孟亚丽 王 博
(兰州大学资源环境学院甘肃省环境污染预警与控制重点实验室，甘肃省兰州市，730000)摘 要 运用了计算流体力学( CFD)的方法，采用混合多相流模型(Mixture)结合雷诺应力模型(RSM)用来描述旋流器内介质的流动以及空气柱的变化，用拉格朗日颗粒追踪模型( LPT)来模拟颗粒的流动状态。在之前研究的基础上，对直径为1000 mm的重介质旋流器(DMC)，通过改变其安装角度（-600～900）进行气一液一固的多相流动模拟，并分析不同安装角度对重介质旋流器内流场的影响。研究结果表明，安装角度的不同会影响重介质旋流器的分离性能，当安装角度从-600增加到900时，操作压力显著减小，密度偏差和溢流分流比都显著增加，通过流场分析得出在安装角度为100左右时，流场稳定且DMC分选效果更佳。
关键词 重介质旋流器 计算流体力学 多相流模拟 安装角度
中图分类号TD942
目前重介质旋流器(DMC)在国内应用广泛，主要是由于其结构简单、单位处理量大、分选效率高以及适合处理难选煤或极难选煤。尽管重介质旋流器结构简单，但其内部具有复杂的多相流场，包括气体、液体、煤颗粒以及大小密度各异的磁铁矿颗粒和非磁铁矿颗粒的流动等。近年来，运用计算流体动力学方法(CFD)已经成为研究旋流器流场的重要手段。相关专家使用CFD软件FLUENT来模拟水力旋流器中流体的速度、压力分布以及颗粒的运动轨迹；另外有专家还采用雷诺应力模型(RSM)模拟湍流运动，在水力旋流器中心发现了静态非对称空气芯；还有专家在CFD中运用雷诺应力湍流模型模拟直径为250 mm水力旋流器内部流体速度分布和颗粒的轨迹；国外专家在CFD中运用标准k-e湍流模型模拟流体速度分布和颗粒
切割粒径，其模拟结果与试验在101 mm水力旋流器下所得的数据一致；部分专家运用CFD研究了水力旋流器尺寸对多相流动的影响，模拟结果表明减小水力旋流器尺寸或者增加锥体长度都可以提高旋流器的分离性能；还有专家模拟分析了重介质旋流器内颗粒运动的特性，但是对于不同安装角度的重介质旋流器内的流场模拟的研究却鲜有报道。
本文主要运用CFD方法，对直径为1000 mm且安装角度不同的重介质旋流器( DMC)进行了气一液一固的流动模拟，并分析不同安装角度对DMC内流场的影响，从安装角度的影响描述了重介质旋流器的分离性能，并提出在何种安装角度下重介质旋流器的工作效率最佳。
1 模拟方法
1.1 模拟步骤
虽然DMC结构简单，但由于其内部的多相流场十分复杂，所以将流场模拟分为3个过程，模拟过程如图1所示。
由图1可以看出，首先以一定浓度空气和混合液进料，通过雷诺应力模型( RSM)和流体体积模型(VOF)描述各向异性的湍流和液相两相的自由界面，得到空气核的初始位置以及初始速度的分布，该方法类似于水力旋流器中的多相流模拟；其次对于不同大小的磁铁矿颗粒，多相流模型由VOF变为混合多相流模型，同时用粘度修正模型预测不同磁铁矿颗粒的粘度分布，得到不同颗粒的密度和速度分布；最后利用拉格朗日追踪模型LPT追踪煤颗粒的流动特征，并用分配曲线以及介质分流比等描述重介质旋流器的分离性能。
1.2数学模型
整个模拟过程在不同阶段包含4个CFD模型，即流体体积模型(VOF)、混合多相流模型(Mix-ture)、雷诺应力模型(RSM)和拉格朗日颗粒追踪模型( LPT)，另外在第二阶段加入一个粘度修正模型。
1.3模拟条件
研究用于工业选煤厂直径为1000 mm的重介质旋流器，旋流器筒径(Dc)为1000 mm、人口直径(Li)为266 mm、溢流管直径(Do)为450mm、底流管(Du)直径为337 mm、圆柱部分
(L c)长度为1200 mm、溢流管(L v)长度为700mm以及锥体部分(L p)长度为1880 mm，其几何结构与网格划分图如图2所示。
由图2可以看出，整个计算区域由80318个六面体结构化网格组成，在溢流管和旋流器壁附近生成了更密集的网格。
在模拟过程中，其操作条件及其介质性质如下：进料混合液和煤颗粒的速度均为4.4 m/s（即进料流体流动的速率为1120.8 m3/h）；悬浮液的密度为1550 kg/m3；底流管与溢流管的出口压力均为1atm (101. 325 k Pa)。另外在工业上，重介质旋流器选煤用的悬浮液通常需要加入磁铁矿、非磁铁矿颗粒等作为加重质以利于更好的分离煤颗粒，故在模拟过程中加入6种不同大小的磁铁矿颗粒：10 μm (30. 5%)、20 μm (25. 6%)、30μm (14.6%)、40 μm (11. 5%)、50 μm (9. 9%)以及80μm (7. 9%)，同时还注入了2种不同大小的非磁铁矿颗粒，即24μm (55.5%)和125μm(45.5%)。在重介质旋流器人口注入4种不同粒径，分别为0.5 mm、1.4 mm、4 mm和7 mm、密度为1200～2400 kg／m3范围内的煤颗粒；对于每一种情况，仅仅是改变旋流器的安装角度，从-600到900间隔变化（包括-600、-300、-100、00、100、300、600和900），其他上述模拟条件都一致。
