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气泡发生器内三相流动数值模拟
机电工程技术!
""#年第$%"$期卷第研究与开发
气泡发生器内三相流动数值模拟
郭晟,李浙昆
云南昆明&(昆明理工大学机电工程学院,650093)
摘要:
本文运用计算流体力学方法并采用非结构化网格技术对流动区域进行了网格划分,应用三相流混合模型对自行设计的射流微泡发生器进行了气、液、固三相流的流动仿真,得到了其内部三相流的流场分布,结果为射流微泡发生器的设计研究提供依据。
关键词:
气泡发生器;射流;三相流;计算流体力学(CFD)
中图分类号:
O35文献标识码:
A文章编号:
1009-9492(2007)03-0049-03
1引言
在浮选柱设备中气泡发生器是个关键部位,其性能优
劣直接影响浮选效果。
射流微泡发生器[1]是利用高速射
流卷吸气流,并通过湍流扩散作用进行传质传能,将气流
剪切、撕裂、掺混而生成微泡,并进一步在喉管内进行三
相混合反应的流体机械,它具有结构简单、易维护、产生
的微泡质量高且数量大等优点,因而越来越受到浮选设备
研究者的重视和青睐。
随着计算流体力学和相应计算软件的发展,以数值模
拟来研究微泡发生器已成为可能,CFD方法可给出流体流
动的细节,如全流场速度、压力分布、各相体积份额及分
布等,不仅可预测流体设备的整体性能,而且容易从流场
分析中发现设计中存在的问题,据此提出改进方案。
本文
借助FLUENT6.0软件平台,针对自行研制的自吸气射流微
泡发生器进行了CFD计算,通过对设定的实际工况下流场
的模拟,得到了三相流场一些有价值的信息,为微泡发生
器的设计研究提供了依据。
力出口。
图1微泡发生器①进口边界假定喷嘴喷射处液、固两相时均速度相等,根据伯努利原理[2]及流量公式的理论计算,可取喷嘴喷射截面的时均速度u=18m/s;空气入口设为压力入口边界。
②出口边界出口仅扩散管,出流处有浮选柱形成的背压,根据实验应用需要,为保证举升1.5m高度,故将出口边界设为混合压力出口边界,取压力为P2=0.015MPa。
2微泡发生器内数值模拟方法
(1)研究对象
所模拟的自吸气射流微泡发生器示意图如图1所示,
喷嘴进口直径为20mm,出口直径为4mm,锥角为13.5°,
矿浆从喷嘴处以18米/秒左右的速度喷射进入发生器,卷
吸几乎静止的气体,矿浆与气相在混合室及喉管内强烈掺
混,在扩散管处一起离开发生器。
(2)边界条件
由图1所示,本射流微泡发生器包括两个进口和一个
出口,分别设为矿浆速度入口、空气压力入口及混合物压
&云南省自然基金项目(项目编号:
2005E0018M)
③对称轴边界满足轴对称条件。
(3)参数设置本数值模拟工况参数条件是:
矿浆含磷体积份额35%,矿粒磷作为拟流体处理,考虑重力;被卷吸的空气作为主相;水的密度为998.2kg/m3,动力粘度系数为・1.003×10-3(kg/ms);喷嘴直径D=4mm,流道圆锥型,喷嘴出口速度为18m/s左右。
(4)计算网格、数值方法图2显示了本次计算划分的网格系统,模拟对象为圆
研究与开发机电工程技术!
""#$%卷第"$年第期筒(锥)状射流自吸气微泡发生器,由对称特性,为节约机时,在网格划分和计算中采用2-D轴对称模型,网格划分采用四边形,总网格数约为4000个左右。
因所模拟的流动状态为矿粒磷、水、气三相流,设三相流与外界无热量交换,其温度不变;三相流为定常湍流流动。
综合考虑
图2计算网格
气液固三相之间的相互作用与影响,考虑相间耦合、相内作用、动量传递、湍流脉动等各方面的因素,采用雷诺时均[3]图4液相(水)速度分布将流动瞬时值分解为时均值和脉动值,数值模拟过
[4]程中应用耦合解算技术进行求解,采用有限体积法
假定为收敛,选RNGk-ε模型[5]进行离散,运算器为SIMPLE,当连续残差的总和小于10-4估计湍流量。
在控制方程的求解方法中分显式和隐式两种方法,本文采用隐式格式;采用二阶迎风差分格式,并应用欠松弛技术以求计算收敛。
3计算结果及分析
(1)速度分布
从图3~5可直观看出微泡发生器内部流场速度分布,气流在入口处以较均匀的流速被卷吸进入气泡发生器,在喷嘴附近,因矿浆与气相存在较大速差,低速气流与高速图5固相磷速度分布
泡的数量也明显要多,尺寸也更小,其与矿浆的混合也更为充分,说明一定量矿粒加入,很好地促进了微泡生成与分布。
微泡发生器内部流场速度分布显示,喷嘴出口速度最高,速度梯度非常大,吸入室内因喷嘴射流的影响形成较大回流区,气相被大量包裹而卷入,这有利于提高气泡生成率。
