(nèi)部的流動和分離規(guī)律非常困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了計(jì)算流體動力學(xué)(CFD),這是一種以流體為研究對象的數(shù)值模擬技術(shù),CFD技術(shù)能夠?qū)π髌髟谠O(shè)計(jì)和操作條件下預(yù)測內(nèi)部流場特性,為水力旋流器的研究提供了一種新方法。

試驗(yàn)以 30 mm直徑的淀粉分離用旋流器為例,選用 RS M模型[1-2]描述湍流;并針對淀粉分離旋流器內(nèi)淀粉顆粒體積比大于 10%的情況,而采用M IX2 TURE模型[3]對液固兩相流場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并將得到的單相和兩相模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證流場數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1 基本計(jì)算方程

目前工程湍流計(jì)算中所采用的基本方法是Reynolds時(shí)均方程法,該方法用于水力旋流器的主要模型有標(biāo)準(zhǔn) k—ε模型、RNGk—ε模型和雷諾應(yīng)力模型(RS M)。研究表明旋流器內(nèi)強(qiáng)旋流場的湍流黏性系數(shù)是各向異性的,由于標(biāo)準(zhǔn) k—ε模型假定湍流為各向同性的均勻湍流,所以在水力旋流器這種非均勻湍流問題的計(jì)算中存在較大誤差,RNGk/ε模型也沒有突破渦黏性假設(shè)下的各向同性的框架,其各種改進(jìn)形式往往具有很大的局限性和條件性。而雷諾應(yīng)力模型 (RS M)完全摒棄了渦黏性假設(shè),直接求解雷諾應(yīng)力微分輸運(yùn)方程得到各應(yīng)力分量,考慮了雷諾應(yīng)力的對流和擴(kuò)散,比較適合模擬水力旋流器的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流。因此本試驗(yàn)采用雷諾應(yīng)力方程模型對旋流器流場進(jìn)行研究。

旋流器內(nèi)湍流采用雷諾應(yīng)力 (RS M)方程,它由時(shí)均 N—S控制方程、雷諾應(yīng)力輸運(yùn)方程和耗散率方程組成封閉方程組進(jìn)行求解。

而對多相流場采用M IXTURE模型,每個(gè)相當(dāng)成單相處理,考慮相間的作用,流體允許相互貫穿,采用滑移速度概念。混合模型求解混合相的連續(xù)性方程、動量方程,第二相的體積分?jǐn)?shù)方程,以及兩相間的滑移速度。

混合相的連續(xù)性方程為:

式中 :υm為質(zhì)量平均速度 /m/s;ρm為混合密度 /kg/m3;m?為質(zhì)量源的質(zhì)量傳遞。

2 計(jì)算模型建立

2.1 假設(shè)前提

對計(jì)算模型做如下假設(shè)[4]:假設(shè)流場恒溫,不考慮能量傳遞;不考慮由于流體與壁面摩擦而產(chǎn)生的熱效應(yīng);顆粒進(jìn)口速度等于液相的流速,且均勻分布于入口;顆粒相和液相之間無能量交換。

2.2 幾何建模

根據(jù)目前常用的馬鈴薯淀粉分離用水力旋流器型號,水力旋流器的幾何結(jié)構(gòu)主要包括水力旋流器直徑 D、進(jìn)料口尺寸 a×b、溢流管直徑 Do及底流管直徑 Du、錐體角度θ、溢流管插入深度L、筒體柱段長度 H。幾何尺寸如表 1所示。

表 1 淀粉分離旋流器幾何結(jié)構(gòu)

根據(jù)選定的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),利用 CFD分析軟件FLUENT的前處理軟件 GAMB IT建立三維幾何模型,而后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到淀粉分離旋流器的實(shí)際流動特征,在軸心和壁面區(qū)域加密網(wǎng)格,將整個(gè)三維模型劃分為大約 9.7萬個(gè)六面體網(wǎng)格,如圖 1和圖 2所示。

2.3 求解方法

由于具有三階截差的QUCIK格式可獲得更高的精度,而且主要用于六面體網(wǎng)格,因此本研究采用QU I CK格式,用 SI MPLEC算法來處理壓力和速度的耦合,壓力插值方式為 PRESTO格式。

2.4 邊界和初始條件

2.4.1 液相邊界條件

進(jìn)口邊界設(shè)置為速度入口,溢流和底流出口邊界設(shè)置為壓力出口,壁面采用無滑移無滲透固壁條件。

2.4.2 固相邊界條件

固相入口設(shè)置為假定顆粒在懸浮液中視均勻分布的,固相和液相速度相同;顆粒碰壁條件設(shè)置為反彈邊界條件。表 2為旋流器兩相模擬入口物性參數(shù)和入口操作參數(shù)。

表 2 旋流器兩相模擬入口物性參數(shù)和入口操作參數(shù)