2 结果与讨论
2.1 不同安装角度DMC的操作性能
操作压力、密度偏差和溢流分流比等操作性能随着DMC不同安装角度的变化趋势如图3所示。
由图3可以看出，随着安装角度从-600～900的变化，其操作压力显著减小，密度偏差在安装角度为负向时并无太大变化，但在正向安装角度时显著增加，溢流分流比也随着安装角度的增大而增加。
2.2 不同安装角度DMC内颗粒分配曲线
不同安装角度和不同粒度的煤颗粒分配曲线如图4所示。
由图4可以看出，对粒径较大颗粒，分配曲线基本变化不是太明显，如图中(c)和(d)所示曲线重合趋势较为突出，随着颗粒尺寸的减小，分配曲线的不同表现的更加明显，如图中(a)和(b)所示。在煤颗粒粒径为0.5 mm和1.4 mm时，分配曲线总体趋势是随着安装角度从-600到900的变化而向右移动，即在分配率相同的情况下，安装角度增加，颗粒密度增大；当颗粒密度一定时，安装角度增加，分配率则呈降低趋势。对同一粒径不同安装角度的DMC的分配曲线，在安装角度为-600、-300和-100时，曲线斜率较小，即曲线变化平缓，分选效果不佳；当安装角度为00、100、300、600和900时，曲线变陡，即曲线斜率变大，说明分离效果较好。
2.3 不同安装角度DMC的分离性能
不同安装角度DMC的可能偏差E p和偏移量如图5所示。
由图5可以看出，随着安装角度的增加，偏移量的整体趋势增加，而对于不同尺寸颗粒的可能偏差E p值，整体趋势先减小后增大，对于小颗粒的影响更为显著，且其E p值较大，可能偏差越小说明分离效果更好。
2.4 不同安装角度DMC内流场
综合上述对DMC操作性能，分配曲线以及分离性能的分析，取两个极端值以及一个中间值分析安装角度对流场的影响。即当安装角度为- 600、100和900时，通过模拟得到的DMC内的流场变化。
不同安装角度下DMC的压力分布图如图6所示。
由图6可以看出，入口压力随着安装角度的增大而降低，DMC内的压力梯度力即径向浮力在安装角度为负向时比正向安装时大，这会导致颗粒向内移动，使得分选效率降低。
不同安装角度下DMC的轴向速度分布图如图7所示。
由图7可以看出，由于空气核是具有完全不同特性的液相，所以中心空白部分显示的就是空气核所占的区域。在底流管和溢流管靠近旋流器器壁附近的轴向速度都较大，但方向不同，底流管器壁附近轴向速度为负向时最大，溢流管器壁附近的轴向速度为正向最大，处于空气核与器壁所夹区域则出现了轴向速度为零的区域，也就是许多学者所说的垂直零速分离锥面，密度大的颗粒在外旋流的作用下从底流口排出，轻密度颗粒进入分离锥面内，在内旋流的作用下从溢流口排出。当安装角度为-600时，在靠近底流管附近区域有一股很强的下降流（点A处所指），这股下降流在空气核两侧由于重力的作用而不对称，这种情况会导致降低介质分流比，对于底流的煤颗粒有较高的分选效率；对于安装角为900的DMC，围绕着空气核的部分有一股细小并且非常强的上升流（点B处），导致大量的颗粒从溢流管中溢出。
不同安装角度下DMC的可视化介质密度分布如图8所示。
由图8可以看出，当DMC安装角度为900时，一些磁铁矿颗粒集中在溢流管下部，这主要由于流体群随着强烈的上升流进入到溢流管中，在溢流管下面的上升流和下降流之间形成了严重的回流区，液体中某一部分也可以移动到下降流中，对颗粒的分配曲线产生了主要影响，也对安装角度为900的DMC在靠近底流管壁附近具有相对严重的分离偏差，进而产生较高的密度差。
不同安装角度下DMC的可视化径向速度分布图如图9所示。
由图9可以看出，安装角度对流体径向速度的变化影响并不明显，流场只在溢流管底部有较为轻微变化，有一小部分区域的径向速度值较大，影响粒子运动的离心力。
3 结论
综上所述，DMC的安装角度对旋流器内的流场研究结果表明，安装角度的不同，改变了重介旋流器内流场的变化，从而影响了旋流器的分离性能。
(1)安装角度对DMC分离性能的影响。当安装角度从-600增加到900时，操作压力减小，分离偏差和溢流分流比都显著增加。在安装角度为100时，可能偏差E p值最小，说明分选精度高，分离性能较佳。
(2)当安装角度分别为- 600、100和900时，根据其内部流场图所得结果显示，旋流器内入口压力随安装角度的增加而降低；旋流器垂直安装时，其轴向速度在溢流管附近有一股强上升流会导致大量颗粒随之溢出，降低分选效率，当安装角度为100时，颜色变浅，上升流明显较弱。旋流器垂直安装时，密度的分布在溢流管下面出现回流区，严重影响颗粒的分离，在底流管产生较为严重的分离偏差，在安装角度为100时，流场较为稳定，有利于颗粒的分离。
