旋流器的微米级颗粒分级性能分析

微型旋流器中的超重力场和剪切湍流场可以强化微米级颗粒的分级。为了分析旋流器的微米级颗粒分级性能,本文通过试验与数值模拟相结合的方法研究了入口速度和底流分率对旋流分级的影响。数值模拟方面使用雷诺应力模型模拟了微型旋流器内的流场,试验方面使用直径为20mm的微型旋流器来分级粒度分布为2~50μm的颗粒物料。结果表明,随着入口速度的增大,分割粒度x50减小,可达4.8μm,分级精度H提高,可达0.45;随着底流分率R_f的增大,不会显著改变切向和径向速度,颗粒在旋流器内的沉降速度变化不大,但轴向速度会减小,使得颗粒在旋流器内的停留时间增加,分级效率提高;当底流分率R_f0.6时,随着R_f的增大,分割粒度x_(50)减小,可达4.7μm,分级精度H提高,可达0.6;当底流分率R_f0.6时,分割粒度x50增大,分级精度H降低。     

超重力水力聚结分离器流场分析与性能评估

采用离散相模型以脱油型水力旋流器为研究对象,分析了不同粒径油滴粒子在旋流场内的运移轨迹,得出随着粒径的增大旋流器的粒级效率逐渐升高。基于油滴运移轨迹设计了一种水力聚结旋流分离装置,可在旋流分离前端通过水力聚结使小颗粒油滴聚并成大颗粒油滴,进而增强旋流分离性能。开展室内试验对水力聚结分离器的分离性能和适用性进行验证。结果表明:粒径在100～900μm范围内随着油滴粒径的逐渐增大,旋流分离效率逐渐升高;水力聚结器可在油滴进入旋流分离器前使油滴碰撞聚结致使离散相油滴粒径分布增大,从而提高旋流器分离效率,其最佳入口进液量在4. 12m~3/h左右,最佳分流比为20%。     

固相颗粒在旋流场形成过程中的运动分析

通过CFD-DEM耦合计算方法模拟不同粒径颗粒在FX-50水力旋流器内的运动行为,分析旋流器内旋流分离场的形成过程,连续相的运动采用求解平均化的Navier-Stokes方程得到,离散相的运动通过离散元法计算。采用欧拉-拉格朗日方法,通过Freestream曳力模型传递相间数据,分析了流体的速度场、压力场,颗粒群的速度、受力、颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触作用力。结果表明,当循环流与入口流汇合时,颗粒速度损失较大;当旋流场稳定后,60μm粒径颗粒群在旋流器锥段的堆积最严重,分离速度较70μm、80μm颗粒低;颗粒平均速度的变化为先减小再增大,直到以后的稳定变化。旋流场未稳定时颗粒在竖直方向的运移速度大于旋流场稳定后竖直方向的运移速度,80μm颗粒竖直方向平均速度始终大于60μm和70μm。颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触过程中,颗粒的受力以法向方向为主,当颗粒与壁面接触时,所受合力最大;由于流动前期颗粒在旋流器内运动轨迹不稳定,颗粒随机碰撞明显,导致颗粒平均接触力波动较大,当旋流场达到稳定状态以后,数值改变很小。     

旋流分离器液固分离数值模拟研究

旋流分离器被发明至今已有一百多年,是一种古老而现代的多相流分离技术。被广泛用于各个行业。水力旋流器的内部进行着复杂的两相流运动,是液相以及固体颗粒相分离的一个过程,而固体颗粒的在旋流器内部的运动,很大程度上由液相的运动所决定。本文通过采用CFD软件FLUENT对旋流分离器进行模拟研究,液体的连续相采用RNG K-ε模型,固体离散相采用DPM模型,通过数值分析可以得到旋流器内部流场的情况,探究进口速度以及颗粒大小对分离效率的影响。     

