不同安裝角重介旋流器內流場的數值模擬

孟亞麗 王 博

(蘭州大學資源環境學院甘肅省環境污染預警與控制重點實驗室,甘肅省蘭州市,730000)

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不同安裝角重介旋流器內流場的數值模擬

孟亞麗 王 博

(蘭州大學資源環境學院甘肅省環境污染預警與控制重點實驗室,甘肅省蘭州市,730000)

摘 要運用了計算流體力學(CFD)的方法,采用混合多相流模型(Mixture)結合雷諾應力模型(RSM)用來描述旋流器內介質的流動以及空氣柱的變化,用拉格朗日顆粒追蹤模型(LPT)來模擬顆粒的流動狀態。在之前研究的基礎上,對直徑為1000 mm的重介質旋流器(DMC),通過改變其安裝角度(－60°～90°)進行氣－液－固的多相流動模擬,并分析不同安裝角度對重介質旋流器內流場的影響。研究結果表明,安裝角度的不同會影響重介質旋流器的分離性能,當安裝角度從－60°增加到90°時,操作壓力顯著減小,密度偏差和溢流分流比都顯著增加,通過流場分析得出在安裝角度為10°左右時,流場穩定且DMC分選效果更佳。

關鍵詞重介質旋流器 計算流體力學 多相流模擬 安裝角度

Numerical simulation of flow field in dense-medium cyclone with different installation angles

Meng Yali,Wang Bo
(Gansu Key Laboratory for Environmental Pollution Prediction and Control,College of Earth and Environmental Sciences,Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China)

Abstract By using the method of computational fluid dynamics(CFD)and adopting mixed multiphase flow model(Mixture)and Reynolds stress model(RSM),medium flow and air column changes in cyclone separator were described,flow condition of particles was simulated by Lagrangian particle tracking model(LPT).On the basis of previous research and by changing the installation angle(from－60°to 90°),gas-liquid-solid multiphase flow in the dense-medium cyclone(DMC)with a diameter of 1000 mm was simulated,and then the effects of the installation angles on the flow field of DMC were analyzed.The results showed that the different installation angles made differences in the separating performances of DMC.When the installation angle increased from－60°to 90°,operating pressure significantly decreased,density deviation and overflow split ratio both increased.It had been found by analyzing the flow field that,when the installation angle was 10°,the flow field was stable and the separating effect was better.

Key words dense-medium cyclone,computational fluid dynamic(CFD),multiphase flow simulation,installation angle

目前重介質旋流器(DMC)在國內應用廣泛,主要是由于其結構簡單、單位處理量大、分選效率高以及適合處理難選煤或極難選煤.盡管重介質旋流器結構簡單,但其內部具有復雜的多相流場,包括氣體、液體、煤顆粒以及大小密度各異的磁鐵礦顆粒和非磁鐵礦顆粒的流動等.近年來,運用計算流體動力學方法(CFD)已經成為研究旋流器流場的重要手段.相關專家使用CFD軟件FLUENT來模擬水力旋流器中流體的速度、壓力分布以及顆粒的運動軌跡;另外有專家還采用雷諾應力模型(RSM)模擬湍流運動,在水力旋流器中心發現了靜態非對稱空氣芯;還有專家在CFD中運用雷諾應力湍流模型模擬直徑為250 mm水力旋流器內部流體速度分布和顆粒的軌跡;國外專家在CFD中運用標準k－ε湍流模型模擬流體速度分布和顆粒切割粒徑,其模擬結果與試驗在101 mm水力旋流器下所得的數據一致;部分專家運用CFD研究了水力旋流器尺寸對多相流動的影響,模擬結果表明減小水力旋流器尺寸或者增加錐體長度都可以提高旋流器的分離性能;還有專家模擬分析了重介質旋流器內顆粒運動的特性,但是對于不同安裝角度的重介質旋流器內的流場模擬的研究卻鮮有報道.

本文主要運用CFD方法,對直徑為1000 mm且安裝角度不同的重介質旋流器(DMC)進行了氣－液－固的流動模擬,并分析不同安裝角度對DMC內流場的影響,從安裝角度的影響描述了重介質旋流器的分離性能,并提出在何種安裝角度下重介質旋流器的工作效率最佳.

1　模擬方法

1.1模擬步驟

雖然DMC結構簡單,但由于其內部的多相流場十分復雜,所以將流場模擬分為3個過程,模擬過程如圖1所示.

圖1　模擬過程

由圖1可以看出,首先以一定濃度空氣和混合液進料,通過雷諾應力模型(RSM)和流體體積模型(VOF)描述各向異性的湍流和液相兩相的自由界面,得到空氣核的初始位置以及初始速度的分布,該方法類似于水力旋流器中的多相流模擬;其次對于不同大小的磁鐵礦顆粒,多相流模型由VOF變為混合多相流模型,同時用粘度修正模型預測不同磁鐵礦顆粒的粘度分布,得到不同顆粒的密度和速度分布;最后利用拉格朗日追蹤模型LPT追蹤煤顆粒的流動特征,并用分配曲線以及介質分流比等描述重介質旋流器的分離性能.

