內旋自轉旋流器數值模擬與試驗研究

高重新 鄭 杰 吳 剛 王云鵬 王江勇 劉培坤 姜蘭越 杜啟隆

（1.兗礦能源集團股份有限公司；2.山東科技大學機械電子工程學院）

旋流器為一種通用的分離設備，具有結構簡單、操作方便、適用性強等優點，廣泛應用于顆粒分離領域［1-3］。然而在實際分離過程中，由于流體波動及窄口效應，部分物料沿溢流管外壁下行，未經分離便匯入內旋流，并由溢流管排出，產生短路流，加劇了溢流跑粗現象［4-6］。

為解決上述問題，諸多學者進行了旋流器結構優化研究，探究通過減少短路流來提高旋流器分離性能的方法。Francisco 等［7］通過模擬研究了30 多種溢流管結構（長度、曲線位置和曲率半徑）對旋流器內部流場影響的規律；Reza 等［8］研究發現，溢流管直徑變化對旋流器等效面積系數的影響大于進料口直徑的變化；Jiang 和Nor 等［9-10］探究了溢流管直徑對旋流器分離性能和內部流場的影響；Li 等［11］設計了一種厚壁結構的溢流管，通過增加短路流進入溢流管底端入口的距離，從而引導短路流重新進入分離區；Vakamalla 等［12］提出一種內部倒錐形溢流管，增大了短路流進入溢流管的難度，以減少短路流、改善溢流產物的品質。

1 內旋自轉旋流器及其分離原理

在前人研究的基礎上，本研究提出了一種具有自旋葉輪結構的內旋自轉旋流器（圖1），葉輪由溢流口頂端至溢流口底端下方的中心軸固定，基于旋流器分離理論，旋流器內流體運動為組合渦，徑向位置約等于2/3 倍溢流管半徑處為強制渦向自由渦的過渡狀態，因此，溢流管壁處切向速度最大，該位置會形成極大的剪切力，以帶動自旋葉輪旋轉，從而提高旋流器柱段的離心強度，通過引導短路流來減少進入溢流管的短路流流量，從而達到減少溢流產物中粗顆粒含量、提高溢流產物質量的目的；同時，自旋葉輪結構不占據分離空間，只是部分占據溢流管內空氣柱位置，可以減小空氣柱直徑，更好地利用分離空間。基于以上設計理念，本研究擬采用試驗室試驗、數值模擬相結合的方法研究內旋自轉旋流器，揭示在自旋葉輪結構的作用下流場變化及顆粒分布特性。

通過占據空氣柱的位置來減小對流場的擾動，從而提高分離性能的自旋葉輪隨內旋流的轉動而旋轉。在內旋流中，葉輪邊緣處產生額外的切向力，對短路流產生一定的擾亂沖散作用，短路流中的粗顆粒受到的切向力遠大于細顆粒，導致粗顆粒重新進入外旋流參與第二次離心分級，有效改善了“溢流跑粗”現象。分離過程得到強化后，內旋自轉旋流器的分離粒度減小，更多粗粒固體進入外旋流，并由底流口排出，增大了底流產率，這對于固液分離旋流器來說，可在不增加額外動力的前提下，獲得更高的分離效率。同時由于短路流流量減少，溢流中粗顆粒的攜帶量降低，意味著可以獲得細粒級含量更高的溢流產物，這對于礦物的高效分級也有重要意義。

2 數值模擬研究

2.1 結構尺寸

本研究設計了φ150 mm 的普通旋流器和內旋自轉旋流器，區別僅在于有無葉輪，基本結構見圖2，結構參數見表1。采用SolidWorks 軟件建立三維模型，選取底流口中心為坐標原點，Z軸豎直向上，選取Z1=160 mm、Z2=230 mm 的高度截面進行試驗結果分析，采用ICEM CFD 軟件進行網格劃分，采用Fluent 21.1軟件進行數值模擬計算，對比研究其內部流場的性能。

2.2 模擬條件

為了更好地模擬強旋渦流場特性，采用RSMVOF 模型和RSM-Mixture 模型，進料口設置為速度入口，溢流和底流口設置為壓力出口，內部槳葉采用動網格設置，空氣回旋系數設為1，以保證有空氣吸入，壁面均設置成“無滑移”邊界條件。模擬物料選用ρ=2.65 t/m3的石英砂顆粒，粒度分布見表2。

