三锥旋流器分选效果对比研究_李一帆.pdf

三锥旋流器分选效果对比研究李一帆，庞有智（晋能控股煤业集团大地选煤工程有限责任公司，山西大同037000）摘要：为了对比分析三锥旋流器和单锥旋流器分选效果，以三锥旋流器为研究对象，采用 CFD 数值模拟方法对两种旋流器颗粒行为及分选效果进行对比研究，发现单锥旋流器和三锥旋流器内部应力分布类似，但在切向及轴向速度方面存在一定的差异，三锥旋流器最大切向速度与最小切向速度的差值较大，分选的离心力较大；三锥旋流器的轴向速度明显大于单锥旋流器，有利于分选物料的排出；相同时间内三锥旋流器处理量更大。综合而言，三锥旋流器的分选效率更佳。关键词：三锥旋流器单锥旋流器数值模拟切向速度应力分布轴向速度中图分类号：TD942.7文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0038-02引言水力旋流器是选煤厂常见设备，其根据分析材料粒度或密度进行离心分离，从而达到混合料的分选目的。由于离心力场的加速度远大于重力场，所以旋流器分离效果要远大于普通设备。三锥旋流器作为粗煤泥分选设备，分选效果较佳，但目前较少有对单锥旋流器与三锥旋流器的分选效果进行对比分析的研究1，因此本文在前人研究的基础上，以三锥旋流器为研究对象，采用 CFD 数值模拟方法对两种旋流器颗粒行为及分选效果进行对比研究，同时给出三锥旋流器分选机理，为粗泥煤的分选提供一定的参考。1模型建立三锥旋流器是一种新型高效的粗煤泥分选设备，其发展主要是基于传统的水介旋流器研制而成，三锥旋流器主要由入料管、锥体、筒体、底流口、溢流管组成，其与传统水介旋流器的不同主要集中于锥体部分，三锥旋流器锥体分为三段，三段中锥面与锥角均不同。三锥旋流器结构较为简单，维护较为容易，同时由于拥有三段锥角结构，能够实现多次分选，能够有效提高分选效率及精度。CFD 模型主要可分为如下阶段：模型建立、网格划分、揣流模型选型、设置边界条件、设定模型初始条件，最后求解。首先利用 CAD制图软件进行模型的初步建立，通过外接软件将 CAD 汇总的模型导入 De-signModeler 完成几何模型的建立。为了方便研究，对模型进行简化，只显示旋流器内部流场空间，三维锥旋流器直径设定为 1100 mm，同时建立直径 100 mm的单锥旋流器进行对比分析，其他结构相同。对模型进行网格划分，网格质量和数量对整体的计算有着较大的影响，因此合适的尺寸以及网格形式十分重要。本文选用结构网格，利用 Meshing 软件进行划分，网格尺寸为六面体结构，对分析重点区域锥体进行加密处理。对初始条件和边界条件进行设置，根据旋流器的特点，边界设定如下：入口设为 velocity-inlet，入料成分为颗粒和水相混合，溢流口和底流口均设为pressure-outlet，相对压力设为 0，回流系数设为 1。壁面无滑移，压力、速度、湍流强度根据具体情况设定完成。2不同径向、切向速度及入口流量对分选效果的影响分析为了便于后续的分析，在旋流器锥体、筒体部分和交接面选取 5 处横截面作为特征线，5 条特征线直径分别为 100 mm、100 mm、80 mm、50 mm 和 30 mm，对比分析单锥旋流器和三锥旋流器内部应力分布情况，应力云图如图 1 所示。可以看出，单锥旋流器和三锥旋流器内部应力分布几乎类似，在径向上应力分布呈现对称趋势，对称轴为轴向中线，同时观察应力值可以发现，旋流器内部的应力最大值在孔壁位置，单锥旋流器的应力最大值为 0.131 MPa，而三锥旋流器的应力最大值为 0.133 MPa，应力最大值差距不大。随着距离内部中心线的距离逐步减小，整体压力呈逐步降低趋势，直至轴心位置形成负压区，负压区整体贯通，形成空气柱，在轴向上各特征线分布情况与中轴收稿日期：2022-05-17作者简介：李一帆（1994），男，山西大同人，本科，助理工程师；庞有智（1993），男，山西大同人，本科，助理工程师。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.0141-1三锥旋流器1-2单锥旋流器图 1单锥旋流器和三锥旋流器内部应力分布云图1.81051.61051.41051.01050.81050.61050.41050.21050-0.2105-0.4105-0.6105-0.8105Pa1.21051.01050.81050.61050.41050-0.2105-0.4105-0.6105Pa试验研究2023 年第 2 期线平行，相同半径位置压力相差不大，未出现收缩现象。对单锥旋流器和三锥旋流器内部切向速度情况进行对比，汇总形成切向速度对比曲线如图 2 所示。除了在中心点 10 mm 的半径范围内及距离中心 25mm 的位置存在一定的切向速度差值，其余位置切向速度并无明显区别，在中心点位置的切向速度分别为各自旋流器的最小值，但三锥旋流器的切向速度最小值小于单锥旋流器，三锥旋流器的切向速度最大值大于单锥旋流器。所以三锥旋流器最大切向速度与最小切向速度的差值较大，其分选的离心力较大，分选效果较佳。