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。     

中心锥对水力旋流器性能影响

利用FLUENT软件对内部增加中心锥的水力旋流器和内部增加中心柱的水力旋流器进行电石渣浆液流场的数值模拟仿真,对两种水力旋流器的压力分布、切向速度、湍流强度、速度矢量进行对比分析。通过试验验证,同等操作条件下,中心锥型水力旋流器和中心柱型水力旋流器的分离效率分别为85.04%、78.31%,溢流中Ca(OH)2浓度分别为90.07%、78.60%。仿真和试验结果表明:内部增加中心锥结构有利于提高水力旋流器的分离精度和分离效率。     

溢流管直径对旋流器流场和分离影响研究

利用RSM雷诺应力模型和VOF多相流模型,系统考察了溢流管直径对Φ50 mm水力旋流器流场稳定性的影响。通过对空气柱、零速包络面、短路流及湍流强度等流场特性的分析,确定了使流场稳定的最佳溢流管直径范围,并通过旋流分离物理试验进一步验证了该溢流管直径条件下获得的稳定流场能有效提高分离效率。研究结果表明,当溢流管直径过小时,空气柱会发生中断甚至不能完整形成,分选空间内部湍流强度较高,底流分流比较大,短路流量较小。随着溢流管直径的增加,逐渐形成上下贯通的空气柱,分选空间内部湍流强度降低,零速包络面的对称性增强,底流分流比逐渐降低,流场稳定性增强,从而分离性能增强。随着溢流管直径进一步增加,空气柱直径增大,短路流量增加,流场稳定性降低,从而分离效率下降。因此,针对所考察的Φ50 mm水力旋流器最佳的溢流管直径在0.30 D左右。      

中心曲面锥型旋流器分离性能的数值模拟

针对普通旋流器所存在的溢流跑粗问题,提出一种带有中心曲面锥的水力旋流器,利用中心曲面锥结构引导内旋流中一部分粗颗粒到外旋流重新参与分离,减少溢流跑粗。通过数值模拟对比分析了中心锥型旋流器和中心曲面锥型旋流器的流场特性和分离性能。对比结果表明,将中心锥改进为中心曲面锥后,中心锥体附近流体的径向速度增大,进一步强化了内旋流中粗颗粒向外旋流的运动,减小了粗颗粒进入溢流的概率;切向速度变大,有利于颗粒的离心分离;轴向速度减小,颗粒分离时间延长,分离更充分;湍动能减小,流场更加稳定。模拟结果显示,与中心锥型旋流器相比,中心曲面锥型旋流器溢流中≥35 μm 颗粒含量相对减小 11.08%,≥35 μm 颗粒的分级效率提高了 4.04 个百分点。     

中心曲面锥型旋流器分离性能的数值模拟

针对普通旋流器所存在的溢流跑粗问题,提出一种带有中心曲面锥的水力旋流器,利用中心曲面锥结构引导内旋流中一部分粗颗粒到外旋流重新参与分离,减少溢流跑粗。通过数值模拟对比分析了中心锥型旋流器和中心曲面锥型旋流器的流场特性和分离性能。对比结果表明,将中心锥改进为中心曲面锥后,中心锥体附近流体的径向速度增大,进一步强化了内旋流中粗颗粒向外旋流的运动,减小了粗颗粒进入溢流的概率;切向速度变大,有利于颗粒的离心分离;轴向速度减小,颗粒分离时间延长,分离更充分;湍动能减小,流场更加稳定。模拟结果显示,与中心锥型旋流器相比,中心曲面锥型旋流器溢流中≥35 μm 颗粒含量相对减小 11.08%,≥35 μm 颗粒的分级效率提高了 4.04 个百分点。     

结构参数对水力旋流器分离性能的影响

采用雷诺应力模型对水力旋流器内水相流场进行了数值模拟,在此基础上利用颗粒随机轨道模型模拟泥沙颗粒相,在模型中考虑了颗粒由于湍流脉动而引起的扩散。并讨论了水力旋流器溢流管、底流管、筒体和锥角等结构参数对颗粒分离效率和压力降的影响。计算结果表明,不同结构参数的水力旋流器的颗粒分离效率和压力降有较大差别,在实际应用中,应根据不同要求选择合适参数的水力旋流器。     

