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新型涡形渐开线旋流器进料体模拟与分析
2012-08-09
对水力旋流器内部三维流场进行数值模拟与分析,并进行实验对比。重点研究了水力旋流器进料体部 分的流场,通过数值模拟和实验相结合的方法对水力旋流器进料体进行研究,研究一种新型涡形渐开线进料体,并与传统渐开线进料体进行对比分析。模拟结果表明新型涡形渐开线进料体可以降低水力旋流器内部流体的紊流,降低工作压力,且处理量大。
中 国 采 选 技 术 十 年 回 顾 与 展 望 新型涡形渐开线旋流器进料体模拟与分析 国 洪 猛 ꢀ 王 书 礼 ꢀ 王 霄 鹏 ꢀ 崔 学 奇 ꢀ 张 春 娟 ꢀ 王 丽 娟 ( 威 海 市 海 王 旋 流 器 有 限 公 司 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 对 水 力 旋 流 器 内 部 三 维 流 场 进 行 数 值 模 拟 与 分 析 , 并 进 行 实 验 对 比 。 重 点 研 究 了 水 力 旋 流 器 进 料 体 部 分 的 流 场 , 通 过 数 值 模 拟 和 实 验 相 结 合 的 方 法 对 水 力 旋 流 器 进 料 体 进 行 研 究 , 研 究 一 种 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 , 并 与 传 统 渐 开 线 进 料 体 进 行 对 比 分 析 。 模 拟 结 果 表 明 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 可 以 降 低 水 力 旋 流 器 内 部 流 体 的 紊 流 , 降 低 工 作 压 力 , 且 处 理 量 大 。 关 键 词 ꢀ 旋 流 器 ꢀ 涡 形 渐 开 线 ꢀ 数 值 模 拟 ꢀ ꢀ 水 力 旋 流 器 是 一 种 离 心 沉 降 分 离 器 , 物 料 由 进 料 首 先 针 对 水 力 旋 流 器 的 结 构 与 工 况 特 点 , 研 究 较 为 适 合 水 力 旋 流 器 的 数 值 模 拟 方 法 , 然 后 分 别 研 究 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 与 传 统 渐 开 线 进 料 体 内 部 三 维 流 场 , 最 后 通 过 在 实 验 室 进 行 实 验 验 证 数 值 模 拟 的 方 法 , 并 对 比 2 种 进 料 体 的 特 点 。 管 进 入 圆 筒 部 分 , 形 成 旋 流 , 在 惯 性 离 心 力 作 用 下 , 由 于 不 互 溶 介 质 的 密 度 、 粒 度 不 同 , 大 部 分 重 相 或 大 颗 粒 从 底 流 口 流 出 , 大 部 分 轻 相 或 小 颗 粒 从 溢 流 口 排 出 。 水 力 旋 流 器 的 进 料 体 的 任 务 是 : 把 高 速 直 线 运 动 的 流 体 变 为 高 速 曲 线 ( 旋 转 ) 运 动 的 流 体 , 以 便 其 在 离 心 力 场 的 有 限 空 间 完 成 有 效 的 分 离 过 程 。 进 料 体 的 形 状 和 尺 寸 对 水 力 旋 流 器 的 生 产 能 力 、 分 离 效 率 等 工 艺 指 标 有 重 要 的 影 响 。 本 文 通 过 数 值 模 拟 和 实 验 相 结 合 的 方 法 对 水 力 旋 流 器 进 料 体 进 行 研 究 , 研 究 一 种 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 , 并 与 传 统 渐 开 线 进 料 体 进 行 对 比 分 析 。 水 力 旋 流 器 内 的 流 场 非 常 复 杂 的 , 而 水 力 旋 流 器 结 构 及 操 作 上 的 相 对 简 单 又 在 一 定 程 度 上 使 人 们 忽 视 了 其 流 场 特 性 及 分 离 机 理 研 究 的 复 杂 性 2] 。 其 内 部 涡 流 为 各 相 异 性 , 要 想 得 到 近 乎 准 确 的 数 学 描 述 几 [ WWW.KY114.CN 乎 是 不 可 能 的 。 但 有 些 数 学 模 型 即 便 简 单 也 可 以 在 一 定 程 度 上 使 人 们 避 免 做 大 量 的 实 验 研 究 工 作 。 由 于 水 力 旋 流 器 内 的 流 动 十 分 复 杂 , 为 便 于 对 其 内 部 流 动 细 节 进 行 细 致 研 究 , 在 建 立 清 水 流 场 数 学 模 型 之 前 , 对 实 际 使 用 的 水 力 旋 流 器 作 了 一 些 简 化 , 即 : 1 ꢀ 计 算 模 拟 在 水 力 旋 流 器 发 展 应 用 初 期 及 以 后 相 当 长 时 期 ( ( 1) 进 料 口 物 料 的 流 速 均 匀 , 流 动 处 于 湍 流 状 2) 假 设 环 境 温 度 始 终 不 变 , 不 考 虑 能 量 传 递 , 态 。 