DSM重介质旋流器流场的数值模拟

采用计算流体力学软件，选用RSM湍流数值计算模型，对DSM型重介质旋流器的流场进行了数值模拟.研究了DSM型重介质旋流器流场的速度分布、密度分布和压力分布，得出4点结论：旋流器内的流体沿着溢流管的外侧向下流动，使旋流器分选时存在短路流，降低了旋流器的分选效率.旋流器内的轴向速度越接近中心越高，大约在旋流器半径的中部通过零点，所有速度为零的个点形成了零轴速包络面（LZVV.旋流器内的切向速度从内向外逐渐升高，在空气柱附近达到最大值，然后逐步下降到最低点.由于回流的作用，在旋流器中间造成负压区形成了空气柱，空气柱截面直径大约为溢流口直径的0.6倍.     

平底结构对水力旋流器流场特性及分离性能影响

基于数值模拟对比了渐缩平底旋流器与复合锥角旋流器流场特性以探究平底结构对水力旋流器流场的影响。数值试验结果表明：两种水力旋流器压强分布和切向速度分布基本一致,而空气柱附近压强梯度存在差异;渐缩平底旋流器溢流管下方湍流强度较低而底流口附近则相反;渐缩平底旋流器柱-锥交界面的空气柱附近轴向速度较高,导致其分流比较低。实验室旋流分离试验表明：平底结构能有有效抑制溢流跑粗和底流夹细现象,显著提高分级效率,改善水力旋流器分离性能。     

锥角对水力旋流器流场及分离性能影响的数值试验研究

为了考察锥角对水力旋流器内部流场和分离性能的影响，针对实验室[?]50 mm水力旋流器，采用Fluent软件中RSM湍流模型、VOF和Mixture多相流模型进行了系统的数值试验研究。流场模拟结果表明，在相同操作条件下，增大锥角，空气柱直径增大，湍流强度增加，压强和压强梯度均明显增加，从而导致整体能耗增加；切向速度随锥角增大明显升高，轴向速度变化不大，但LZVV逐渐向器壁移动，分流比逐渐降低。颗粒分离模拟结果表明，增大锥角会导致分离粒度增加，各粒级分离效率降低；小锥角容易造成“底流夹细”现象，大锥角容易引起“溢流跑粗”现象。研究结果为水力旋流器锥体的结构选择和设计提供了参考。     

结构参数对双溢流旋流器内空气柱性能的影响

传统旋流器一次分级只能得到溢流和底流两种产品,造成产品粒级范围太过宽泛,达不到精细分级的要求。本文提出了一种具有双溢流管结构的多产品旋流器,建立了流场模型,利用流体力学多相流理论,对旋流器内部流场进行了数值模拟,得到了内外双溢流流场分布特点,获取了流场和空气柱的形成、发展演化过程。对底流口、溢流口结构参数对旋流器内空气柱性能的影响进行了仿真分析,结果表明:旋流器内空气柱直径随着底流口和溢流口直径的增大而增大,当内溢流管直径小于底流口直径时,空气柱较为紊乱。研究结果对分析空气柱影响涡旋运动及优化旋流器结构参数奠定了理论基础。     

改进水力旋流器预分离区的研究

水力旋流器预分离区(溢流管所在区域)分离作用甚微,从而可增加溢流管外径以减小预分离区厚度。这样做的作用有四:(1)显著减少旋流器的盖下短路流;(2)增加旋流器能量在主分离区(溢流管以下区域)的分配;(3)降低旋流器内部损失;(4)改善流场条件,变原来的轴向零速面为轴向零速区,可提高分级精确性。通过对实际物料的分级考察,证明这种减薄预分离区的旋流器确可明显提高分级效率。     

水力旋流器内空气柱直径的研究

探讨了不同排料方式下的水力旋流器的溢流口直径和压力降对空气柱直径的影响，分析了水封式水力旋流器底流背压、溢流背压及系统压力对空气柱直径的影响规律。可作为水力旋流器内空气柱的操作控制及改善水力旋流器工作性能的依据。     

锥段结构对旋流器内部流场和分级性能的影响

水力旋流器最早可追溯到上世纪50年代,它是一种将压力能转化为动能且伴随着能量损失的装备,因其占地面积小、无运动部件、分级效率高等优点被广泛应用于煤炭分选、石油、化工等各类分选行业中,但由于其自身结构的限制以及外界工况的变化,分级精度难以保证,旋流器主要有柱段、锥段、溢流口、底流口和进料体组成,其中,锥段结构作为旋流器的主要分离区域,是影响旋流器分级性能的主要因素之一,因此,本文针对常规旋流器分级精度低、运行能耗高的问题,提出了一种改进旋流器锥段的方法用于提高旋流器分级性能,通过数值计算法呈现了直线型、抛物线型和双曲线型锥段结构旋流器对内部流场特性和分离性能的影响规律。数值结果表明：采用抛物线锥段可使其旋流器的切向速度和轴向速度减小,降低乱流的发生概率,流场稳定性得到有效提升,双曲线锥段内部流场不稳定,不利于颗粒的平稳运行。抛物线型旋流器零速包络面外移,细内旋流空间变大,细颗粒得到充分分离,分级精度得到一定提升。相比于常规型和双曲线型,抛物线型旋流器具有较小的湍流强度,颗粒稳定性得到有效提升,同时,抛物线型旋流器的陡度指数从0.61提升为0.72,旋流器分级精度得到大幅提升,由于其分离空间的变大,切割粒径稍有增大。     

