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1、87 旋流器流场模拟及特性分析旋流器流场模拟及特性分析 江苏科技大学船舶与海洋工程学院 江苏 镇江 212003 王 军 陈宁 摘摘 要要 旋流器内的流场对分离性能有很大的影响，由于受到各种因素的制约，各使用条件下的旋流器内部流场不可能完全由试验的方式来确定，因此采用数值模拟不失为一种有效的方法，本文采雷诺应力模型（RSM）和 SIMPLEC 算法，对水力旋流器内部流场进行了数值模拟计算，根据计算结果对旋流器内三维速度分布提出了一些认识，并分析了旋流器内出现速度及压力分布情况以及对分离效率的影响；此外，分析结果显示除了进出口区域外，在分离主体部分的流场也存在着不对称性和不稳定性，这种不对称性和
2、不稳定性受进口速度、进口结构布置以及旋流器锥角的影响，以上的这些特性对进一步提高旋流器的分离效率提供了一些依据。 关键词关键词：水力旋流器 雷诺应力模型 数值模拟 流场特征 0 0 引言引言 水力旋流器已广泛应用于矿山、石油、化工、医药、环保等行业的分离、分级和分选，从其发展至今许多专家学者对其流场、分离性能以及结构对分离性能的影响等方面进行了深入的研究，得出了一些有益的结论。从前人的研究中可以看出流场对分离性能有很大的影响，而旋流器结构又影响着流场，过去的研究主要是针对某一具体结构采用实测与理论分析相结合的方法确定流场特征，但各种不同结构的旋流器其流场存在着一定的差别，由于受各种因素制约，不
3、可能对各种结构和尺寸的旋流器全部进行实测来找出流场特性。为了探明各种结构、各种不同操作条件的旋流器流场，利用计算机模拟研究十分有效。随着计算机的广泛应用以及计算机容量的增大，仿真模拟流动具有很高的准确度和可靠性，近年来利用计算机对各种分离设备、输送设备、反应设备等的内部情况进行数值模拟成为可能，且模拟结果与实测数据吻合较好。因此作者采用预测精度较高的雷诺应力模型对旋流器的流场进行模拟，根据模拟结果在旋流器内的流场以及分离主体部分的速度分布等方面获得了一些新的认识，据此进行一些探讨，为进一步全面认识旋流器流场特性和重新认识分离机理提供依据。 1 1 湍流数学模型湍流数学模型 旋流器模拟计算目前所
4、用数学模型有 Prandtl 混合长度模型、两方程模型、大尺度涡流模型、代数应力模型、雷诺应力模型等，但研究表明旋流器内强旋流场的湍流粘性系数是各向异性的，用诸如标准的 k- 等模型无法准确描述旋流器流场，因此必须选用更高级的湍流模型，如雷诺应力模型和代数应力模型，Grady 在对 10mm 旋流器分级效率的模拟计算中采用 Reynolds 应力模型模拟获得了令人满意的结果，Yang 也在水净化所用旋流器的模拟计算中采用 Reynolds 改进的 k- 模型得到了与实验一致的结果，可见 Reynolds 应力模型有很高的预测精度，但 Grady、Yang 等人主要是针对旋流器的分离性能研究，在
5、此作者采用具有较高预测精度的 Reynolds 应力模型对旋流器流场进行研究，以期探明其特征。 水力旋流器的流体介质是水，因此描述其运动的数学基础是连续性方程和 Navier-stokes 运动方程，对不可压缩介质的连续性方程和运动方程如下： 0ii xU88 iji ijjijiji jiguuxUxU xxP xU tU )()( 式中，A 为系数；iU为时均速度；ig为重力加速度分量；k为湍动能；p为压力；t为时间；u为脉动速度；ix为笛卡尔坐标分量；为密度；为湍动能 ；为粘度；t为湍动粘度；it为 Kronecker 符号。 2 2 物理模型结构及数值物理模型结构及数值 物理模型采用
6、Riatema 研究的比例结构以及李建明、郭荣等人的旋流器结构进行过模拟计算，图 1 为采用 Riatema 结构的结构示意图。 流场入口速度可由质量守衡条件给出，即 24 diQwin in,diDQvin in,0inu , k的入口条件可以取成：)5 . 0(,0144. 0232 Dkwkininin。 出口给出局部单向条件，即各函数轴向梯度为零，即 0 xu,0 xv,0 xw,0 xk,0 x壁面认为不可渗漏，无滑移条件，并利用壁面函数方程来计算剪应力、近壁处的湍动能和湍流扩散率。数值计算采用基于进口开始的有限差分方法，计算要点是建立混合非结构网格系统，采用生成网格。如图 2 是计
7、算网格划分结构，其划分为 255348 个区域，52389 个节点，求解采用 SIMPLEC 方法处理压力与速度的耦合。 3 3 结果与讨论结果与讨论 3.1 三维速度分布特征 旋流流场的切向速度和压强损失是考察旋流分离器性能的两个主要指标。切向速度是旋流分离器内三个分速度中最重要的一个，它决定被处理液体所受离心力的大小。切向速度越大，其分离性能就越好。压强损失，又称压强降，也是旋流分离器的重要技术指标。图 2 计算网格结构 图 1 结构示意图 89 由于流体的粘性，高速旋转的旋流流场中，流体与壁面之间以及流体质点之间都将因摩擦和湍动等而消耗能量，表现为压强损失(压强降)。从节能的角度讲，旋流
