基于新給料方式的重介質旋流器流場的研究

徐 磊

（天地 （唐山）礦業科技有限公司，河北 唐山063000）

重介質旋流器作為目前應用最廣泛的煤炭分選設備，盡管已經系列化生產，但仍存在旋流器的給料壓力高、磨損不均衡以及介質循環量大等問題，這說明旋流器的結構參數還有進一步優化的必要。旋流器的給料方式是影響其分選效果的因素之一，目前給料方式主要有切線形、漸開線形等。然而上述給料方式引導的方向均垂直于旋流器軸向，與旋流器內流場的螺旋角度不一致，因此需要在后續給料的推動下不斷進行轉向，這無疑要消耗一定的能量[1]。由此筆者制作了入口向底流端傾斜5°的旋流器模型，并配合該傾斜角度制作了螺旋形的溢流頂板，其螺旋角度也為5°，緊貼給料管布置，通過新的給料方式以期達到降低能耗和穩定旋流器內部流場的目的。傳統給料方式和新給料方式重介質旋流器的幾何模型如圖1～2所示。本文在利用粒子圖像測速技術（PIV）進行試驗的基礎上，在流場數值模擬軟件FLUENT中采用RSM模型對重介質旋流器的流場進行了模擬，在相同給料壓力條件下，對給料方式改變后旋流器流場的變化進行了初步分析。

1 試驗研究

1.1 測試方法

試驗采用PIV技術對旋流器內部流場進行測試。近年來，PIV技術作為研究各種復雜流場的一種基本手段，已獲得廣大科研工作者的認同，尤其適用于渦流、湍流等復雜的流動形式。

1.2 旋流器模型參數

旋流器的主要結構和工藝參數如下：旋流器直

圖1 傳統給料方式旋流器

圖2 新給料方式旋流器

徑200mm；筒體長度630mm；給料管直徑40mm；溢流管直徑80mm；溢流管插入深度100mm；底流管直徑50mm；給料壓力0.03MPa。

1.3 PIV試驗系統

試驗系統主要由旋流器、管路系統以及PIV測速系統組成，設備安裝簡圖如圖3所示。

2 FLUENT數值模擬

在FLUENT中所建立的旋流器模型與PIV試驗的旋流器模型保持一致；對于新給料方式旋流器，溢流頂板為螺旋角為5°的螺旋板，從而保證給料方向與頂板走向一致。在前處理軟件GAMBIT中建立傳統給料方式和新給料方式旋流器的物理模型，然后對物理模型進行網格劃分，形成非均勻的六面體網格，選擇Reynolds應力模型（RSM）并對旋流器設定邊界條件后進行求解。

圖3 PIV試驗系統

3 試驗與數值模擬結果分析

分別距離旋流器底端500mm、300mm取兩個徑向截面記為z＝500mm、z＝300mm截面，過筒體中心線取軸向截面記為x＝0mm截面，本文對這幾個截面進行分析。

3.1 切向速度分布

3.1.1 PIV試驗結果

切向速度決定著礦粒在重介質旋流器中所受離心力的大小，它是旋流器三維速度中最重要的一維[2]。圖4、圖5為旋流器兩個徑向截面的切向速度分布，橫坐標0表示旋流器中心，100表示旋流器內壁位置。

圖4 z＝500mm截面切向速度分布

由圖4、圖5可見，兩種給料方式旋流器的切向速度沿器壁向中心方向逐漸增大，與半徑成反比例，達到最大值后便迅速減??；而在相同徑向位置，特別是在主要分選區域（50～80mm），新給料方式旋流器的切向速度要比傳統旋流器高，所以礦粒受到的離心力更大。

礦物在重介質旋流器中的分選效果跟離心系數有直接關系，離心系數可由式（1）計算。

圖5 z＝300mm截面切向速度分布

式中：a為離心加速度，m／s2；g為重力加速度，m／s2。

離心加速度a可表達為式（2）。

式中：Vt為重介質懸浮液流的切向速度，m／s；R為旋流器半徑，m；D為旋流器直徑，m。

將式（2）代入式（1）得式（3）。

由式（3）同時結合圖4、圖5，那么在相同給料壓力下，新給料方式旋流器的離心系數較大，則當離心系數相同時，新給料方式旋流器的給料壓力可比傳統旋流器的小，因而其能耗較小，這可能是由于給料方向改變后減少了流體轉向的能量損失和局部湍流所導致的。

3.1.2 數值模擬與PIV試驗結果的比較

圖6、圖7示出了采用RSM模型模擬得到的旋流器z＝300mm截面上切向速度的預測值與PIV試驗結果的比較，二者吻合較好，表明了FLUENT提供的RSM模型在模擬計算重介質旋流器強旋流場上的可行性，通過模擬可以對設備設計、改進起到一定的指導作用。

圖6 z＝300mm截面切向速度（傳統）

圖7 z＝300mm截面切向速度（新型）

3.2 壓力分布

旋流器內的壓力損失主要用于為有效的離心力場提供能量，對分選過程起積極作用，同時要克服空氣柱等引起的各種能量損失。兩種給料方式旋流器在x＝0截面上的靜壓云圖如圖8、圖9所示，在強旋轉離心力場的作用下，同一截面上壓力場的分布基本上是隨著旋流器半徑的減小而降低，靜壓在中心處出現最低值，在旋流器中心存在一個負壓區，即空氣柱。通過對靜壓云圖讀取數據，傳統給料方式和新給料方式旋流器在z＝500mm截面上中心負壓區最低壓強分別約為－650Pa、－912Pa，新給料方式旋流器中心負壓明顯較強，說明其旋渦強度較大，給料能力也相對較大。

圖8 傳統給料方式旋流器x＝0截面靜壓云圖

3.3 給料方式流線圖

圖9 新給料方式旋流器x＝0截面靜壓云圖

圖10 傳統給料方式旋流器流線圖

圖11 新給料方式旋流器流線圖

圖10 、圖11分別給出了兩種給料方式旋流器的流線圖。對于傳統旋流器，由于給料方向垂直于旋流器軸向，因此物料進入旋流器后需要在后續給料的推動下不斷地進行轉向，故需要更長的一段筒體距離來進行流場的調整，這無疑要消耗更多的靜壓能；而對于新給料方式旋流器，由于物料在進入旋流器之初便存在軸向的分速度，其給料方向與流場的螺旋角度比較接近，因此可以使流體迅速地進入螺旋狀態，也節省了部分靜壓能。

4 結論

1）重介質旋流器流場的PIV試驗測試和FLUENT數值模擬結果較為接近，證明基于RSM模型的數值模擬方法對于重介質旋流器流場是可行的研究手段。

2）在相同給料壓力下，新給料方式旋流器相比傳統給料方式旋流器，在相同橫截面處切向速度增大，中心負壓減小，這表明該給料方式可以有效降低旋流器內的能耗，有利于增大旋流器的離心系數，提高分選效率。

[1]齊正義.旋流器選煤技術現狀[J].選煤技術，2006（2）：52－54.

[2]彭榮任，等.重介質旋流器選煤理論與實踐[M].北京：冶金工業出版社，2012.