3无压给料三产品重介质旋流器流场的计算流体力学模拟刘峰.docx
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3无压给料三产品重介质旋流器流场的计算流体力学模拟刘峰
无压给料三产品重介质旋流器流场的计算流体力学模拟
刘峰钱爱军郭秀军
煤炭科学研究总院唐山分院
摘要:
简要介绍了重介质旋流器理论研究的现状,给出了CFD常用的三个基本方程和用于重介质旋流器流场数值模拟的湍流基本方程。
采用Fluent软件对无压给料三产品重介质旋流器流场进行了数值模拟,根据模拟结果,着重对双供介无压给料三产品重介质旋流器进行了结构参数和能耗的研究。
关键词:
重介质旋流器计算流体力学湍流模型数值模拟
1重介质旋流器理论研究的现状
为了从理论上对重介质旋流器选煤过程进行研究,进一步揭示重介质旋流器分选过程中结构参数对分选结果的影响,各国加强了对重介质旋流器分选过程的理论研究,取得了一定进展。
目前主要集中在以下几个方面:
(1)重介质旋流器分选过程的理论。
利用高速摄像、示踪粒子等手段,从理论上对重介质旋流器内速度场分布、离心力场分布、密度场、颗粒分选过程等进行分析,从理论上分析其分选原理和各参数的影响,提出了一些新的论点[1]。
(2)重介质旋流器的数学模型。
从纯理论难以得出适宜实用公式时,研究人员纷纷利用大量试验资料结合理论分析,试图从中找出其规律性,建立重介质旋流器的数学模型。
庞学诗、G.Tarjan、АЙПораров、D.A.Dahlstrom、L.R.Plitt、A.J.Lynch、R.a.Arterburn、楮良银等都系统地对重介质旋流器进行了研究,并提出了不同的数学模型,其研究成果为重介质旋流器分选过程的控制和产品预测提供了可靠依据[2~9]。
(3)重介质旋流器流场计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)数值模拟。
近年来,随着大容量高速计算机的广泛应用和(CFD)的发展,使人们对于各种与工程有关的湍流流动进行数值模拟成为现实[10~14]。
目前,研究流场的现实方法是实验研究和数值模拟,对于那些能够用合适的模型描述的流动问题,数值模拟的优越性往往大于实验研究[19]。
由于近年来计算机的计算能力迅速提高,运用计算机图形学及图像处理技术,形象直观地显示科学计算的中间结果及最终结果并进行交互处理,已经成为可能[15]。
因此,我们可以应用CFD技术对选煤用重介质旋流器流场进行计算机模拟,使研究结果可视化、直观化,为旋流器参数的优化提供坚实的技术基础。
M.S.Breanan、N.Lourens、J.Bosman和刘峰、钱爱军的工作已经向我们初步展示了应用CFD技术对选煤用重介质旋流器流场进行研究的诱人前景[16~20]。
采用Fluent软件研究选煤用重介质旋流器的结构参数和工艺参数的定量计算问题时,可免去对N-S方程的求解,读入一两个数据文件就可以实现对参数,边界条件的改变。
应用Fluent提供的CFD方法进行重介质旋流器流场模拟,可以使人们直观地“看”到重介质旋流器的工作过程,对矿物分选、分离等过程进行优化[21]。
2CFD基本方程
CFD有三个基本方程,即基于质量、动量和能量守恒的三个方程。
根据旋流器流动的特点,其在恒温定常体系中的质量和动量守恒方程为:
(1)
(2)