在喉管部三相进行充分混合,速度剖面呈典型的管内流动特点,而进入扩散管时过流断面不断扩大,流速逐步降低。
对比磷颗粒与液相(水)及气相在轴向、径向上的速度分布特征以及速度计算结果,不难发现,三相流动以轴向为主,在发展过程中因湍动剪切作用,逐步形成径向不均匀分布,从而强化三相相互作用。
(2)压力分布
图3气相速度分布由图6可见,在喉管入口处静压力出现峰值,这是由
于此处截面积突然变小,引起压力增大。
从压力的变化可
矿浆碰撞而被捕掳、加速,其驰豫可以说是瞬间完成。
而从图3可见到气相被捕获、剪切而变为气泡及其后与矿浆混合的整个流动情形,气相被剪切撕裂而形成气泡及其在矿浆中的分布主要发生在混合室和喉管内。
与以前研究的两相流模拟相比,显然气相在喉管内的分布更为均匀,气知,三相在此处的作用非常强烈,气泡的生成也基本上在此处完成,在其后的喉管段,压力分布渐趋平均,气、液、固三相在喉管中得到较为充分的混合。
由上述模拟计算的结果得知,最小静压力为
-
0.0090953atm
,
比不含磷矿粒的气-液(水)两相模拟计算中得到的最大真空度要
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(3)湍动能分布
由图7可见,分别在喉管入口和扩散管入口处产生湍动能峰值,这与两相流中的模拟情况是一致的,第一峰值的产生是因高速射流矿浆与极低速卷吸气流碰撞、剪切而产生,第二峰值是因扩散管断面面积的扩大而产生,这在紊动能分布云图中也可明显看到,第一峰值产生于气相与矿浆的接触面,第二峰值则产生于扩散管管壁。
另外,与前面两相流模拟的紊动能等值线图相比较,可看到三相流在喉管中的紊动能分布要平直,其衰减要慢,这说明高质量浓度比时射流不同区域的湍动能变化不大,固相的加入对流体的紊动能起稳定作用,这有利于各相的混合。
4结论
图6静压分布等值线图①本文结合三相流混合模型,对微泡发生器射流卷吸
中的气、液、固三相流力学特性进行了初步模拟,模拟结果对于了解微泡发生器内的三相流动与混合有重要的参考
小很多,说明因磷矿粒的加入使得流体粘度变大,喷嘴附近形成的真空负压减小,引起所吸入的气流从数量上减少,影响气泡发生器的充气性能。
为加大引气量,可以通过加大矿浆喷射速度增加真空度来达到此目的,而具体要增加到多大的喷射速度、喷射速度与矿浆浓度存在怎样的线性关系、如何优化喷射速度与矿浆浓度这两个参数才能达到大的充气量,这就给我们提出了要更深层次研究的后续问题。
同时,三相射流时真空负压出现的位置在喷嘴附近X轴周围,此处气体卷吸量最大。
但在喉管入口处的压力变化却比以前研究的两相射流的情形要尖锐得多,说明意义。
②借助CFD的思想和计算机仿真,分析了射流自吸气微泡发生器内流场各处的速度、压力和各相耦合强度等重要参数,认为固相的加入对流体的湍动能起稳定保持作用,有利于各相的混合;一定的矿粒浓度能很好地促进微泡的生成与分布,但固相的增加同时会使流体粘度加大,引起卷吸气流减少,影响气泡发生器的充气性能。
③本文的模拟只是一个初步结果,进一步的工作需要深入考察更多的实验工况,进一步验证模型的有效性;进行模型对比,在相同的操作参数下,考察模型的修正对模拟结果的影响;更改操作参数,在不同参数设置下进行模
拟对比分析,以求优化操作参数。
④本文从两维方面对发生器内的流动情况进行了模拟分析,但要全面把握整个流场,则很有必要进行三维模拟分析,要根据轴向不同位置处的径向截面对流场进行静态及动态模拟,细致地把握发生器内流场特性,为发生器的进一步优化改进提供指导。
参考文献:
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清华
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[3]袁亚雄,张小兵.高温高压多相流体动力学基础[M].哈尔
滨:
哈尔滨工业大学出版社,2005.
图
7
紊动能分布[4]刘儒勋,舒其望.计算流体力学的若干新方法[M].北京:
科学出版社,2003.
[5]王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应用
固相磷粒的加入对流体在有截面变化处的流动形态有较大影响。
喉管内的压力变化却更平缓,各相在喉管内的混合更为充分,说明固相矿粒的加入有利于各相在喉管中的混合。
[M].北京:
清华大学出版社,2004.第一作者简介:
郭晟,男,1975年生,湖南邵阳人,硕士研究生。
研究领域:
CAD/CAM。
(编辑:
向飞)
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