锥体结构对水力旋流器内流场及分离性能的影响

使用FLUENT软件对不同锥体结构的水力旋流器进行了清水流场及颗粒分离性能的模拟。在相同处理能力条件下,对于单锥结构的旋流器,增大锥角,旋流器内的压力降和最大切向速度增大。相比常用于细粒分级的长锥旋流器,上部采用大锥角、下部采用小锥角的变锥角旋流器具有更高的最大切向速度和更稳定的轴向及径向流速分布。空气柱直径随着切向速度的增大而变大。对不同粒径固体颗粒相分离的模拟结果显示,变锥角旋流器的分离粒度小于同直径的长锥旋流器。     

充气式平底旋流器分离性能试验研究

针对煤泥分选工艺中旋流器分离存在的底流夹细问题,本文提出了一种平底充气式旋流器,依靠气体的冲散以及携带能力,强化底流口附近高浓度颗粒群的松散效果,促使夹杂在其中的细颗粒重新返回内旋流,强化分离过程。本文采用理论分析和试验验证相结合的方法,探究了充气式旋流器的内部流场及分离特性规律,研究结果表明切向充气有助于降低底流夹细量,提高旋流器的分离性能,该研究结果具有较为重要的理论意义和工程应用价值。     

铜山口铜矿水力旋流器数值优化试验研究

为提高大冶有色铜山口铜矿选矿厂FX500水力旋流器的分级精度、降低底流夹细量,通过数值模拟方法系统考察了旋流器结构参数和操作参数对旋流器分离性能的影响,结果表明：①适当增加入口流速、降低给矿浓度,可从整体上降低底流夹细量和溢流跑粗量;②适当增大柱段高度和小锥锥角,可进一步降低底流夹细量;③适当增大沉砂口上锥角角度,对底流中的微细粒级有洗涤作用,能进一步降低底流夹细量;④现场对比试验证实,旋流器结构优化后底流-75 μm粒级夹细率下降了1.78个百分点。研究结果为铜山口铜矿水力旋流器的优化与改造提供了技术支撑。     

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。     

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.     

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.     

Flow conditions in the air core of the hydrocyclone

The geometry and movement of the air core are sensitive indicators of the operational state of hydrocyclones. Therefore, an increased knowledge of the air core behaviour is desirable.Measurements of the air-core diameter in transparent hydrocyclones operated with a suspension of glass spheres are presented. The experiments indicate the dependencies between feed-solids content, air-core diameter, and spray angle of the underflow.Additionally, the air flow inside the air core in a transparent 50 mm water cyclone was experimentally investigated. Visualization techniques show the whirling motion of the air-core flow that is driven by the rotating liquid boundary of the air core. The radial distribution of the tangential air velocity was determined. The mean axial air velocity was shown to be dependent on the pressure drop and the hydrocyclone geometry. At the overflow discharge the air core is dispersed, and forms an aero suspension.Thus, the paper presents new aspects of the complex multi-phase flow in the hydrocyclone considering the gaseous phase.     

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。     

旋流器内部流场的数值模拟方法研究

旋流器以其操作简单,运行成本低,物理尺寸小等优点广泛应用于化工分离行业。其内部流场情况对其分离精度及分离效率起着关键作用,准确模拟该流场具有重要意义。流场变量梯度高、旋流特征强,尤其中心空气柱的存在增加了其数值模拟的不确定性。借助CFD(Computational Fluid Dynamics)软件,对75 mm经典旋流器系统地进行了气-液两相流非稳态数值模拟,研究了湍流模型,压力-速度耦合方式以及离散格式对旋流器内部流场计算结果的影响,并将其空气柱直径、切向速度以及轴向速度进行对比。结果表明:RSM(Reynolds Stress Model)湍流模型可以较为准确地预测旋流器流场,仅在空气柱附近区域预测的速度值偏低。RNG k-ε(RNG k-epsilon)、Realizable k-ε(Realizable k-epsilon)以及Standard k-ε(Standard k-epsilon)湍流模型预测的该流场与实际流场存在较大差异。其中,RNG k-ε模型误差较Realizable k-ε以及Standard k-ε模型稍低;QUICK与Second Order Upwind离散格式在预测旋流器内部流场时差别不大。Third-order MUSCL,Power Law以及First Order Upwind离散格式没有求解出流场中完整的空气柱;SIMPLE,PISO及Coupled三种压力-速度耦合方式对计算结果的影响不大,相比较而言SIMPLE算法为较适合计算旋流器流场的压力-速度耦合方式。Coupled较其他2种算法在溢流管段预测的空气柱直径偏大,速度偏小,部分锥段空气柱直径偏小,速度偏大。     

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。