内 , 由 于 理 论 分 析 计 算 上 的 困 难 和 受 测 试 手 段 的 限 制 , 关 于 水 力 旋 流 器 的 研 究 , 主 要 是 集 中 在 分 离 或 分 级 性 能 以 及 操 作 性 能 的 研 究 。 即 把 水 力 旋 流 器 视 为 一 个 “ 黑 箱 ” ( 基 本 上 不 考 虑 内 部 流 动 状 况 ) , 通 过 改 变 设 计 和 操 作 参 数 以 及 物 性 参 数 等 外 部 条 件 来 研 究 所 对 应 的 分 离 分 级 性 能 的 变 化 , 从 而 得 出 一 系 列 有 关 的 经 验 和 半 经 验 数 学 模 式 , 用 以 指 导 同 类 型 水 力 旋 流 器 的 设 计 与 运 行 操 作 。 随 着 水 力 旋 流 器 的 应 用 范 围 整 个 过 程 处 于 恒 温 状 态 。 ( 3) 不 考 虑 由 于 流 体 与 壁 面 的 摩 擦 而 产 生 的 热 效 应 。 为 保 证 分 析 的 有 效 性 , 两 种 水 力 旋 流 器 除 进 料 体 结 构 不 同 外 , 进 料 口 当 量 直 径 、 圆 柱 段 直 径 、 高 度 、 溢 流 口 直 径 、 锥 角 、 底 流 口 等 其 他 结 构 参 数 均 相 同 。 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 与 传 统 渐 开 线 进 料 体 的 结 构 示 意 图 ( 不 含 外 壳 ) 分 别 见 图 1、 图 2。 日 益 扩 大 , “ 黑 箱 ” 法 获 得 的 经 验 设 计 公 式 的 应 用 局 限 性 日 渐 明 显 [ 1] 。 人 们 逐 步 认 识 到 , 要 最 终 弄 清 水 力 旋 流 器 的 工 作 原 理 和 分 离 分 级 机 理 , 提 高 分 离 分 级 效 率 , 获 取 正 确 并 具 有 普 遍 适 用 性 的 水 力 旋 流 器 设 计 方 法 和 操 作 准 则 , 首 先 就 必 须 对 水 力 旋 流 器 内 部 的 流 动 规 律 进 行 全 面 、 详 尽 的 研 究 。 国 洪 猛 ( 1986— ) , 男 , 助 理 工 程 师 , 264203 山 东 省 威 海 市 科 技 路 975 号 。 · 621· 中 国 采 选 技 术 十 年 回 顾 与 展 望 度 耦 合 算 法 SIMPLEC, 其 他 方 程 均 采 用 二 阶 迎 风 。 2 ꢀ 数 值 模 拟 结 果 由 于 水 力 旋 流 器 内 湍 流 压 力 场 结 构 与 其 分 离 过 程 及 内 部 能 量 损 耗 有 密 切 关 系 , 因 此 系 统 地 认 识 水 力 旋 流 器 内 湍 流 压 力 场 结 构 对 深 入 认 识 其 分 离 机 理 及 能 耗 机 理 、 以 及 科 学 地 提 出 分 离 性 能 改 善 及 能 耗 降 低 原 理 措 施 等 具 有 重 要 意 义 。 通 过 模 拟 , 可 以 得 到 两 种 进 料 体 进 料 口 、 溢 流 口 、 底 流 口 压 力 的 平 均 值 , 两 者 的 对 比 分 析 见 表 1。 进 料 口 压 力 云 图 见 图 3、 图 4。 表 1ꢀ 两 种 进 料 体 进 料 口 、 溢 流 口 、 底 流 口 平 均 压 力 对 比 分 析 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 传 统 渐 开 线 进 料 体 Average of Average of 图 1ꢀ 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 Facet Values / ate Facet Values / ate Total Pressure Total Pressure inlet outlet -1 outlet -2 Net 1. 141 569 0. 185 678 61 0. 034 756 141 0. 503 080 66 inlet outlet -1 outlet -2 Net 1. 302 616 1 0. 179 955 57 0. 020 363 077 0. 549 198 16 ꢀ ꢀ 注 : 表 中 inlet 为 进 料 口 , outlet -1 为 溢 流 口 , outlet -2 为 底 流 口 。 WWW.KY114.CN 图 2ꢀ 传 统 渐 开 线 进 料 体 图 3ꢀ 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 压 力 云 图 本 文 首 先 针 对 水 力 旋 流 器 的 连 续 相 流 场 进 行 数 值 模 拟 计 算 , 针 对 水 力 旋 流 器 内 部 三 维 流 场 进 行 数 值 模 拟 。 