液—固水力旋流器兩相流動(dòng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展

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1、液—固水力旋流器兩相流動(dòng)數(shù)值模擬研究進(jìn)展液—固水力旋流器廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如石油化工、選礦、造紙、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)和食品等。近年來，隨著各工業(yè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對液固分離技術(shù)與裝備提出了新的挑戰(zhàn)和更高的要求同時(shí)，為了適應(yīng)當(dāng)今不斷高漲的降低能耗的要求，目前迫切需要開發(fā)出高分離速度、高脫水度、高分離精度的高性能液—固分離技術(shù)然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，單純通過實(shí)驗(yàn)來研究旋流器的性能不僅周期長而且費(fèi)用高，如果輔助以理論分析計(jì)算和流場模擬等方法來研究旋流器內(nèi)部流體流動(dòng)規(guī)律，以及結(jié)構(gòu)尺寸變化對分離性能和壓力特

2、性的影響等，則可縮短研究周期和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，具有重要的理論研究和工程應(yīng)用價(jià)值。液—固水力旋流器結(jié)構(gòu)及工作原理圖1所示為典型的液—固旋流器，主要由進(jìn)料口、溢流口、底流口和器壁組成。其工作原理為，當(dāng)液體高速旋轉(zhuǎn)受離心力作用時(shí)，輕相向軸心遷移，從溢流口排出，重相向壁面運(yùn)動(dòng)，由底流口排出，從而實(shí)現(xiàn)輕相(液)和重相(固)分離的目的。圖1典型液—固旋流器兩相流場數(shù)值模擬研究進(jìn)展液—固水力旋流器中液固分離的問題在數(shù)值模擬中定義為液體和固體不相容的兩相流問題。由于液固兩相之間的相互作用和每一相的運(yùn)動(dòng)，傳熱傳質(zhì)和反應(yīng)等的

3、影響，顆粒相的模擬基本分為兩類：一類是Euler方法，該方法除將流體作為連續(xù)介質(zhì)外，把顆粒群也作為擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體，設(shè)其在空間有連續(xù)的速度和溫度分布及等價(jià)的輸運(yùn)性質(zhì)(粘性擴(kuò)散導(dǎo)熱等)；另一類是Lagrange方法，該方法把流體作為連續(xù)介質(zhì)，而將顆粒群看作離散體系，并以此來探討顆粒動(dòng)力學(xué)顆粒軌道等基于這兩種方法，研究者采用了不同的模型對旋流器內(nèi)的兩相分離過程進(jìn)行了模擬研究。KTHsien和RKRajamani(1991)根據(jù)顆粒的受力平衡，用代數(shù)逼近法求出固體顆粒的滑移速度和軌跡，PHe，MSalc

4、udean和ISGartshore(1997)分別用二維和三維模型計(jì)算了旋流器的分離效率。李建明等(1999)采用κ-ε湍流模型對旋流器內(nèi)三維流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，由于旋流器內(nèi)粘性流場的各向異性，對模型中的參數(shù)進(jìn)行了修正，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。歐益宏等(2005)選用混合模型對柱形水力旋流器的多相流流場和隨時(shí)間變化的分離機(jī)理進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對兩相流體的切向速度軸向速度徑向速度不同時(shí)間的體積分布進(jìn)行模擬，研究成果為前人試驗(yàn)和理論總結(jié)提供了有力的理論支持。王衛(wèi)國等(2006)采用混合模型把每相當(dāng)成

5、單相流處理，不考慮相間作用，流體允許相互貫穿，采用滑移速度的概念，允許相間以不同的速度運(yùn)動(dòng)，并用雷諾應(yīng)力模型描述湍流，對圓柱旋流器的多相流流場和隨時(shí)間變化的分離機(jī)理進(jìn)行三維數(shù)值模擬其數(shù)值計(jì)算結(jié)果為前人的試驗(yàn)和理論總結(jié)提供了有力的支持王志斌等(2006)在考慮液相與固體顆粒之間相互作用的條件下，對液相采用雷諾應(yīng)力模型，固體顆粒采用隨機(jī)軌道模型成功模擬出固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，形象地反映出固體顆粒在旋流器中的分離過程吳春篤等(2006)采用帶旋流修正的κ-ε模型，離散相顆粒采用DPM模型，通過數(shù)值模擬得到旋

6、流器內(nèi)部三維流場的動(dòng)靜壓力分布及切向、軸向和徑向速度場分布云圖，在此基礎(chǔ)上提出旋流器的部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)。劉剛(2006)在其論文中對液固旋流器的單相和兩相流動(dòng)與分離機(jī)理進(jìn)行了深入探索在前人旋流器結(jié)構(gòu)篩選的基礎(chǔ)上，采用六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格、RSM模型、離散相和混合相模型對液固旋流器的流場進(jìn)行研究分析，通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)來分析旋流器的分離性能隨著各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明了理論計(jì)算的可靠性和適用性，從理論上為深入研究旋流器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了新的途徑馬文兵(2005)針對

7、旋流器內(nèi)復(fù)雜的液固兩相湍流運(yùn)動(dòng)問題，采用了RNGκ-ε模型和雷諾應(yīng)力模型，利用貼體網(wǎng)格與分塊網(wǎng)格技術(shù)，對旋流器內(nèi)液相流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，結(jié)果表明雷諾應(yīng)力模型比RNGκ-ε模型更準(zhǔn)確地描述了旋流器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)液固兩相流的模擬是在液相流場計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用DPM模型和涉及湍流擴(kuò)散影響的隨機(jī)軌道模型，同時(shí)在湍流模型中加入了顆粒影響的源相，總結(jié)了不同直徑的顆粒在不同入口位置進(jìn)入旋流器后的運(yùn)動(dòng)軌跡和顆粒分離效率徐會(huì)(2007)旋流器內(nèi)部復(fù)雜的兩相湍流運(yùn)動(dòng)，采用了雷諾

8、應(yīng)力模型，對水力旋流器的多相流流場和隨時(shí)間變化的分離機(jī)理進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到了旋流器內(nèi)不同截面的壓力速度分布和不同時(shí)間的濃度分布狀況。董勇等(2009)多相的分離、間密度比接近于1的κ-ε湍流模型對混合物進(jìn)行分離，利用混合物的特性和混合速度捕捉湍流的重要特性采用混合模型，考慮兩相間因速度不同引起的滑移算法上，壓力與速度之間的耦合采用SIMPLE法。通過對邊界條件的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算得到了固相流體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律、旋流器轉(zhuǎn)速對分離效率的影響及固體顆粒大小對分離的影響，從模擬結(jié)