微型多进口旋流器内气流形态的数值模拟

为探究不同进口个数的结构设计对微型旋流反应器气相流场的影响,文中采用雷诺应力(RSM)湍流模型,对进口速度分别为10,20和50 m/s时的单进口、双进口和四进口微型旋流反应器气相流场进行数值模拟。基于模型有效性验证的数值结果表明:进口个数会影响流场对称性和截面速度分布。多进口旋流反应器的切向流场轴对称性较好,在各截面上最大切向速率较大。多进口旋流反应器的轴向速度则随着截面高度的增大明显减小,而单进口旋流反应器截面轴向速度变化并不明显。多进口旋流反应器之间的流场基本相似。进口速度的增大则会使旋流反应器截面上的切向速度和轴向速度相应增大,另外进口速度并不影响截面最大切向速度的径向位置。     

石膏旋流器分离性能的试验研究

通过对影响水力旋流器分离性能的三个因素:底流管径、进料浓度和入口压力进行正交试验,得出影响旋流器分离效果的各因素主次顺序,并对各影响因素进行分析。通过分级实验得出,经分离后底流口颗粒粒径集中于20μm以上,溢流颗粒粒径则集中于20μm以下。随着颗粒粒径的增大,分离效率也在增大,当粒径达到30μm时,效率已经接近100%,旋流器起到明显的分级、增浓效果。     

旋流分离器在乙二醇脱盐过程中的模拟研究

应用计算流体力学(CFD)模拟研究了旋流分离器内液固(乙二醇-NaCl)两相分离过程.应用RSS雷诺应力湍流模型、DPM离散相颗粒模型,建立液固两相分离模型,研究了旋流器结构、固相颗粒粒径、操作条件对颗粒分离效率、压降的影响.结果表明:采用优化的旋流分离器,粒径大于35μm的NaCl颗粒分离效率可以达到99.6％以上.     

多管水力除砂器内液-固两相流的数值模拟

通过数值模拟的方法,采用RSM湍流模型对多管式水力除砂器内液-固两相流场进行了研究。研究表明:进液室的流场分布、压力分布影响各单管入口流量及速度分布;除砂器内颗粒运动的轨迹包括储料室捕集和集液室逃逸;将1000个颗粒同时射入除砂器总入口,跟踪每个颗粒得到颗粒的入管比例和分离效率,单管的颗粒入管比例与流量呈正相关,单管分离效率受速度分布影响出现差异;随着颗粒粒径增大,从单管分离出的颗粒在储料罐内的沉降速度也增大;综合各单管的颗粒入管比例和分离效率对除砂器分离系统的结构提出改进方向。     

文丘里分离罐气相流场特性及分离效率研究

采用雷诺应力湍流模型和离散颗粒模型对2种不同结构文丘里分离罐内气相和颗粒相进行了数值模拟,对比了其气相流场特性和分离效率。结果表明,侧出口分离罐A内的切向速度分布对称性较差,外旋流区较小,对分离不利;上出口分离罐B内的切向速度分布呈兰金涡分布,对称性良好,外旋流区较大,适合分离。2分离罐对粒径小于5μm颗粒的分离效率比较接近;粒径5μm~45μm的颗粒,B罐的分离效率明显高于A罐;粒径大于45μm的颗粒,A罐的分离效率略高于B罐。     

固-液微型水力旋流器的实验研究与数值模拟

采用正交试验和计算流体力学(CFD)的方法,对固-液微型水力旋流器进行了初步研究。实验采用的微米级固体颗粒分别为1250目和2500目的滑石粉颗粒。首先通过正交试验研究了微型旋流器处理量和进料浓度对两种粒径的滑石粉溶液的分离效率的影响,得到较优的分离操作条件。然后利用CFD的方法对微型水力旋流器的内部流场进行数值模拟,湍流相采用雷诺应力(RSM)模型,再加入离散颗粒进一步模拟微型水力旋流器内颗粒运动,其中离散相采用离散相(DPM)模型。最终得到水力旋流器的流场的压力和速度分布云图及固体颗粒运动轨迹,为进一步优化微型水力旋流器的结构参数提供了参考。     