上式为层流的动量守恒方程即著名的Navier-Stokes方程(N-S方程)[22]。
旋流器内的流体运动可分为短路流、内旋流、外旋流、空气柱等形式。
显然,不同区域内流体的不同运动势必以不同方式影响固体颗粒,从而决定颗粒运动的区域特征。
大部分颗粒由于强烈的湍流混合作用而在分离区内散布开[23]。
对于湍流域,存在流体的无规湍流脉动,其动量守恒方程为:
(3)
增加的一项称为雷诺应力张量,其代表三个方向湍流脉动的相关函数。
为了使方程可解,除了传递过程,还必须添加湍流模型来处理雷诺应力项。
3湍流基本方程及湍流模型的选择
多年来随着人们对湍流不断深入的研究,提出改进的湍流模型都是基于N-S方程上的[23~25]。
在湍流流场中,任一点的速度可以表达成平均速度和脉动速度之和:
(4)
代入N—S动量基本方程,有
(5)
式中
就是所谓的雷诺应力,它是湍流流场中所必须考虑的附加应力。
对于雷诺应力,目前有如下一些模型:
k—ε模型、ASM(Algebraicstressmodel)模型、RSM(Reynoldsstressmodel)模型、RNG(ReNormalisationgroupmodel)模型等[25],下面分别简单介绍各种模型。
k—ε模型:
雷诺应力与平均应力之间的关系式为
(6)
湍流粘度
的分布可通过对湍流动能
方程及湍流动能耗散ε方程的求解而获得。
ASM模型:
假设雷诺应力的传输与湍流应力的传输成正比,把单个独立的应力方程数减少成各计算单元的代数关系式。
Boysan等人从输运方程中求解出2个雷诺应力,而从代数关系式中求解出其他应力[26]。
RSM模型:
它可计算各独立的雷诺应力分量。
RSM湍流模型为
(7)
式中:
—— 应力项
——源/汇项
、
——方程以柱坐标表达式的曲线项
——粘性耗散项
——旋转项
——湍流粘度
其中
;
;
RNG模型:
它也是一个二方程湍流模型,从原始的基本方程推导而来。
RNG模型是一个更一般、更基本的模型。
为了选择合适的湍流模型对旋流器流场进行数值模拟,在相同边界条件下对旋流器流场采用了k—ε、RNG、RSM三个模型进行试探性数值模拟,并与相同边界条件的试验测量结果进行比较。
从图1到图6的XY剖面的密度及压强分布模拟图可以看出,用k—ε和RNG模型对旋流器流场进行数值模拟得不到完整的空气柱,只有RSM模型可以得到完整的空气柱。
图7是旋流器内一个截面上的不同模型模拟出的切向速度曲线同采用LDV(激光多谱勒测速仪)测量数据相比较的曲线。
从曲线的拟合程度上可以看出RSM模型和试验测量结果拟合的较好。
图1采用k—ε模型模拟的XY密度剖面图2采用RNG模型模拟的XY密度剖面
图3采用RSM模型模拟的XY密度剖面图4采用k—ε模型模拟的XY压强剖面
图5采用RNG模型模拟的XY压强剖面图6采用RSM模型模拟的XY压强剖面
图7旋流器Ⅰ截面上切向速度采用不同模型的模拟结果与试验数据的比较
4双供介无压给料三产品重介质旋流器流场数值模拟结果
我们采用Fluent6.1对新研制的双供介无压给料三产品重介质旋流器流场进行了数值模拟。
双供介无压给料三产品重介质旋流器结构简图见图8。
图8双供介无压给料三产品重介质旋流器结构简图
由结构简图可见,该重介质旋流器是由DSM型和双供介DWP型旋流器串联而成,对该旋流器流场进行模拟,实质上是对DSM和双供介DWP型旋流器进行模拟。
4.1DSM重介质旋流器流场数值模拟