8、分离器的压强降应尽可能地小，以减少能量消耗。 图 3 是利用 CFD 方法得到的旋流器内部区域的切向速度分布情况，从图中看出切向速度在外旋流中的变化不大，大小虽呈波动变化趋势，但方向却没有改变；但在内旋流中切向速度的大小和方向变化却很大，这说明空气柱存在较大的偏摆而导致该现象的出现。 图 4 是利用 CFD 方法得到的旋流器柱锥交界区域和锥体中部区域的纵向速度分布情况，从图可以看出，尽管从器壁边缘到中心区域纵向速度随半径的减小而增大，但在轴向位置的不同方位上却出现了不规则变化，即出现了不对称分布，这说明在此区域出现了湍流二次涡流；二次涡流在径向的强湍流脉动导致流体径向速度大小和方向都发生脉动变
9、化，说明二次涡流存在的区域对分离有很大的影响。 从图 3 和图 4 的速度分布情况可以看出，旋流流场中的切向速度具有明显的兰金涡特征，轴线附近的切向速度梯度(径向梯度)很大，并且是明显的较大双向速度梯度(径向梯度)，靠近壁面速度逐渐下降。旋流流场中存在着沿轴向方向流动相反的两个区域，轴向速度从轴线向壁面方向，速度由负变正，轴向速度为零的各点组成的所谓零轴速包络面(线)，其倾斜方向与锥体的倾斜方向一致。该面内侧的流体向上流动，形成了内旋流;外侧的流体则向下流动，形成了外旋流。旋流流场中的径向速度很小，比切向速度和轴向速度小。受质量守恒(连续方程)的约束，轴向速度、径向速度和切向速度是相互关联的，
10、而径向速度远小于轴向速度和切向速度，轴向速度和切向速度的任何微小变化都会引起径向速度的很大变化，所以径向速度沿径向分布的数值模拟结果变化比较复杂。 3.2 径向压力分布及其流场特征 旋流器随机波动的流场影响着空气柱大小和它的稳定性，但这种不稳定性反过来又加剧了流场的湍动，从而导致分离效率下降；目前由于受到测试手段的限制，还无法用实测的方法准确地测定出空气柱内的流场情况，因此用数值模拟不失为一种有效的方法。 图 3 切向速度分布云图 图 4 纵向速度分布云图 图 6 纵向压力分布云图 图 7 横向压力分布云图 90 图 6、图 7 为旋流器内部压力分布情况，从图中可以看出，从图中压强沿径向分布可
11、以看出，纵向的压强梯度逐渐增加，(轴向梯度)区，轴线附近为正压强梯度旋流流场中存在着两个相反轴向梯度)，即沿轴向压强从而形成内旋流(沿流动方向压强逐渐降低，即沿轴向压强逐渐降低，从而形成外旋流低)。壁面附近为负压强梯度(沿流动方向压强逐渐降)。 4 4 结论结论 通过运用教高精度的雷诺应力模型对水力旋流器流场进行了模拟计算，根据计算结果对流场中的不对称三维速度分布以及内部流场等方面提出了一些认识，主要有以下几个方面： 1)除在进料口和底流口区域的流场存在不对称性外，在柱段和锥段的分离主体部分也存在不对称流场，不对称性流场强弱程度主要与进口速度、进口结构布置以及旋流器锥角有关，且不对称流场对径向
12、速度和轴向速度有很大的影响； 2)旋流流场具有明显的双涡结构，即轴线附近的强制涡和壁面附近的自由涡； 3)切向速度具有典型的兰金涡特征，轴线附近的切向速度梯度(径向梯度)很大，并且是明显的较大双向速度梯度(径向梯度)，靠近壁面速度逐渐下降； 4)入口流量的增加，使切向速度和轴向速度提高、压强降低;即入口流量的增加导致旋流分离场的增强，分离的推动力加大，但同时也使摩擦力加大，压强降增加。在入口流量一定时，随着溢流流量比的增加，溢流流量增加，内旋流速度变大，对轻质颗粒的分离和排出均有利;而此时外旋流的速度却基本保持不变，底流流量的减小可使底流重质颗粒的浓度增加 5)在柱锥交界区域存在速度“缓变区”
13、，这将使进入该区域的颗粒“悬浮”而富集，从而形成高浓度区，它严重地影响了旋流器的分离效率； 6)旋流器进料口的设置对流场存在很大影响，为了减少湍动提高分离效率可量采用对称设置的进料口结构。 参参 考考 文文 献献 1 Li Jianming. Numerical simulation of turbulence two-phase flow within hydrocyclone and their separation performance D. Chengdu:Sichuan Unit Univ.,1997.李建明.水力旋流器固液两相流湍流数值模拟及分离性能研究D.成都：四川联合大学，1997 2褚良银，陈文梅，戴光清，等水力旋流器M.北京：化学工业出版社，1998 3蒋明虎,李枫,赵立新等.水力旋流器径向压力场研究J .大庆石油学院学报,1999 ,23 (1) :60 - 62。 4王尊策,刘晓敏,李枫等. 液液水力旋流器入口结构参数对压力特性的研究J.流体机械,2003 ,31 (2) :16 - 19。 5马文兵.水力旋流器的流场模拟与控制研究. 硕士学位论文.辽宁：鞍山科技大学，2003. 6赵庆国.水力旋流器的开发与应用. 化学工业与工程，2000，17(3)，141-148。
