锥形进料体旋流器的数值模拟及实验研究

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传统旋流器由于存在短路流,不可避免地造成溢流跑粗、底流夹细等问题,直接影响旋流器的分离精度。造成这一问题的原因与旋流器进料体结构有直接关系,因此本文提出将传统圆柱形进料体改为锥形进料体结构。采用数值模拟结合粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)对其流场分布及分离性能进行了详细研究。本研究对探明消除短路流机理、丰富旋流分离理论及实现其结构优化设计有一定的理论意义和工程应用价值。  本文将旋流器的传统柱形进料体改为渐扩及渐缩两种锥形结构形式,为了分析改进后的两种进料体结构对分离性能的影响,设计了Φ40mm渐扩、渐缩及柱形进料体旋流器,对其进行三维建模,通过计算流体力学(CFD)的方法,利用ICEM进行网格划分,采用雷诺应力湍流模型(RSM)及多相流混合模型(Mixture)对三种旋流器进行数值模拟,对比分析得到三种结构旋流器的压力场、速度场以及分离性能。  为了验证数值模拟的正确性,本文采用数值模拟与实验室实测进行对比分析的方法。设计加工了Φ40mm渐扩进料体旋流器玻璃模型,并搭建用于PIV测试的试验平台,利用高速摄像机对其内部流场进行了拍摄,得到了速度分布,测试结果与数值模拟结果吻合良好。通过实测得到旋流器内部空气柱的形成过程、时间及稳定形态,与模拟计算结果一致。  为进一步探讨进料体锥度对旋流器流场结构的影响,分别对渐扩和渐缩旋流器进行了数值模拟。结果表明,对于渐扩进料体旋流器,流体的静压力、切向速度以及外旋流中的轴向速度均随着进料体锥度的增加而增大,其离心力场逐渐增强,进料体锥度为10°时旋流器分离精度最高,效果最好;对于渐缩进料体旋流器,随着进料体锥度的增加,其压力以及切向速度均有所提升,其轴向速度仅在内旋流靠近空气柱附近提升较大,但进料体锥度30°后,增大趋势减缓。  在模拟计算过程中发现,固相颗粒在进料体内分离趋势明显,因此适当地增加进料体高度有利于增大分离空间。为进一步探究进料体高度对旋流器的分离特性的影响,对不同进料体高度的旋流器进行分离性能试验。结果表明,随着进料体高度的增大,旋流器的分级效率和生产能力有明显提高。考虑进料体高度对生产能力的影响,根据实验数据对传统波瓦罗夫生产能力计算公式进行修正。
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