从旋流器的XY面的速度剖面图和LZVV包络面图(图9)中可以看出旋流器内的一个轴剖面的速度分布全貌和零轴速包络面的全貌。
图9旋流器XY面的速度剖面和LZVV包络面
在采用LDV对DSM旋流器内速度场测量时作了六个截面,位置分别为以旋流器的筒体同圆锥的相交面为基准面。
在基准面下方的垂直距离为27㎜、47㎜、67㎜、87㎜、107㎜、127㎜处分别平行截取六个面,由上到下依次标号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ截面。
4.1.1轴向速度
轴向速度数值模拟的数据与LDV测量数据比较见图10~图12。
由图可见,LDV测量数据和数值模拟数据基本吻合。
图10Ⅰ、Ⅱ截面轴向速度模拟值与LDV测量值的对比
图11Ⅲ、Ⅳ截面轴向速度模拟值与LDV测量值的对比
图12Ⅴ、Ⅵ截面轴向速度模拟值与LDV测量值的对比
4.1.2切向速度
数值模拟和LDV测量得到的切向速度见图13、图14、图15。
由图可见,除去靠近壁面的点拟合情况不太好外,其他点拟合得比较好。
图13Ⅰ、Ⅱ截面切向速度模拟值与LDV测量值的对比
图14Ⅲ、Ⅳ截面切向速度模拟值与LDV测量值的对比
图15Ⅴ、Ⅵ截面切向速度模拟值与LDV测量值的对比
4.1.3径向速度
径向速度分布在实验中没有测量,相关文献和前面的理论推导表明,旋流器径向分布为:
随着位置从器壁趋向轴心,径向速度逐渐增大,在空气柱边缘附近又急剧降低;锥段径向速度方向始终由器壁指向轴心;内旋流区的径向速度变化幅度比外旋流区的径向速度变化幅度大[30],如图16所示。
从图16可以看出数值模拟出的径向速度分布变化趋势同LDV测量数据的变化趋势是一致的。
图16LDV测出的径向速度与Ⅰ截面数值模拟径向速度
4.1.4模拟计算结果的初步分析
至此,我们对DSM型旋流器进行了数值模拟研究,并通过与实验测量数据比较的方法,研究了使用Fluent软件,选用RSM模型,对DSM型旋流器的流场进行数值模拟的可行性。
通过对旋流器的理论分析和CFD数值模拟,可以得出以下初步结论:
,
1)由速度分布图9可见,在旋流器内的流体运动沿着溢流管的外侧存在着一个向下的流动区域一直到溢流管的下端同溢流会合从溢流管流出。
这就导致了旋流器分选时有部分物料在进料口附近顺溢流管外壁下流,也就是沿溢流管外壁向下存在短路流,这使个别没有分层的物料还没进入分选区域就随着上升流由溢流管排出,造成溢流短路(跑粗)的现象。
同时还可以看出在旋流器内流体的运动沿着旋流器的内壁存在一个一直到底流口的下滑区,这个高梯度速度变化的下滑区的存在有利于重粗颗粒快速排出,但是轻细颗粒一旦进入这一区域也会随着排除,这就造成了一小部分轻细颗粒短路到底流。
从而降低了旋流器的分选效率。
并且底流短路的几率比溢流短路的几率大,因此在设计旋流器时应选用合适的结构参数来减小或消除这两种短路流的存在。
2)图10~图12表明,旋流器内的轴向速度从器壁越接近中心越高;速度由负变正,大约在旋流器半径的中部通过零点。
所有速度为零的个点形成了所谓零轴速包络面LZVV[28](图9)。
该面内部流体向上流动形成内旋流,而在外部的流体则向下往底部流动形成外旋流。
3)由图13~图15可见,旋流器内的切向速度总体的变化趋势是从内向外逐渐升高,在空气柱附近达到最大值,然后逐步下降到最低点。
这一变化趋势同理论分析中的强制涡和自由涡相对应,从而证明了旋流器内确实存在着这两种涡。