3 單相流場分析

根據(jù)旋流器的工作原理可知,液體在水力旋流器中同時(shí)產(chǎn)生兩種基本的同向旋轉(zhuǎn)液流 -順螺旋線向下流動的外旋流和沿螺旋線向上流動的內(nèi)旋流,即為水力旋流器內(nèi)流體的雙螺旋模型[5]。圖 3所示為模擬出的旋流器內(nèi)流體運(yùn)動跡線。

圖 3 旋流器內(nèi)流體運(yùn)動跡線

3.1 軸向速度

圖 4為模擬出的不同旋流器高度截面上軸向速度沿徑向變化曲線分布,將圖 4與徐繼潤[6]通過三維測速儀實(shí)測出的軸向速度分布比較發(fā)現(xiàn)變化趨勢基本一致。由圖 4可見軸向速度分布存在以下特點(diǎn)。第一,在深入旋流器內(nèi)腔的溢流管口以下和底流口以上區(qū)域,向上的軸向流動比向下的流動要快的多,這表明大部分介質(zhì)進(jìn)入了溢流;第二,在靠近溢流口區(qū)域的軸向速度存在雙環(huán)流動,也就是軸向速度兩次改變方向,可見在此區(qū)域存在循環(huán)流和短路流;第三,在溢流口末端以下底流口以上的主分離區(qū),軸向速度由器壁離軸線愈近而愈高,速度值由負(fù)變正,在旋流器內(nèi)沿半徑方向上的中部通過零點(diǎn),通過液體軸向速度為零的各點(diǎn),可以描繪成一個(gè)圓錐形表面,即零軸速包絡(luò)面 (LZVV)。如圖5所示為零軸速包絡(luò)線和包絡(luò)面,該面內(nèi)部液體向上流動,形成內(nèi)旋流,而在其外部的液體則向下往底流口方向流動,形成外旋流。

3.2 切向速度

圖 6為不同旋流器高度截面切向速度沿徑向變化曲線分布,從整個(gè)徑向截面切向速度分布來看,其分布曲線呈明顯的“駝峰”曲線,即每側(cè)都存在一個(gè)最大切向速度點(diǎn),所有的最大切向速度點(diǎn)可以形成一個(gè)分界柱面,而且隨著旋流器高度的增加,最大值點(diǎn)的切向速度值在降低,如在軸向高度為0.015 m時(shí),切向速度為 7.17 m/s;而當(dāng)軸向高度為0.025 m時(shí),切向速度為 5.78 m/s,而且切向速度大部分都為正值,這是由于柱坐標(biāo)系中流體運(yùn)動方向與主流方向一致,符合右手定則,但通過云圖發(fā)現(xiàn),在主分離區(qū)軸心區(qū)域還是存在一些負(fù)值區(qū)域,分析認(rèn)為這是二次渦流所導(dǎo)致。模擬結(jié)果與徐繼潤等[6]通過對水封式旋流器研究所得出的結(jié)論是一致的。

圖 6 不同旋流器高度截面切向速度沿徑向變化曲線分布

3.3 循環(huán)流現(xiàn)象

通過對軸向速度分布的分析,發(fā)現(xiàn)在溢流管壁外側(cè)存在雙環(huán)流動,即出現(xiàn)了循環(huán)流現(xiàn)象。可從圖 7中 Y=0縱截面上可以看出,深入到旋流器內(nèi)腔中的溢流管外壁與旋流管內(nèi)壁之間區(qū)域的速度矢量呈橢圓軌跡的圓周運(yùn)動,即發(fā)生了循環(huán)流動。循環(huán)流的出現(xiàn)會對馬鈴薯淀粉分離效率產(chǎn)生很大的負(fù)面影響。根據(jù)模擬出的循環(huán)流的特點(diǎn),結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn),本文采用增加溢流管壁厚度的措施來研究其對循環(huán)流的影響,圖 9為增加溢流管壁厚3 mm以后所得到的軸向速度分布,與圖 8實(shí)際工況下所采用的溢流管壁厚為 1 mm的軸向速度比較可知,圖 7中雖然也存在雙環(huán)流動,但是在徑向循環(huán)流的區(qū)域已經(jīng)變小,在圖 6中溢流管壁附近的兩個(gè)零軸速之間也就是循環(huán)流的徑向距離為 2.5 mm,而增加溢流管壁厚以后所得循環(huán)流的區(qū)域在徑向上只有1.25 mm,說明增加溢流管壁厚可以在一定程度上減小循環(huán)流的影響,但是還不能完全消除。

4 液固兩相流場分析

4.1 顆粒在旋流器內(nèi)的體積分布

圖 10和圖 11分別為在 Y=0縱截面混合相體積云圖和 Z=0.01 m橫截面混合相體積分布云圖,從圖 10和圖 11中可以很明顯的看出按照體積比不同而形成的分層。總結(jié)相的分布規(guī)律為:第二相也就是顆粒相 (a)主要分布在外圍器壁附近,第一相也就是水 (b)主要分布在軸心區(qū)域,另外在兩者之間還存在相間混合過渡區(qū)域。這種分布直觀地反映了旋流器的分離規(guī)律,當(dāng)流體進(jìn)入旋流器后,淀粉等密度大的顆粒所受離心力大,向壁面附近運(yùn)動,而輕雜所受離心力小,主要分布在軸心區(qū)域。

