旋流器入口方式對(duì)分選效果的影響

楊曉晶（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024；2.呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義 032300）

旋流器入口方式對(duì)分選效果的影響

楊曉晶1，2
（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024；2.呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義 032300）

采用Fluent軟件，利用RSM湍流模型和Mixture多相流模型分別對(duì)采用漸開(kāi)線入口方式和切線入口方式的兩種兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器（DSM）進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了入口方式對(duì)旋流器內(nèi)部速度和壓力分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)采用漸開(kāi)線入口方式的重介質(zhì)旋流器，其內(nèi)部速度和壓力分布規(guī)律更有利于礦物分選。

數(shù)值模擬；入口方式；壓力分布；礦物分選

旋流器主要用于礦物的分選，其分選效果的好壞，直接影響選礦的效果。對(duì)于旋流器來(lái)說(shuō)，影響其分選效果的主要因素包括旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和旋流器的工藝參數(shù)[1]。本文主要利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技術(shù)從結(jié)構(gòu)參數(shù)方面研究入口方式對(duì)礦物分選效果的影響，分別采用漸開(kāi)線和切線兩種入口方式進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)最終的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。

1　DSM旋流器的模擬條件

1.1DSM旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于本次模擬的兩種旋流器，其主要差異在于入口方式上，分別采用了漸開(kāi)線入口和切線入口，主要參數(shù)如表1所示。

表1　DSM旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2模擬邊界條件的選擇

本次模擬的對(duì)象為空氣和水，在利用Fluent進(jìn)行模擬時(shí)，將進(jìn)料口設(shè)定為速度入口，速度大小設(shè)定為10 m/s，底流口和溢流設(shè)定為壓力入口。

1）進(jìn)口條件。在Fluent中各種壓力都是相對(duì)壓力值，因而進(jìn)口處的相對(duì)壓力在本模擬中其值應(yīng)為0。

式中：Ve為進(jìn)料口的試驗(yàn)平均速度，m/s；Qe為進(jìn)料流量，m3/s；De為進(jìn)料口直徑，m；ke為進(jìn)料口湍動(dòng)能，m2/s2；εe為進(jìn)料口湍動(dòng)能耗散率。

2）出口條件。根據(jù)Fluent軟件的使用說(shuō)明書(shū)估算出口條件。

式中：Re為雷諾數(shù)；V為出口的平均試驗(yàn)速度，m/s；D為出口的內(nèi)直徑，m；v為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，Pa/s；I為湍流強(qiáng)度；l為湍流長(zhǎng)度標(biāo)尺，m；L為水力直徑，m。

3）壁面的處理。將旋流器壁面設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)的固壁。

1.3數(shù)值模擬的一般流程

在利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬之前，需要利用ICEM軟件對(duì)DSM旋流器進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，漸開(kāi)線入口和切線入口網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1。然后將劃分后的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，按要求設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，最后進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于參數(shù)的設(shè)定，在查閱了大量文獻(xiàn)資料后，模擬邊界條件按上文所述進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于離散方法的選擇，壓力相采用PRESTO法，壓力-速度的耦合采用SIMPLE方式，壓力、動(dòng)量、能量和體積等方程均采用Second Order Upwind離散格式，湍流模型和多相流模型分別選擇RSM模型和Mixture模型[2-3]。采用上述方法進(jìn)行數(shù)值模擬，迭代的松弛因子采用Fluent軟件的默認(rèn)值。經(jīng)過(guò)多次迭代，各項(xiàng)殘差曲線達(dá)到收斂，利用Fluent自帶的圖形后處理功能對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2　模擬結(jié)果分析

為了能更直觀地反映入口方式對(duì)分選效果的影響，在入口處截取z=-100 mm位置處的靜壓力分布云圖進(jìn)行分析，而對(duì)于內(nèi)部流體部分，則截取在z=-1 100 mm處的靜壓力和速度分布曲線進(jìn)行分析。