4)从图5可以看出,在旋流器内由于回流的作用,在旋流器中间形成一个负压区,由于这个负压区的存在把空气从底流口吸入从溢流口排出,从而形成了空气柱。
从图3的密度分布图可以看出,中间存在着一个密度为1.225(空气密度)的区域,这也证明了空气柱的存在。
图5显示的空气柱截面直径大约为溢流口直径的0.6倍,这也与实验测量到的空气柱直径相符。
4.2DWP重介质旋流器流场数值模拟
4.2.1模拟边界条件的选择和确定
旋流器的器壁处流体的速度设为0,考虑到实用性,把进料口设为边界条件,定为速度入口,底流口和溢流口设为两个压力出口。
(1)进口条件
(8)
(9)
(10)
式中:
──进料口的试验平均速度;
──进料流量;
──进料口当量直径;
──进料口湍流能;
──进料口湍流率。
(2)出口条件
重介旋流器的底流口和溢流口认为是充分发展流,可根据Fluent提供的方法进行估算,所用公式为:
(11)
(12)
(13)
式中:
──雷诺数;
──溢流口和底流口的试验平均速度,计算公式同入口;
D──溢流口和底流口的内直径(当量直径);
──水的运动粘性系数;
I──湍流强度;
──湍流长度;
L──管道的相对直径,对于充分发展流取L=D。
(3)壁面的处理
将旋流器壁面设为标准的固壁。
4.2.2数值模拟流程
数值模拟流程主要是以Fluent软件包为主的模拟流程。
Fluent软件包是由Gambit软件和Fluent软件两套组成的。
其主要分为两部分:
前处理部分(Gambit),主要进行物理建模、网格划分及边界条件设定等;模拟计算核心处理部分(Fluent)包含了各种边界的参数设定、数值分析计算、结果绘图和数据分析等。
(1)前处理部分
在进行数值分析前,首先要建立所要模拟的实体和网格,本文利用Gambit软件来建造物理模型并设定相关尺寸。
Gambit软件可以根据需要建立2D模型或3D模型,因为双供介DWP型旋流器为两个介质入口(一个大入介口,一个小入介口),计算得到的速度场在入口附近沿对称轴具有非对成性,因此在对双供介DWP型旋流器建模时应选用3D而不能用2D的进行模拟[11]。
在划分网格上,Fluent软件可以处理结构化网格和非结构化网格的能力,所以可以划分不同类型的网格。
因为网格的划分数目和精度直接影响分析计算各项数据的精度和计算所需时间,所以对物理模型的网格划分要进行合理的网格配置。
在网格划分完成之后,必须设定区域的属性和边界条件的形式,最后以.msh文件输出,这样就可以转到Fluent软件下处理了。
生成的网格物理模型见图17和图18。
(2)核心处理部分
对用Gambit软件生成的.msh文件在Fluent软件下要进行网格的检查及平滑化处理,随后进行边界条件、流体性质、收敛条件等设定,在完成数值模拟所需参数的设定之后就可以进行数值计算,数值计算结果存入.case和.data文件中。
在后处理方面,可利用Fluent软件自身系统的绘图和数据分析工具。
本文利用Fluent软件的有限体积法的技巧,将各方程式离散成可以数值计算的代数方程式,但是软件中解方程式有分离-隐式法和偶合-隐式法两大方法,因为分离法每次迭代的时间比偶合法短,因此本文的数值模拟采用了分离法来进行迭代计算。
在进行数值模拟时对代数方程的离散方法选用上,本文在进行大量的不同模拟和文献查阅后确定了以下离散方法:
压力相:
PRESTO!
