重介质旋流器流场的数值模拟

摘 要：利用计算流体力学分析的软件对重介质旋流器的内部流场进行研究和分析。通过对切向和轴向速度分量、压力分布特性和流量进行模拟、分析，为进行小直径重介质旋流器的试验研究作了有益的尝试。

关键词：旋流器；模型；数值模拟；流场

中图分类号：TD455+.7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）11-0064-01

重介质旋流器的几何结构对分选性能的影响很大，几何结构参数的优化可有效提高重介质旋流器的分选效率。影响重介质旋流器分选性能的结构因素很多，但是，由于试验条件的限制和试验误差的存在，通过实际试验研究对旋流器结构尺寸进行优化，不但费用昂贵，而且费时、费力。辅助以理论分析、计算和流场模拟等方法来研究旋流器内部流体流动规律和结构尺寸变化对分离性能和压力特性的影响等，可以极大地缩短研究周期和试验费用，并获取更完整的重介质旋流器内部的流动状态和其他相关信息。

1 数值模拟前期条件

1.1 模拟软件

目前，全世界大约有30多种计算流体学分析的商业软件包，国内常用的有FLUENT、CFX、ANSYS软件等。在工程模拟中，较常用的是FLUENT软件。本文采用FLUENT6.3软件对旋流器内流场进行模拟。

1.2 湍流模型选型

国内对旋流器的数值模拟研究主要集中在K-ε模型的研究上，它分为标准K-ε模型、RNGK-ε模型和RSM模型。综合之前的研究情况，本文采用大漩涡模拟（LES）。

2 数值模拟结果及分析

2.1 切向速度分量

在旋流器内任取3个截面，模拟结果为：切向速度由内向外先迅速增大，然后又减小。在切向速度分布中出现了双峰现象，切向速度的双涡结构体现出了旋流器内部流场是由内部准强制涡与外部准自由涡组成的组合涡。切向速度方向的一致性证明了旋流器内外螺旋的方向是一致的。以最大速度点为界，速度场分为内旋流区和外旋流区两部分。虽然该模型大致模拟出了这种结构，但是却夸大了准强制涡的范围，而且各个截面上的最大切向速度值点所在的位置不一致。出现这种结果的主要原因是网格的划分，这与所采用的湍流模型本身也有直接关系。旋流器的切向速度分布呈现出典型的Rankine组合涡形态。

2.2 轴向速度分量

在旋流器内任取3个截面，3个截面均是靠锥段上部区域。从模拟结果中可以看出，轴向速度在接近旋流器器壁处方向向下，沿着朝向旋流器轴心方向逐渐减小。速度曲线通过零位后改变方向，开始上升，数值逐渐增大。另外，需特别注意的是，

在零轴速包络面（LZVV）附近有一个低速区，这是因为有闭环涡流存在。这个区域内的固相颗粒只能沿径向向中心运动进入内旋流，而不能运动到旋流器锥部下方被分离。这说明，此区是个“低效区”，进入其中的固相颗粒难以被分离，除非在上升到旋流器上部柱段时，它又能靠离心力进入待分离悬浮流进行再次分离。但这些有待于作进一步的研究，只有研究后才能知道这个“低效区”能否被取消或减小。

2.3 流量比较

根据前面的试验实测值，取入料口速度为4.5 m/s，使用FLUENT软件进行单相模拟数值计算，结果详.其中，在实测值中，入料口速度是通过流量和入料口面积计算所得，模拟值中入料口速度为设置值。

在相同的结构参数下，清水运行结果、带介运行结果和模拟值之间都存在不小的差异。这是由于在数值模拟过程中各种科学假设和试验误差造成的。所以，在对旋流器定量研究中，一方面需要更为精确地检测设备和方法，以减小试验误差，并得到更为真实的模拟设置值；另一方面，在数值模拟中，有待使用更加合理的科学假说和更精确的流态模型来进行运算。

3 结论

应用FLUENT软件对小直径重介质旋流器的内部流场、压力场进行数值模拟计算。通过数值模拟发现，大漩涡模拟（LES）模型完全可以实现对旋流器流场的精确模拟。尽管目前数值模拟只能大体反映流场的某些情况，且部分计算值还存在相当大的偏差，但是，对旋流器性能的研究还是要通过试验获得相关信息的。计算流体力学的数值模拟为旋流器的研究、发展开辟了一条让人无限憧憬的路。随着计算机技术的进步和对旋流器流场、流体的流变特性的深入研究，数值模拟必将为旋流器的研究作出巨大的贡献。

〔编辑：白洁〕