其 中 以 常 温 水 为 连 续 相 , 其 参 数 为 : ρ = 998. 2 3 kg/ m , 动 力 粘 度 : μ = 0. 001 003 kg/ ( m· s) , 认 为 来 流 流 体 的 湍 流 已 经 充 分 发 展 。 2 种 结 构 的 操 作 条 件 保 持 一 致 , 保 证 初 始 进 入 进 料 体 的 物 料 流 量 是 相 同 3 的 , Q =15 m / h。 出 口 边 界 选 在 均 匀 流 或 渐 变 流 段 上 , 这 样 可 以 认 为 出 口 湍 流 已 经 达 到 充 分 发 展 状 态 , 将 各 液 流 参 变 量 的 法 向 梯 度 为 零 作 为 出 流 边 界 条 件 [ 3] 。 外 壁 边 界 : 外 壁 切 向 方 向 上 速 度 为 零 , 即 液 体 与 外 壁 无 滑 移 , 在 近 壁 面 网 格 处 , 粘 性 起 主 导 作 用 而 湍 流 扩 散 相 对 减 弱 , 属 于 高 雷 诺 数 的 断 流 模 型 。 本 文 以 非 平 衡 壁 面 函 数 作 近 似 。 空 气 柱 边 界 : 对 于 空 气 柱 , 可 采 用 类 似 于 自 由 液 面 是 气 液 交 界 面 , 即 空 气 柱 与 液 流 交 界 面 。 针 对 水 力 旋 流 器 最 终 确 定 了 内 流 场 计 算 的 数 值 方 法 , 包 括 高 质 量 的 网 格 划 分 , SSTKW 模 型 , 压 力 速 图 4ꢀ 传 统 渐 开 线 进 料 体 压 力 云 图 由 表 1 可 以 看 出 , 在 相 同 处 理 量 的 情 况 下 , 传 统 渐 开 线 进 料 口 所 需 的 压 力 为 1. 30 atm, 而 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 进 料 口 所 需 要 的 压 力 为 1. 14 atm, 比 传 统 渐 开 线 所 需 入 料 压 力 低 0. 16 atm, 降 幅 12% , 因 此 , 可 以 说 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 在 处 理 量 相 同 的 情 况 下 , 所 需 要 的 能 耗 低 ; 或 在 相 同 的 给 料 压 力 下 , 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 的 处 理 量 将 会 增 大 。 图 3、 图 4 表 明 新 型 蜗 型 渐 开 线 进 料 体 在 处 理 相 · 622· 机 电 与 自 动 化 技 术 器 进 料 体 进 行 研 究 , 研 究 一 种 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 同 物 料 的 工 况 , 所 受 压 力 比 传 统 渐 开 线 进 料 体 低 , 并 且 在 进 料 口 与 直 段 筒 体 相 交 接 处 压 力 明 显 较 低 , 对 此 部 位 的 磨 损 也 较 小 。 体 , 并 与 传 统 渐 开 线 进 料 体 进 行 对 比 分 析 , 得 出 结 论 : 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 结 构 , 能 够 降 低 水 力 旋 流 器 能 量 消 耗 , 并 且 增 大 处 理 量 , 提 升 分 级 效 率 。 同 时 , 验 证 了 通 过 数 值 模 拟 进 行 水 力 旋 流 器 内 部 流 场 分 析 是 可 行 的 , 虽 然 其 内 部 流 场 十 分 复 杂 , 要 想 得 到 近 乎 准 确 的 数 学 描 述 几 乎 是 不 可 能 的 。 但 有 些 数 学 模 型 即 便 简 单 也 可 以 在 一 定 程 度 上 使 人 们 避 免 做 大 量 的 实 验 研 究 工 作 。 并 且 随 着 数 值 模 拟 技 术 的 不 断 提 高 , 数 值 模 拟 技 术 在 水 力 旋 流 器 研 究 方 面 可 以 显 现 出 十 分 的 应 用 前 景 。 3 ꢀ 试 验 及 结 果 分 析 通 过 上 述 的 模 拟 分 析 , 可 以 初 步 得 出 新 型 涡 形 渐 开 线 进 料 体 在 降 低 能 耗 和 增 大 处 理 量 方 面 有 优 势 , 为 验 证 理 论 分 析 的 可 靠 性 , 需 要 进 行 相 关 的 试 验 。 本 文 根 据 模 拟 分 析 的 结 果 , 根 据 模 拟 的 最 优 结 构 尺 寸 加 工 两 个 水 力 旋 流 器 , 进 行 实 际 工 况 的 试 验 , 其 试 验 数 据 如 表 2。 表 2ꢀ 2 种 进 料 体 试 验 结 果 对 比 分 析 浓 度 产 率 -325 目 含 量 分 级 质 效 率 条 件 名 称 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 / % / % / % / % 进 料 溢 流 底 流 进 料 溢 流 底 流 18. 