法;
压力与速度之间的偶合:
SIMPLE法;
连续方程式:
QUICK法;
动量方程:
QUICK法;
能量方程:
QUICK法。
图17单入介DWP旋流器物理模型图18双入介DWP旋流器物理模型
按上述方法进行数值模拟,迭代的松弛因子为Fluent软件的默认值,如果数据是发散的,要重新调整网格和其他的设定参数,然后再进行数值模拟。
4.2.3数值模拟计算结果
对重介旋流器进行数值模拟主要是为了研究旋流器内的速度场、密度场的分布状况,从旋流器的速度剖面图(图19和图20),可以看到旋流器内的速度剖面分布全貌。
图19单入介DWP旋流器速度剖面图图20双入介DWP旋流器速度剖面图
为了更清晰地研究DWP旋流器的速度和压强分布,将距入介段150cm处的截面做为典型截面,对DWP和双供介DWP两种旋流器的速度和压强分布进行研究。
图21是两种旋流器轴向、径向和切向合速度沿径向变化的趋势。
图21两种DWP旋流器的合速度分布
轴向速度
轴向速度分布曲线如图22所示。
图22两种DWP旋流器的轴向速度分布
切向速度
切向速度分布曲线见图23
图23两种DWP旋流器的切向速度分布
径向速度
图24两种DWP旋流器的径向速度分布曲线
压强分布
图25两种DWP旋流器的压强分布图
空气柱分析
图26单入介DWP旋流器压强剖面图图27双入介DWP旋流器压强剖面图
图28单入介DWP旋流器密度剖面图29双入介DWP旋流器密度剖面
从图5.11和5.12的压强分布图中可以看出:
在旋流器中心形成一个负压区,单入介DWP旋流器的压强为-5.52的区域,双入介DWP旋流器的压强为-5.81的区域,说明双入介DWP旋流器的旋涡强度大于单入介DWP旋流器,即入料能力大于单入介DWP旋流器。
由于这个负压区的存在把空气从溢流口吸入从入料口排出,从而形成了空气柱。
从图28和图29的密度分布图中可以看出,旋流器中心存在着一个密度为1.31区域,这也证明了空气柱的存在。
4.2.4模拟计算结果的初步分析
至此,我们对两种DWP型旋流器进行了数值模拟研究,对其结果初步分析如下:
⑴由图19和图20两幅速度剖面图可见,在旋流器内流体的运动沿着旋流器入料管的外壁存在一个流向底流口的高梯度速度变化的下滑区,该区的存在有利于重粗颗粒快速排出,但是轻细颗粒一旦进入这一区域也会随着排除,这就造成了一小部分轻细颗粒短路到底流。
同时,由于旋流器是无压给料,物料开始没有实现分层,且入料口与溢流口在径向处于同一位置通过空气柱相连,这使部分重物料没有进入分选区域就随着内螺旋流由溢流管排出,造成溢流跑粗的现象(即常说的精煤夹矸现象),从而降低了旋流器的分选效率。
对双入介DWP旋流器,溢流跑粗的几率比底流短路的几率大,因此在设计旋流器时应选用合适的工艺和结构参数来减小或消除这两种短路的作用,或采用预分选的方法使入料具有初始离心力以减少溢流跑粗。
⑵图21表明,单入介旋流器在外旋流区域,速度值要大于双入介旋流器的速度,而在内旋流区域,速度反而要比双入介旋流器低;证明双入介旋流器入口速度可以比单入介旋流器低,也能达到良好的分选效果。
也就是双入介旋流器能耗要比单入介旋流器低。
同时,从速度变化率上也能看出双入介旋流器能耗低于单入介旋流器。
⑶由图22可见,两种旋流器的轴向速度随着半径的减小而增大,这与理论分析是一致的。
而且在相同径向位置上,双入介旋流器轴向速度要比单入介旋流器高,而且零速点距离中心远,这说明内旋流区域较大,加快了溢流口的排料速度,有利于缩短分选过程,即处理能力较大。
所有速度为零的点形成了所谓的零轴速包络面LZVV。
该面内部流体向上溢流口流动形成内旋流,而在外部的流体则向下往底流口流动形成外旋流。
⑷图23是切向速度分布曲线。
从中可见,两种旋流器内的切向速度基本上是随着半径的减小而逐渐增大的,即与半径成反比例,这与理论分析是一致的。
但在相同径向位置上,双入介旋流器切向速度要比单入介旋流器高,也就是产生的离心力较大,有利于重产物向器壁方向移动,有利于改善分选过程。
