宽域水力旋流器压力能耗模拟与分析

宽琐水力旋渝器匿勿锯耗摸舣与兮薪李婷，向晓东，刘力，王岩(武汉科技大学资源与环境学院，湖北武汉430081)摘要：提出一种可同时分离重质和轻质固体颗粒物的液一固旋流器。实验研究发现该新型水力旋流器在流量为25m3／h，分流比为6％时对重质颗粒分离效率最高；流量25m3／h，分流比为8％时轻质颗粒分离效率最佳。利用CFX流体软件，在流量为20—35m’／h条件下对旋流器内的静压、动压和压力降的分布进行模拟分析。结果表明：在旋流器圆柱段从上到下，动压逐渐降低，在锥体段从上到下，动压逐渐升高；在一定范围内，为进一步提高分离效率和减少旋流器内压力损失。应避免增大入口流量而适当增加分流比。关键词：液固分离；水力旋流器；数值模拟；CFX中图分类号：TD942+．5文献标识码：A文章编号：1006-6772(2009)05-0090-04由于旋流器具有分离效率高、工艺简单、结构紧凑、使用寿命长，易于实现连续化操作及自动控制等诸多优点，在工业中已得到广泛的应用。目前，很多学者【l。21对水力旋流器的研究均只涉及到重质颗粒的排除。很多情况下料液具有重质和轻质2种颗粒，有必要设计出一种宽域水力旋流器，达到既可处理重质颗粒，也可排出轻质颗粒的目的。在水力旋流器内，液体介质在压力作用下进入旋流器，并形成高速旋转的涡流运动。其分离效率的提高常常以消耗能量为代价，水力旋流器能量损失的主要形式是压力损失。而压力损失直接决定了进料泵的功率和电能消耗旧1。研究流场内部的压力分布对实现较高的分离效率和较大的处理能力的同时降低旋流器在使用过程中的能耗具有重要实际意义。笔者利用CFX流体软件，对这种新型宽域水力旋流器着重研究在25m3／h，分流比为6％工况参数下的压力场分布规律模拟与分析，并与其它不同实验操作条件下的压力场进行分析比较。1新型旋流器的几何模型新设计出的宽域水力旋流器是一种可同时分收稿日期：2009—05—04基金项目：。十一五。国家科技支撑计划项目(2006BACllB05)离重质和轻质固体颗粒物的液一固旋流器。在设计上与普通旋流器不同在于，在溢流口处加入顶端蜗壳设计，充分利用溢流管流体的旋转动能，并降至转化为流体流向动能，减小压头损失。因为在器内短路流有短路流的存在，使一些颗粒不能排除，故加入环形条缝的设计，有利于轻质颗粒在短路流的作用下被卷入上部斜形空腔，后侧向排轻口排出。旋流器外形结构如图l所示，旋流器内压力计算位置的选取如图2所示。圣I回V'f丰删西l，[八／iRl5土盯5汁图1新型水力旋流器设计l——中心排轻口；2——侧向排轻口；3——圆柱段；4——圆锥段；5——底流口作者简介：李婷(1984一)，女，广西柳州人，硕士研究生，主要从事两相分离与流体数值模拟方面的研究。‘洁净煤技术)2009年第15卷第5期万方数据555mm14．q＼J／：|‘l|、图2数值检测的位置2模拟结果与分析先对液体入口流量为25m3／h，分流比为6％的实验条件下模拟结果分析，再对不同流量、不同分流比实验条件下模拟结果进行比较分析。_十—什555mm。．1‘．∑1。l～图3z=555mm截面处静压分布云图4x=O面处静压分布云由图3、图4看出，静压随着半径的变小而急剧降低，在径向上压力梯度变化较大，在轴向上压力梯度变化较小。图5是z=300ram处的静压力曲线，静压力曲线图表明，在径向上，静压分布基本呈轴对称分布的，靠近壁面处压力较高，而中心压力较低，压力变化梯度较大，因此产生的能量损失也较大；在中心处存在一定负压，这是产生空气柱的原因。宽域水力旋流器压力能耗模拟与分析逞幽箍全国中文核心期刊矿业类核心期刊(CAJ--CD规范)执行优秀期刊Jr、i订图5z=300mm处静压分布径向压力是径向压力场中对颗粒产生的径向力是颗粒沿径向所受的主要力，正是由于压力梯度的存在，与颗粒所受的离心力及斯托克斯阻力同时作用，造成了颗粒的径向移动，实现固液分离。在压力分布上外部压力大于内部压力。因此，径向压力梯度产生的力的方向一定是指向核心的，任何粒度的分散颗粒存在向中心运移的趋势。2．1旋流器内动压分布动压与液体运动状态有关，其定义如下：p。=扣“2(5)式中p——流体介质密度，kg／m3；u——流速，m／s。由图6横向z=555mm截面的动压分布云图可以看出，顺着液流的流向，在进口与圆柱体交接处，形成漩涡，动压值逐渐增大，随着流体的旋转流动，压力增大到一定程度后，逐渐减小，形成局部的压力损失。由于循环流与短路流的影响，在靠近轴线位置，压力值局部达到最大，这就是所说的“短路流”，从图6左边纵向动压分布云图可以看出，在溢流管下端附近区域“短路流”比较明显。动压到壁面处又降到最低。图6x=O面和z=555mm截面动压分布云图6也说明，对于切向人口的旋流器，流体由入口的高速直线流变为进入旋流腔