新型入口对石膏旋流器工作性能的影响

针对火电厂石膏旋流器分级效果不理想的问题,设计具有分离块和隔板的新型入口,以改善石膏旋流器的工作性能。采用Fluent软件,应用Reynolds应力模型(RSM)与离散相模型(DPM)模拟新型入口中不同粒度颗粒的运动情况,模拟结果表明:随颗粒粒径增大,颗粒的运动半径与运动距离均增大,不同粒径颗粒在新型入口内能实现初步分级。对普通入口与新型入口石膏旋流器分别进行性能实验,获得不同工况下生产能力、出流浆液密度以及旋流器分级效率等指标参数,经比较可知,采用新型入口后,石膏旋流器底流质量浓度明显增大,10～30 μm石膏颗粒的分级效率有显著提高,最大增幅可达15%,同时,6 μm以下石膏颗粒的底流夹细现象也有一定程度的改善,但由于入口段流动阻力增大,生产能力略有下降。     

注气对油水分离水力旋流器流场影响模拟分析

采用雷诺应力湍流模型、混合模型和离散相模型对注气型油水分离水力旋流器进行数值模拟,得到其内部流场的速度分布和油滴粒子运动轨迹,分析对比了注气前后进口流量、分流比和充气量对分离效率的影响,数值计算结果与文献实验值进行了比较。结果表明,充气后流场速度增加,油滴粒子逃逸时间缩短,旋流器分离效率提高5%~10%,在一定条件下气浮对旋流分离起到强化作用。     

局部磨损对α型旋风分离器内流场及分离性能的影响

以α型旋风分离器为研究对象,基于欧拉-拉格朗日方法,采用雷诺应力模型（RSM）、颗粒离散相模型（DPM）、E/CRC磨损方程对分离器内流场与磨损特性进行数值模拟。通过分析速度矢量、切向速度、颗粒运动轨迹等参数的分布规律,研究了局部磨损对设备内流场及分离性能的影响。结果表明,α型旋风分离器入口正对壁面磨损最为严重,最大磨损率约为1.4×10^-5kg/(m²·s)。磨损引起壁面几何结构的改变,导致气流方向发生偏转,不利于主流的稳定与固体颗粒的分离。随局部磨损的加剧,排气管下口短路流急剧增大,从而导致排气管下口以下区域流体流量减少,外涡切向速度降低;细颗粒的逃逸现象更加明显,粗颗粒运动轨迹趋于重合,更易形成高浓度灰环加剧壁面磨损。与未磨损时相比,局部磨损厚度50mm时,3μm粒径颗粒的分离效率由74.38%降低至54.97%,分割粒径d₅₀由0.73μm增大至2.36μm;设备压降降低了约15.41%。     

Prediction of 10-mm Hydrocyclone Separation Efficiency Using Computational Fluid Dynamics

It has been estimated that particles within the flow field of a 10-mm or mini-hydrocyclone experience local accelerations as high as 10 000 gravitation units. Although their operation is simple, the turbulent, swirling flow field within these devices offers a unique challenge to computational fluid dynamics (CFD). In addition to the computational challenge, very few experimental measurements have been reported in the literature on the flow field of the mini-hydrocyclone to which the CFD results may be compared. This research addresses the issue of predicting the separation efficiency of a volute entry 10-mm hydrocyclone. The feed flow rate is 4.5 litres/m (l/m) yielding a Reynolds number (based on the hydrocyclone diameter) of 9500 and a swirl number of 8.4. Using previously published flow simulation data, a multiphase system (consisting of a discrete oil phase and a continuous water phase) was analyzed for the purpose of obtaining separation information. These separation data were compared with laboratory separation experiments. Results indicate differences less than 20% for each droplet diameter. This information increased the level of confidence in the simulated flow field since there are no published velocity field data for the 10-mm hydrocyclone.     

Numerical Analysis of Drops Coalescence and Breakage Effects on De-Oiling Hydrocyclone Performance

This work investigated the effects of breakage and coalescence on de-oiling hydrocyclone performance utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD). It was found that an increase in the entrance flow rate with low entrance oil concentration not only did not increase the separation performance of the hydrocyclone but it also decreased the separation efficiency. On the contrary, the hydrocyclone performance was enhanced with increasing the inlet velocity. Furthermore, a comparison between the standard design and the conical inlet chamber design was drawn in terms of separation efficiency for low entrance oil concentration; the results depicted that the conical design had higher separation efficiency.     