理论上,某粒度的煤在不同直径的旋流器中,只要离心强度相同,那么其分选效果应该是相同的。
离心强度:
(14)
式中:
a——离心加速度,m/s2;
g——重力加速度,m/s2。
(15)
式中:
——重介质悬浮液旋转流的切向速度,m/s;
——旋流器半径,m;
——旋流器直径,m。
式(15)代入(14)得:
(16)
由图23同时考虑式(16),相同离心强度的前提下,双入介旋流器的切向速度要比单入介旋流器的切向速度小。
而切向速度与重介悬浮液给入压头的关系如式(17)所示。
(17)
式中:
K——流速系数;
H——重介质悬浮液给入压力,m介质柱。
因此,双入介旋流器的能耗要比单入介旋流器的能耗小。
⑸从图24中可以看出两种旋流器径向速度在半径方向的变化趋势是一致的,都在半径的约1/2处达到最大值,然后随着半径的减小而减小,这与理论分析一致。
同时,双入介旋流器径向速度值比单入介旋流器径向速度值要小,这有利于重产物进入分离区域,有利于重产物的分选,而且双入介旋流器径向速度递减梯度也较小,这说明其能耗比单入介旋流器小。
⑹从图25的压强分布中可以看出,两种旋流器的压强在半径方向的变化趋势是一致的,都是随着半径的减小而减小,这与理论分析一致。
同时,双入介旋流器压强要比单入介旋流器压强小,这有利于重产物进入分离区域,有利于重产物的分选,同时也说明双入介旋流器能耗比单入介旋流器小。
5结论
通过对DSM和两种DWP重介质旋流器流场的计算流体力学模拟,可以得到以下结论:
1)DSM和DWP重介质旋流器中均存在两种短路流。
对DSM重介质旋流器,其底流短路的几率较大,即矸石中易混入轻产物;而对于DWP重介质旋流器,其溢流短路的几率较大,即精煤中易混入重产物。
应当在结构形式和结构参数上采取必要的措施,减少或避免这两种短路流的作用,以提高分选精度。
2)DSM和两种DWP重介质旋流器中均存在空气柱。
对DSM重介质旋流器,其空气柱形状近似于圆柱形,直径为溢流口直径的0.6倍;对DWP重介质旋流器,其空气柱的形状约为倒圆台型,大端直径基本与溢流口相近,小端直径约为溢流口直径的0.3倍。
3)对两种DWP重介质旋流器流场的速度分布数值模拟结果表明,在相同的入介速度(即入介压力相同时)时,双入介DWP旋流器产生的离心力场大于单入介DWP旋流器,其离心强度为单入介DWP旋流器的倍。
说明双入介DWP旋流器的分选精度高于单入介DWP旋流器,且分选下限低于单入介DWP旋流器。
4)对两种DWP重介质旋流器流场的速度分布和压强分布的数值模拟结果表明,单入介DWP旋流器在外旋流区域,其合速度值要大于双入介旋流器的速度,而在内旋流区域,合速度反而要比双入介DWP旋流器低且合速度变化率低于双入介DWP旋流器;在切向速度上双入介DWP旋流器径向速度递减梯度较小;在压强分布上双入介旋流器压强要比单入介旋流器压强小。
因此,双入介DWP旋流器的能耗比单入介DWP旋流器要低。
5)对两种DWP重介质旋流器流场的速度分布、密度分布和压强分布的数值模拟结果表明,同一截面的零轴速包络面LZVV半径比单入介DWP旋流器大近100mm,而且在相同径向位置上,双入介旋流器轴向速度要比单入介旋流器高;双入介DWP旋流器的空气柱直径大于单入介DWP旋流器空气柱的约1/3,也就是说,双入介DWP旋流器入料管直径可以大于单入介DWP旋流器。
因此,双入介DWP旋流器处理能力高于单入介DWP旋流器。
6)为了简化模拟过程,数值模拟中对DWP旋流器底流口的边界条件选取为充分发展流,这与无压给料三产品旋流器的实际工作状况是有差别的。
虽然不影响总体数值模拟结果,但毕竟与实际工况有距离。
因此,应当进一步研究将DWP与DSM两种旋流器串联后的流场模拟方法。
7)生产实践证明,双入介DWP重介质旋流器处理能力、分选精度和能耗均优于单入介DWP重介质旋流器。
参考文献
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