1.2數學模型

整個模擬過程在不同階段包含4個CFD模型,即流體體積模型(VOF)、混合多相流模型(Mixture)、雷諾應力模型(RSM)和拉格朗日顆粒追蹤模型(LPT),另外在第二階段加入一個粘度修正模型.

1.3模擬條件

研究用于工業選煤廠直徑為1000 mm的重介質旋流器,旋流器筒徑(Dc)為1000 mm、入口直徑(Li)為266 mm、溢流管直徑(Do)為450 mm、底流管(Du)直徑為337 mm、圓柱部分(Lc)長度為1200 mm、溢流管(Lv)長度為700 mm以及錐體部分(Lp)長度為1880 mm,其幾何結構與網格劃分圖如圖2所示.

圖2　幾何結構與網格劃分圖

由圖2可以看出,整個計算區域由80318個六面體結構化網格組成,在溢流管和旋流器壁附近生成了更密集的網格.

在模擬過程中,其操作條件及其介質性質如下:進料混合液和煤顆粒的速度均為4.4 m/s(即進料流體流動的速率為1120.8 m3/h);懸浮液的密度為1550 kg/m3;底流管與溢流管的出口壓力均為1 atm(101.325 k Pa).另外在工業上,重介質旋流器選煤用的懸浮液通常需要加入磁鐵礦、非磁鐵礦顆粒等作為加重質以利于更好的分離煤顆粒,故在模擬過程中加入6種不同大小的磁鐵礦顆粒:10μm (30.5％)、20μm (25.6％)、30μm(14.6％)、40μm (11.5％)、50μm (9.9％)以及80μm(7.9％),同時還注入了2種不同大小的非磁鐵礦顆粒,即24μm (55.5％)和125μm (45.5％).在重介質旋流器入口注入4種不同粒徑,分別為0.5 mm、1.4 mm、4 mm和7 mm、密度為1200～2400 kg/m3范圍內的煤顆粒;對于每一種情況,僅僅是改變旋流器的安裝角度,從－60°到90°間隔變化(包括－60°、－30°、－10°、 0°、10°、30°、60°和90°),其他上述模擬條件都一致.

2　結果與討論

2.1不同安裝角度DMC的操作性能

操作壓力、密度偏差和溢流分流比等操作性能隨著DMC不同安裝角度的變化趨勢如圖3所示.

圖3　操作性能隨DMC不同安裝角度的變化趨勢影響

由圖3可以看出,隨著安裝角度從－60°～90°的變化,其操作壓力顯著減小,密度偏差在安裝角度為負向時并無太大變化,但在正向安裝角度時顯著增加,溢流分流比也隨著安裝角度的增大而增加.

2.2不同安裝角度DMC內顆粒分配曲線

不同安裝角度和不同粒度的煤顆粒分配曲線如圖4所示.

圖4　不同安裝角度和不同粒度的煤顆粒分配曲線

由圖4可以看出,對粒徑較大顆粒,分配曲線基本變化不是太明顯,如圖中(c)和(d)所示曲線重合趨勢較為突出,隨著顆粒尺寸的減小,分配曲線的不同表現的更加明顯,如圖中(a)和(b)所示.在煤顆粒粒徑為0.5 mm和1.4 mm時,分配曲線總體趨勢是隨著安裝角度從－60°到90°的變化而向右移動,即在分配率相同的情況下,安裝角度增加,顆粒密度增大;當顆粒密度一定時,安裝角度增加,分配率則呈降低趨勢.對同一粒徑不同安裝角度的DMC的分配曲線,在安裝角度為－60°、－30°和－10°時,曲線斜率較小,即曲線變化平緩,分選效果不佳;當安裝角度為0°、10°、30°、60°和90°時,曲線變陡,即曲線斜率變大,說明分離效果較好.

2.3不同安裝角度DMC的分離性能

不同安裝角度DMC的可能偏差Ep和偏移量如圖5所示.

圖5　不同安裝角度DMC的可能偏差Ep和偏移量

由圖5可以看出,隨著安裝角度的增加,偏移量的整體趨勢增加,而對于不同尺寸顆粒的可能偏差Ep值,整體趨勢先減小后增大,對于小顆粒的影響更為顯著,且其Ep值較大,可能偏差越小說明分離效果更好.

2.4不同安裝角度DMC內流場

綜合上述對DMC操作性能,分配曲線以及分離性能的分析,取兩個極端值以及一個中間值分析安裝角度對流場的影響.即當安裝角度為－60°、10°和90°時,通過模擬得到的DMC內的流場變化.

不同安裝角度下DMC的壓力分布圖如圖6所示.

圖6　不同安裝角度下DMC的壓力分布

由圖6可以看出,入口壓力隨著安裝角度的增大而降低,DMC內的壓力梯度力即徑向浮力在安裝角度為負向時比正向安裝時大,這會導致顆粒向內移動,使得分選效率降低.

不同安裝角度下DMC的軸向速度分布圖如圖7所示.