动态旋风分离器数值模拟及实验研究

旋风分离器具有结构简单性能稳定等优点,但对于粒径10μm以下颗粒,分离效率较低。本文对普通旋风分离器进行改进,设计了带有旋转叶片的动态旋风分离装置,并进行了实验和数值模拟研究。数值模拟气相采用RNG k-ε模型与RSM模型相结合的算法,颗粒相与气相之间采用以欧拉-拉格朗日气固两相流耦合思想为基础的DPM模型进行模拟,主要研究了装置内部流场和颗粒分离效率与进口气速和转子转速之间的关系,并与实验中通过静电低压悬浮颗粒取样器（ELPI）获得的装置分离效率进行了对比。模拟和实验结果表明,装置切向速度场中转子部分的切向速度主要由叶片转速决定,转子外部区域的切向速度则主要由进口气速决定,且在一定的转速和进口气速下,动态旋风分离器对粒径在5μm以上的颗粒有良好的脱除效果。     

含聚浓度对旋流器性能影响的数值模拟与试验

以螺旋导流式旋流器为研究对象,选用幂律流体模型和离散相模型（DPM）计算了不同含聚浓度条件下的分离性能,对旋流器流场（速度场、压力场）及油滴运移特性进行了细致的分析,并采用高速摄像技术（HSV）开展了相应的分离特性试验。研究发现：聚合物浓度为0时,油滴存在明显的乳化效应,实测效率81.7%;浓度增大后,乳化效应减弱,油滴分散在旋流器内,中心油核消失,效率急剧下降,4000mg/L时旋流器基本无分离效果;浓度增大对压降影响较小,底流压降最高增幅5.6%,最大值不超过200kPa。分析表明,效率下降与切向速度衰减、径向压力梯度减小有关;浓度增大后油滴轴向向下运动的距离增加,呈现向旋流器外壁面运动的趋势,分离时间延长。     

导叶式旋流器内油滴的聚结破碎及影响因素

利用流场测试实验和模拟计算对导叶式旋流器的内部流场和湍流性能进行研究,得到导致旋流场中油滴发生聚结破碎现象的内因为时均速度梯度引起的黏性剪切力和湍流流动引起的高剪切应力及湍动能,并分析了油滴破碎的主要发生部位。同时为宏观考察导叶式旋流器内油滴聚结与破碎相对作用强弱,验证了旋流器的分离性能作为表征量的可行性,并在此基础上,利用导叶式旋流器的分离性能实验结果对油滴聚结破碎发生的外因进行研究,结果表明导向叶片的结构参数（叶片数和叶片出口角）和旋流器的操作参数（入口流速、溢流率、分散相入口浓度和操作温度）均会影响到油滴在旋流器中的存在和运动形态。     

进口尺寸对旋转流场分离特征的影响

力旋流器进口尺寸的设计是提高分离精度的一种有效方法。长期以来,对旋流器进口尺寸影响分离性能的认识主要来自工程实践经验,鲜见从旋转流场和分离机理的角度进行系统性分析的报道。采用计算流体力学方法进行旋转流场模拟,并考察进口尺寸缩小后的压力分布特性、三向速度分布和二次涡流结构。研究结果表明：进口尺寸缩小后切向速度数值的上升趋势明显,同时轴向速度和径向速度数值上相对变化较小,管内离心强度显著增高的同时保留了主要的分离结构。而且柱段流体,尤其是远离进口一侧的流体旋转更为充分,轴向速度双峰结构也更为明显。从上述角度来看,进口尺寸缩小后的流场分布情况更加有利于分离。但是,进口尺寸的缩小会加剧旋流管内的二次涡流运动,增大进口处射流的卷吸作用,使流场更加不稳定,从而对分离产生不利影响,因此分离粒度不可能随着进口尺寸的缩小无限制地降低。另外,进口尺寸缩小后,局部损失增大,且二次涡流运动加剧,导致旋流管的能耗会有一定的增加。