2.1入口處?kù)o壓力分布

入口處?kù)o壓力分布圖見(jiàn)圖1，從中可以看出，漸開(kāi)線入口處的靜壓力分布相對(duì)于切線入口來(lái)說(shuō)，在旋流器內(nèi)部沿徑向的分布上更加均勻，靜壓力的均勻分布，有利于減少紊流現(xiàn)象，提高礦物的分選效果，實(shí)現(xiàn)礦物的預(yù)分選。

z=-1 100 mm處?kù)o壓力沿徑向分布曲線見(jiàn)圖1，無(wú)論是漸開(kāi)線入口還是切線入口，靜壓力在徑向方向上，都呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即從壁面到中心處?kù)o壓力由大變小，在中心處變?yōu)樨?fù)壓。但是靜壓力在旋流器徑向同一位置處，漸開(kāi)線入口的靜壓力與切線入口的靜壓力相比，在距離中心位置200 mm~500 mm內(nèi)，前者大于后者，而在0 mm~200 mm內(nèi)，后者大于前者。這說(shuō)明了漸開(kāi)線入口的旋流器在內(nèi)部壓力損失方面要小于切向入口方式。壓力損失減少，可以保證旋流器內(nèi)部在壓力分布相同時(shí)，漸開(kāi)線式旋流器入口處的壓力可以適當(dāng)減少，這樣可以有效減少能量損耗，同時(shí)減少了對(duì)設(shè)備的磨損。

圖1　入口處?kù)o壓力分布

圖2　z=-1 100 mm處?kù)o壓力沿徑向分布曲線

2.2速度分布

z=-1 100 mm處速度大小沿徑向分布曲線見(jiàn)圖3，可以看出，當(dāng)兩種旋流器以相同的入口速度給入物料時(shí)，漸開(kāi)線入口的旋流器內(nèi)部流體速度在徑向分布上明顯大于切線入口的旋流器。這說(shuō)明漸開(kāi)線入口的旋流器在入口處能量損失小于切線入

圖3　z=-1 100 mm處速度大小沿徑向分布曲線

口的旋流器。能量損失減少，既節(jié)約能量又可以提高離心力，提高分選效果。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)漸開(kāi)線入口和切線入口兩種形式的旋流器進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1）漸開(kāi)線入口的旋流器，在入口處?kù)o壓力分布上比以切線入口的旋流器更加均勻，減少了紊流現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)礦物的預(yù)分選。

2）漸開(kāi)線入口的旋流器的靜壓力在徑向分布上相對(duì)于切線入口的旋流器來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部的壓力損失相對(duì)較小，有利于減少能量損失，同時(shí)在相同壓力條件下，更有利于減少設(shè)備磨損。

3）漸開(kāi)線入口的旋流器的速度在徑向分布上大于切線入口的旋流器，在相同的入口條件下增大了離心力，可以提高礦物的分選效果。

[1]王祖瑞，石德明，王振國(guó)，等.重介質(zhì)選煤的理論與實(shí)踐[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1988.

[2]劉峰，郭秀軍，錢(qián)愛(ài)軍.DWP重介質(zhì)旋流器流程的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（2）:186-189.

[3]劉峰，錢(qián)愛(ài)軍，郭秀軍.重介質(zhì)旋流器流場(chǎng)湍流數(shù)值計(jì)算模型的選擇[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006，31（3）：346-350.

（編輯：楊鵬）

Effects of Inlet Modes of Cyclone on Separation

YANG Xiaojing1，2
（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024，China；2.Lvliang Vocational Technical Institute，Xiaoyi 032300，China）

With software Fluent，two DSM dense medium cyclones,with involute inlet and tangent inlet respectively,were simulated based on RSM turbulence model and Mixture multiphase model.The effects of inlet modes on the internal speed and pressure distribution of the cyclones were studied.The results show that the DSM dense medium cyclone with involute inlet is more suitable for mineral separation in terms of internal speed and pressure distribution.

numerical simulation；two inlet modes；pressure distribution；mineral separation

TD455.7

A

1672-5050（2016）02-0073-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.023

2015-10-22

楊曉晶(1981-)，男，山西汾陽(yáng)人，在讀工程碩士，助理工程師，從事選煤方向教學(xué)工作。