对单锥旋流器和三锥旋流器内部轴向速度情况进行对比，汇总形成轴向速度对比曲线如图 3 所示。轴向速度变化趋势均呈现距离中心越远轴向速度越小的趋势，在旋流器中心位置的轴向速度差距较大，三锥旋流器的轴向速度明显大于单锥旋流器，所以三锥旋流器更有利于分选物料的排出，相同时间内三锥旋流器处理量更大，分选效率越高。入口流量对分选效果有一定影响。为了研究入口流量对内部流场的影响，对不同入口流量下三维旋流器内部分选效果进行对比如图 4 所示。当入口流量设为 5 m3/h、6 m3/h、7 m3/h、8 m3/h、9 m3/h、10 m3/h 时，入口流量增大，分离效率普遍先升高后降低。入口流量较小时，此时旋流场未形成，分选颗粒直接从顶部的溢流口流出，分离效率低。随着流量增大，旋流器内离心力增大，从而提高了旋流器效率。3结论1）单锥旋流器和三锥旋流器内部应力分布类似，轴向应力分布呈对称趋势，对称轴为轴向中线。2）三锥旋流器最大切向速度与最小切向速度的差值较大，所以其分选的离心力较大，分选效果较佳。3）三锥旋流器的轴向速度明显大于单锥旋流器，有利于分选物料的排出，相同时间内三锥旋流器处理量更大，分选效率更高。参考文献1赵辉.三锥角水介质旋流器 CFD模型建构下分选参数对流场影响的探究J.冶金管理，2019（13）：65-66；68.（编辑：贾娟）图 2切向速度对比曲线图 4不同入口流量下旋流器内部分离效果对比10090807060504030205678910流量/（m3 h-1）分离效率/%5 m10 m15 m20 m30 m50 m40 m121086420-2切向速度/（m s-1）-30-20-101020300位置/mm单锥旋流器三锥旋流器图 3轴向速度对比曲线1086420-2-50-40-30-20-1010203040500位置/mm轴向速度/（m s-1）单锥旋流器三锥旋流器Comparative Study on Separation Effect of Three Cone CycloneLi Yifan,Pang Youzhi（Dadi Coal Processing Engineering Co.,Ltd.,Jinneng Holding Coal Group,Datong Shanxi 037000）Abstract:In order to compare and analyze the separation effects of three cone hydrocyclone and single cone hydrocyclone,this paper takesthree cone hydrocyclone as the research object,and uses CFD numerical simulation method to compare the particle behavior and separationeffects of the two hydrocyclones.It is found that the internal stress distribution of single cone hydrocyclone and three cone hydrocyclone isalmost similar,but there are some differences in tangential and axial velocity.The difference between the maximum tangential velocity andthe minimum tangential velocity of the three cone hydrocyclone is large,and the centrifugal force of separation is large.The axial velocity ofthe three cone hydrocyclone is significantly greater than that of the single cone hydrocyclone,which is conducive to the discharge ofseparation materials.At the same time,the processing capacity of the three cone hydrocyclone is greater,so in general,the separationefficiency of the three cone hydrocyclone is better.Key words:three vertebral cyclones;single cone cyclones;numerical simulation;tangential velocity;stress distribution;axial velocity李一帆，等：三锥旋流器分选效果对比研究39