圖7　不同安裝角度下DMC的軸向速度分布

由圖7可以看出,由于空氣核是具有完全不同特性的液相,所以中心空白部分顯示的就是空氣核所占的區域.在底流管和溢流管靠近旋流器器壁附近的軸向速度都較大,但方向不同,底流管器壁附近軸向速度為負向時最大,溢流管器壁附近的軸向速度為正向最大,處于空氣核與器壁所夾區域則出現了軸向速度為零的區域,也就是許多學者所說的垂直零速分離錐面,密度大的顆粒在外旋流的作用下從底流口排出,輕密度顆粒進入分離錐面內,在內旋流的作用下從溢流口排出.當安裝角度為－60°時,在靠近底流管附近區域有一股很強的下降流(點A處所指),這股下降流在空氣核兩側由于重力的作用而不對稱,這種情況會導致降低介質分流比,對于底流的煤顆粒有較高的分選效率;對于安裝角為90°的DMC,圍繞著空氣核的部分有一股細小并且非常強的上升流(點B處),導致大量的顆粒從溢流管中溢出.

不同安裝角度下DMC的可視化介質密度分布如圖8所示.

由圖8可以看出,當DMC安裝角度為90°時,一些磁鐵礦顆粒集中在溢流管下部,這主要由于流體群隨著強烈的上升流進入到溢流管中,在溢流管下面的上升流和下降流之間形成了嚴重的回流區,液體中某一部分也可以移動到下降流中,對顆粒的分配曲線產生了主要影響,也對安裝角度為90°的DMC在靠近底流管壁附近具有相對嚴重的分離偏差,進而產生較高的密度差.

圖8　不同安裝角度下DMC的密度分布

不同安裝角度下DMC的可視化徑向速度分布圖如圖9所示.

由圖9可以看出,安裝角度對流體徑向速度的變化影響并不明顯,流場只在溢流管底部有較為輕微變化,有一小部分區域的徑向速度值較大,影響粒子運動的離心力.

圖9　不同安裝角度下DMC的徑向速度分布

3　結論

綜上所述,DMC的安裝角度對旋流器內的流場研究結果表明,安裝角度的不同,改變了重介旋流器內流場的變化,從而影響了旋流器的分離性能.

(1)安裝角度對DMC分離性能的影響.當安裝角度從－60°增加到90°時,操作壓力減小,分離偏差和溢流分流比都顯著增加.在安裝角度為10° 時,可能偏差Ep值最小,說明分選精度高,分離性能較佳.

(2)當安裝角度分別為－60°、10°和90°時,根據其內部流場圖所得結果顯示,旋流器內入口壓力隨安裝角度的增加而降低;旋流器垂直安裝時,其軸向速度在溢流管附近有一股強上升流會導致大量顆粒隨之溢出,降低分選效率,當安裝角度為10°時,顏色變淺,上升流明顯較弱.旋流器垂直安裝時,密度的分布在溢流管下面出現回流區,嚴重影響顆粒的分離,在底流管產生較為嚴重的分離偏差,在安裝角度為10°時,流場較為穩定,有利于顆粒的分離.

參考文獻:

[1]J.C Cullivan et.al.Understanding the Hydrocyclone Separator Through Computational Fluid Dynamics[J].Chemical Engineering Research and Design,2003(4)

[2]J.C Cullivan et.al.New understanding of a hydrocyclone flow field and separation mechanism from computational fluid dynamics[J].Minerals Engineering,2004(5)

[3]M.E Moore et.al.Performance modeling of singleinlet aerosol sampling cyclones[J].Environmental Science& Technology,2002(9)

[4]劉文秋,李海軍.入料角對重介質旋流器流場影響的數值模擬研究[J].中國煤炭,2014(1)

[5]趙衛,沈麗娟,陳建中.磁鐵礦粉粒度對煤泥重介質旋流器分選效果影響的研究[J].中國煤炭,2014(3)

[6]B Wang et.al.Computational study of the multiphase flow and performance of dense medium cyclones: Effect of body dimensions[J].Minerals Engineering,2011(1)

[7]B Wang et.al.Numerical study of the effect of vortex finder configuration in dense medium cyclones[J].6th International Symposium on,2010(1)

[8]黃波,陳晶晶.重介質旋流器顆粒運動特性分析及數值模擬[J].煤炭工程,2015(5)

[9]蔡圃,王博.水力旋流器內非牛頓流體多相流場的數值模擬[J].化工學報,2012(11)

[10]J Zhang et.al.Numerical Simulation of Solid-liquid Flow in Hydrocyclone[J].Chemical&Biochemical Engineering Quarterly,2011(1)

[11]B Wang et.al.Computational investigation of the mechanisms of particle separation and＂fish-hook＂phenomenon in hydrocyclones[J].Aiche Journal,2010(7)

(責任編輯 王雅琴)

★煤礦安全★

作者簡介:孟亞麗(1990－),女,甘肅定西人,在讀研究生,主要從事重介質旋流器方面的研究。

中圖分類號TD942

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