13 100. 00 4. 93 21. 83 71. 83 78. 17 18. 13 100. 00 3. 86 16. 90 73. 10 83. 10 32. 50 73. 08 13. 33 32. 50 76. 19 20. 67 59. 35 新 型 涡 形 渐 开 线 [ 1] ꢀ 褚 良 银 , 陈 文 梅 , 戴 光 清 , 等 . 水 力 旋 流 器 [ M] . 北 京 : 化 学 工 业 出 版 社 , 1998. 1 进 料 体 0. 1 MPa [ 2] ꢀ Concha F, Barrientos A, Munoz L, et a1. A phenomcnological model of a hydrocyclone[ C] ∥Claxton D, Svarovsky L, Thew M T. Proc. of Hydrocycloncs '96, London, MEP1996: 6382. 42. 44 渐 开 线 进 料 体 0 . 1 MPa [ 3] ꢀ 李 ꢀ 慧 . 固 — 液 分 离 用 水 力 旋 流 器 的 三 维 数 值 模 拟 研 究 [ D] . ꢀ ꢀ 由 表 可 见 , 在 相 同 的 工 艺 条 件 下 , 新 型 涡 形 渐 开 郑 州 : 郑 州 大 学 , 2006. 线 进 料 体 结 构 的 分 级 质 效 率 的 数 值 相 对 传 统 渐 开 线 进 料 体 结 构 由 42. 44% 提 高 至 59. 35% , 提 高 了 16. 91 个 百 分 点 。 ( 收 稿 日 期 ꢀ 20120605) 4 ꢀ 结 ꢀ 论 通 过 数 值 模 拟 和 实 验 相 结 合 的 方 法 对 水 力 旋 流 WWW.KY114.CN 櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘 的 应 用 [ J]  金 属 矿 山 , 2009( 7) : 8689 ( 上 接 第 620 页 ) [ 4] ꢀ 赵 ꢀ 明 , 何 健 全 , 许 丽 敏  SSSⅡ型 立 环 脉 动 高 梯 度 磁 选 机 磁 介 质 棒 排 布 方 式 的 研 究 [ J]  矿 山 机 械 , 2009 ( 19) : 9799 ( 3) 目 前 在 国 内 海 南 钢 铁 公 司 铁 矿 、 承 德 黑 山 铁 矿 、 南 京 梅 山 铁 矿 等 生 产 现 场 的 使 用 过 程 中 表 现 出 其 设 备 性 能 稳 定 、 分 选 效 果 优 异 、 气 水 卸 矿 高 效 、 聚 磁 介 质 耐 用 、 介 质 堵 塞 易 透 、 磁 极 头 不 腐 蚀 、 设 备 维 护 简 单 的 显 著 特 点 , 为 矿 山 企 业 生 产 创 造 了 可 观 的 经 济 效 益 。 [ 5] ꢀ 何 建 全 , 汤 玉 和 , 郑 承 美 , 等  一 种 水 平 磁 场 立 环 脉 动 高 梯 度 磁 选 机 用 磁 介 质 : 中 国 , ZL200920050526 5[ P]  2009129 [ 6] ꢀ 汤 玉 和 , 何 建 全 , 吴 城 材  高 梯 度 磁 选 机 磁 介 质 工 业 试 验 新 方 法 [ J]  金 属 矿 山 , 2010( 2) : 107109 [ 7] ꢀ 汤 玉 和  SSSⅡ湿 式 双 频 脉 冲 双 立 环 高 梯 度 磁 选 机 的 研 制 [ J]  金 属 矿 山 , 2004( 3) : 3739 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ 8] ꢀ 张 ꢀ 军 , 汤 玉 和 , 李 文 博  SSSⅡ型 高 梯 度 磁 选 机 在 承 德 钛 铁 矿 生 产 中 的 应 用 [ J]  有 色 金 属 : 选 矿 部 分 , 2011( S) : 174176 [ 9] [ [ [ 1] ꢀ 汤 玉 和 , 何 健 全 , 赵 ꢀ 明 , 等  一 种 高 梯 度 磁 选 机 : 中 国 , ꢀ 赵 ꢀ 明  胀 套 在 立 环 脉 动 高 梯 度 磁 选 机 中 的 应 用 [ J]  矿 山 ZL200610132432 3[ P]  2007711 机 械 , 2009 ( 3) : 105107 2] ꢀ 袁 致 涛 , 王 常 任  磁 电 选 矿 [ M]  北 京 : 冶 金 工 业 出 版 社  ( 收 稿 日 期 ꢀ 20120529) 2011 3] ꢀ 杨 ꢀ 龙 , 汤 玉 和 , 张 军  水 平 磁 系 高 梯 度 磁 选 机 在 梅 山 选 矿 厂 · 623·


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