重介质旋流器分选过程的离散分析与数值模拟

重介质旋流器广泛应用于煤炭分选,分选过程十分复杂,试验测试研究重介质旋流器内部流场和颗粒运动特性费时费力,成本较高。随着数值计算技术的发展,国内外学者应用数值模拟方法研究旋流器内部的多相流流场。采用计算流体力学(CFD)与离散分析方法(DEM)耦合技术对重介质旋流器的分选过程进行数值模拟研究,为重介质旋流器的结构参数和操作参数的优化提供了一种新途径。用Fluent软件研究了旋流器内部悬浮液速度场、密度场、压力梯度场和黏度场,用EDEM软件研究了旋流分选过程中的煤粒运动行为及分选效果的评价。研究结果表明:悬浮液压力分布和压力梯度分布径向基本对称,溢流口和底流口处压力值最低。器壁沿径向形成了压力梯度,差值逐渐增大,空气柱边界处压力梯度最大;不同尺度的煤粒在旋流器内部的停留时间不同,相同密度的煤粒,粒度越小,停留时间越长。溢流中排出煤粒在旋流器中的停留时间明显长于从底流口排出的煤粒。溢流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越长,底流口排出的煤粒,密度越大,停留时间越短。不同的旋流器结构参数对分选的影响程度不尽相同,其中溢流管直径的影响最为显著,溢流管直径超过500 mm时,不能形成完整的空气柱,无法分选。溢流管直径为300 mm时,分选效果较好;溢流管插入深度显著影响分选精度,插入深度为160 mm时,分选密度增大,细小高密度的煤颗粒将错配进入溢流,溢流管插入深度为320～800 mm时,分选密度接近悬浮液密度,分选指标E_p=0. 084～0. 100,分选效果较好。底流口直径对旋流器选精度影响较大,当底流口直径为272和306 mm时,分选密度与悬浮液密度接近,E_p值小于0.1,分选效果较好。圆柱段长度对于分选密度影响不明显。     

对称双进口旋流器流场特征及分离性能

传统单进口旋流器存在流场不稳定、分离精度低等问题。创新旋流器结构、优化流场性能、提高分离 精度是当前旋流器应用的迫切需求。为了解决传统单进口旋流器对流场冲击大而引起的流场波动不稳定问题，提 出了一种对称双进口旋流器结构型式。采用数值模拟方法，通过 RSM 湍流模型、VOF 和 Mixture 多相流模型，对两 种进口结构的旋流器流场特征及分离性能进行了对比研究，结果表明：对称双进口旋流器的零速包络面和旋流流 场更加均匀，可以为颗粒迁移运动创造更加稳定的分级、分选条件；对称双进口旋流器流场静压、湍动能、轴向速度 和切向速度比传统旋流器均有不同程度的提高，其中对分离起主导作用的切向速度最大值提高了 16.90%，有效增 大了离心强度，强化了分离效果；入口速度为 7.5 m/s 时，10 μm 微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了 4.82 个百 分点，15 μm 微细颗粒溢流分级效率较传统结构提高了 11.34 个百分点。研究结果对丰富旋流器结构型式，进一步 提高旋流分离性能具有一定的指导意义。     

铝硅矿物旋流分选特性与机理分析

为了实现一水硬铝石型铝土矿中铝硅矿物的有效分选,采用旋流分选方法研究了铝硅矿物的分选特性,对其旋流分选机理进行了初步分析.结果表明,增大底流口直径会使轴向零速包络面收缩,有利于提高底流中Al2O3的回收率和降低溢流A/S,但铝硅矿物旋流分选的精确度下降,底流A/S降低；给矿压强的改变基本上不会影响轴向零速包络面的空间位置,但在适宜的锥角条件下,增大给矿压强可对铝土矿的旋流分选产生有利影响,使分选效果得以改善.     

水力旋流器内部流场及分选过程的研究进展

论述了水力旋流器内部流场特性研究的发展历程及研究现状。详细介绍了数值试验方法在旋流器模型建立、内部流场特性描述、颗粒在其流场中的分离过程以及旋流器结构参数优化设计等方面的应用。在此基础上,提出了今后的研究方向与重点,即对于轴向零速包络面（LZVV）及空气柱的特性仍需进一步研究;在高浓度矿浆中,颗粒形状及颗粒与颗粒、颗粒与流体、颗粒与器壁之间相互作用对分离效率的影响仍是下一个时期的研究重点。     

Study of flow behaviour in a three-product cyclone using computational fluid dynamics