4.2 淀粉分離旋流器的工藝指標(biāo)計(jì)算

淀粉分離旋流器的工藝指標(biāo)包括旋流器的能耗指標(biāo)—壓降,因此通過改變?nèi)肟谖锪系牧髁款A(yù)測其對旋流器壓力降的影響,從而找出水力旋流器入口流量—壓力降的規(guī)律。

本研究中數(shù)值模擬計(jì)算所采用的是動壓降和靜壓降之和來計(jì)算水力旋流器的總壓降,其中水力旋流器的壓降指進(jìn)口處的壓降和兩個(gè)出口處的壓力之差,并且用流量加權(quán)平均來表示總的能量損失:

式中:Q,Qu,Q0分別為進(jìn)口流量,溢流口流量,底流口流量 /L/min;ΔPu,ΔP0分別為進(jìn)口與底流口,進(jìn)口與溢流口之間的壓降 /kPa。

表 3給出了不同的進(jìn)料流量下計(jì)算模型的壓降值,并與 Plitt[7]經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出的壓降進(jìn)行對比分析,數(shù)據(jù)比較接近。為更清晰看出壓降隨流量的變化趨勢,將表 3的數(shù)據(jù)繪成曲線圖 12。由表 3及圖 12可見,隨著流量的增大,模擬靜壓降、動壓降絕對值、總壓降均隨之增大。因此,當(dāng)進(jìn)口料液流量增大,即生產(chǎn)能力增加時(shí),壓降隨之增加。模擬動壓降/kPa -16.1 -37.5 -52.2 -63 -86.9-100.6模擬總壓降/kPa 58.3 93.4 120.1 134.2 136.6 138.6經(jīng)驗(yàn)公式壓降 /kPa 66.5 111.9 142.8 148.6 165 173.5

表 3 流量—壓降關(guān)系表

圖 12 流量—壓降關(guān)系表

5 結(jié)論

5.1 模擬得到的三維速度分布在變化趨勢上是基本一致,同時(shí)通過改變?nèi)肟诹髁磕M得到的進(jìn)出口壓降變化與經(jīng)驗(yàn)公式比較基本相同。而且通過數(shù)值模擬能夠更直觀的顯示旋流器內(nèi)液固兩相的變化趨勢。表明利用 CFD對水封式淀粉分離旋流器流場的模擬結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性。

5.2 通過流場計(jì)算的結(jié)果表明增加溢流管壁厚可以在一定程度上減小循環(huán)流的影響。

5.3 通過旋流器兩相的體積分布變化,當(dāng)流體進(jìn)入旋流器后,淀粉等密度大的顆粒所受離心力大,向壁面附近運(yùn)動,而輕雜所受離心力小,主要分布在軸心區(qū)域,解釋了兩相分離機(jī)理。

5.4 模擬發(fā)現(xiàn),旋流器流量的增大,模擬靜壓降、動壓降絕對值、總壓降均隨之增大。結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式的基本相似說明通過模擬結(jié)果得到壓降的變化是可信的。

這些分析結(jié)論為進(jìn)一步改進(jìn)淀粉旋流器的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化旋流器的工藝指標(biāo)、提高其淀粉分離效率等提供了很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。由于主要是針對旋流器內(nèi)部流場的研究,期望能從內(nèi)部流場的改變?nèi)パ芯糠蛛x機(jī)理的變化和影響,所以對分級效率的直接研究不足,因此下一步研究的重點(diǎn)是通過內(nèi)部流場的變化對分離效率的影響。

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Numerical Si mulation and Research on Flow Field in Starch-Separating Hydrocyclone

WuWenbin1Wang Xin1,2Wang Yanbo1
(Henan univercity of technology1,Zhengzhou 450007)
(Nanjing Research Institute forAgriculturalMechanizationMinistry ofAgriculture2,Nanjing 210014)

Because the flow behavior in a hydrocyclone is very complicate,designers can only predict the perfor m2 ance of device relying on experience equation,and it is not satisfied.The s mall diameter hydrocyclone for starch sep2 arating wasmodeled and the internal flow field was calculated by using program CFD.The RS M modelwas adopted to simulate the single-phase flow field,emphasizing the velocity distribution of internal flow field and the circulation flow that exists extensively in hydrocyclone.And then adopting the M IXTURE model to si mulate the flow of solidfluid two phases in hydrocyclone based on single-phase flowing.The relation between pressure drop and inlet flux were analyzed.It is proved that the calculated results agree with experimental results accurately.

computational fluid dynamics,starch-separating hydrocyclone,turbulence,solid-liquid two pha2 ses flow

TS 231

A

1003-0174(2010)01-0117-06

2009-02-03

武文斌,男,1959年出生,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,糧食機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特種加工