2.3 模擬結果分析

2.3.1 空氣柱

圖3為2種旋流器的空氣柱對比。

由圖3 可以看出，常規旋流器空氣柱兩端粗、中間細，內置槳葉旋流器的空氣柱直徑整體小于常規旋流器，槳葉下方變化顯著，甚至在柱錐交界面處無法貫通，這是因為槳葉結構的存在阻礙了底流管、溢流管與大氣的直接聯通，導致軸向負壓在自旋葉輪結構區域無法貫通，同時也降低了自溢流吸入流場的空氣含量，導致流場中心負壓區域減小，空氣柱直徑也隨之減小。

2.3.2 切向速度

切向速度決定著旋流器分離過程中離心力場的強度，對旋流分離性能起主導作用。常規旋流器與內置槳葉旋流器切向速度對比見圖4。

從圖4可以看出，不同截面上的切向速度分布均符合準自由渦分布規律；在半徑為20 mm處附近達到切向速度的最大值，該區域為強制渦和自由渦交界處，隨后速度急劇減小，在軸心位置切向速度減小至零。在旋流器柱段槳葉結構下方，內置槳葉旋流器切向速度明顯高于常規旋流器，特別是在槳葉結構上方，切向速度最大值由10.08 m/s 提高到11.54 m/s，增幅為14.48%，離心力場增強，有助于減小粗顆粒進入溢流管的概率，增強旋流器的分離能力。

2.3.3 軸向速度

軸向速度大小決定著顆粒在旋流分離場內的停留時間，影響旋流器的分離精度。2 種旋流器軸向速度對比見圖5。

從圖5 可以看出，與常規旋流器相比，內置槳葉旋流器在內旋流與外旋流區域的軸向速度的絕對值較小，這是由于槳葉結構增大了流體的上行阻力，使得內旋流中的粗顆粒再次向外遷移進入外旋流，從而減少未經分離直接進入溢流的顆粒數，改善溢流跑粗現象。

2.3.4 短路流

2種旋流器內流場流線短路流對比見圖6。

從圖6 可以看出，與常規旋流器相比，內置槳葉旋流器短路流流量較小，在槳葉結構的作用下部分短路流克服曳力，從而混入外旋流，導致短路流的軌跡發生改變，繼而減少溢流管短路流的流量，有效提高溢流的質量。

3 試驗研究

3.1 試驗系統

試驗系統主要由內旋自轉旋流器、離心泵、變頻器、壓力表等裝置組成，將配制好的質量濃度9.0%的石英砂混合料漿倒入攪拌桶內，開啟攪拌器使桶內料漿充分混勻，調節變頻器控制初始給料壓力，再由離心泵將礦漿以一定壓力打入旋流器內，溢流、底流均返回攪拌桶以維持料漿穩定。試驗系統見圖7，試驗用自旋葉輪結構見圖8。

3.2 試驗結果分析

為探究有無自旋葉輪的旋流器性能，進行了2種旋流器的對比試驗，結果見表3，2種旋流器溢流產品的粒度負累計曲線見圖9，2 種旋流器的分級性能對比見表4。

從表3 可以看出，與常規旋流器相比，內旋自轉旋流器溢流濃度降低、流量減小；底流濃度也降低1.77 個百分點，底流流量提高0.47 m3/h，底流固相產率提高9 個百分點。這主要是因為內旋自轉旋流器的自旋葉輪增大了流體上行的阻力，導致部分攜帶顆粒的內旋流重新進入外旋流，進而導致底流流量及回收率提高。

從圖9可以看出，內旋自轉旋流器溢流粒度負累計曲線明顯較高，即粗顆粒含量減少，表明自旋葉輪被動旋轉在溢流管末端營造出了更強的離心力場，有效減少了溢流中粗顆粒的含量。

從表4 可以看出，與常規旋流器相比，內旋自轉旋流器的溢流-30 μm 含量提高了4.92 個百分點，底流-30 μm 含量提高了12.25個百分點，以-30 μm 計的綜合分級效率高3.21 個百分點。因此，內旋自轉旋流器的溢流細顆粒回收率更高，溢流跑粗現象得到改善，旋流器分離性能得到提高，與模擬結論吻合。

4 結論

（1）與常規旋流器相比，內旋自轉旋流器的空氣柱直徑減小，葉輪下部區域減小更加明顯，旋流器的有效分離空間增大。

（2）內旋自轉旋流器切向速度增大，離心力場增強，軸向速度降低，顆粒分離停留時間延長，流場特性均向著強化分離過程的方向改善。

（3）內旋自轉旋流器短路流流量減少，溢流產品-30 μm 含量提高了4.92 個百分點，以-30 μm 計的綜合分級效率高3.21 個百分點。因此，內旋自轉旋流器的溢流細顆粒回收率更高，溢流跑粗現象得到改善，旋流器分離性能得到提高。