Simplicity in design and minimal floor space requirements render the hydrocyclone the preferred classifier in mineral processing plants. Empirical models have been developed for design and process optimisation but due to the complexity of the flow behaviour in the hydrocyclone these do not provide information on the internal separation mechanisms. To study the interaction of design variables, the flow behaviour needs to be considered, especially when modelling the new three-product cyclone.Computational fluid dynamics (CFD) was used to model the three-product cyclone, in particular the influence of the dual vortex finder arrangement on flow behaviour. From experimental work performed on the UG2 platinum ore, significant differences in the classification performance of the three-product cyclone were noticed with variations in the inner vortex finder length. Because of this simulations were performed for a range of inner vortex finder lengths. Simulations were also conducted on a conventional hydrocyclone of the same size to enable a direct comparison of the flow behaviour between the two cyclone designs. Significantly, high velocities were observed for the three-product cyclone with an inner vortex finder extended deep into the conical section of the cyclone. CFD studies revealed that in the three-product cyclone, a cylindrical shaped air-core is observed similar to conventional hydrocyclones. A constant diameter air-core was observed throughout the inner vortex finder length, while no air-core was present in the annulus.     

CFD modeling and analysis of the multiphase flow and performance of dense medium cyclones

A computational fluid dynamics (CFD) model is proposed to describe the multiphase flow in a dense-medium cyclone (DMC). In this model, the volume of fluid (VOF) multiphase model is first used to determine the initial shape and position of the air core, and then the so called mixture model is employed to describe the flows of the medium, coal particles and air, where the turbulence is described by the Reynolds stress model. The validity of the proposed approach is verified by the reasonably good agreement between the measured and calculated results in terms of separation efficiency. On this base, this model is used to quantify the effects of the ratios of spigot to vortex finder diameters (U:O) and medium to coal (M:C) on performance. The results are shown to be generally comparable to those reported in the literature. It reveals that when vortex finder or spigot diameter is varied at the same U:O ratio, the offset and medium split nearly remain the same, however, the coal feed rate and E_p are different under the conditions considered. It is also shown that the fish-hook phenomenon is observed when spigot diameter is equal to or slightly larger than vortex finder diameter, and a normal operation becomes less stable with decreasing U:O ratio. The key phenomena predicted are explained by the calculated inner flows.     

液-液动态旋流器流场特性研究

通过在对液-液动态旋流器分离机理和分离特性研究的基础上，采用雷诺应力模型对液-液动态旋流器内流场进行数值模拟。结果表明，对速度场、湍流度以及静压力的分布做出了正确预测，模拟值与文献试验数据基本吻合，证明该模型的正确性。通过研究流场掌握了液-液动态旋流器内部流体的运动及分布规律，为今后深入进行其分离机理、流场测试及分离性能研究打下了一定的基础。     

Air core formation in the hydrocyclone

Air core formation has been investigated in hydrocyclones operated with clear water and a lucid suspension of glass balls. Hydrocyclones form a central air core which extends over the complete hydrocyclone length. Air is sucked in the core at the underflow discharge. The air core diameter can be determined balancing the positive pressure gradient and the centrifugal force in the rotational flow field. In dense flow separation (high feed solids content) the air core in the conical part of the hydrocyclone is suppressed. The hydrocyclone operates as it is air sealed because the solids are discharged trough the underflow as a rope. Then, air can be introduced to the hydrocyclone only on the feed side. In practice, feed suspension always contains more or less dissolved or dispersed air. Observations in a transparent hydrocyclone show that dissolved gas is released due to the pressure drop inside the hydrocyclone. The generated micro bubbles grow by coalescence and move in the centrifugal field toward the centre, where an air core is formed.     

Experimental study of flow patterns in deoiling hydrocyclone

Using a two-component laser Doppler velocimeter, the axial velocity, tangential velocity and fluctuation velocity were measured in a 35-mm deoiling hydrocyclone. Air core occurs in the hydrocyclone when inlet flow rate is more than 2.00 m³/h. The fluctuation velocities with air core are greater than without air core. The velocity magnitudes are dependent on the inlet flow rate and the flow character is not change by changes in the inlet flow rate in hydrocyclone. The velocity fluctuations are greater near the core and near the wall. The results show that air core in the hydrocyclone will arose turbulence fluctuation. These studies are helpful to understand the separation mechanism of deoiling hydrocyclone.     

齐大山铁矿粗细分级旋流器数值优化试验研究

为提高齐大山铁矿选矿厂[?]660 mm粗细分级水力旋流器的沉砂产率,从而增大后续重选作业的给矿量,基于数值模拟方法系统考察了水力旋流器结构参数对水力旋流器分离性能的影响。结果表明：增大沉砂口直径和柱段高度可以有效提高各粒级在沉砂中的分配率,而增加溢流管直径和小锥锥角则相反。基于数值试验结果进行了粗细分级水力旋流器工业试验,与原旋流器相比,优化后的旋流器沉砂产率提高了7.67个百分点,在保证分级效率的前提下可以有效提高沉砂产率。优化后的水力旋流器可以有效增加重选作业给矿量,并为同类型矿山的水力旋流器结构设计提供参考。