臥螺離心機不同螺旋結(jié)構(gòu)流場的數(shù)值模擬研究
技術(shù)支持
臥螺離心機是一種通過轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器進行同軸差速轉(zhuǎn)動、使物料完成固液分離的離心分離設(shè)備。由于具有可連續(xù)運行、處理量大、適用范圍廣、節(jié)能和生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境好等優(yōu)勢，臥螺離心機在很多行業(yè)中得到應用。臥螺離心機結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響臥螺離心機分離性能的重要因素之一。在操作參數(shù)與物性參數(shù)不變的情況下，如何通過改變臥螺離心機結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高出渣含固率與固相回收率一直是國內(nèi)外學者的研究重點。
現(xiàn)有關(guān)于臥螺離心機結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究主要是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓或螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)改進臥螺離心機分離性能。代朝輝研究了轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)對臥螺離心機分離效率的影響；荊寶德等探究了轉(zhuǎn)鼓錐角結(jié)構(gòu)對用于處理建筑水泥的大直徑臥螺離心機分離性能的影響，提出了一種雙錐角結(jié)構(gòu)；邱發(fā)華等討論了進口入射角對內(nèi)部流場的影響并選取了較佳進口入射角度；PEETERS等研究了液池深度對臥螺離心機分離性能的影響。
臥螺離心機的螺旋起到輸送沉渣與擠壓脫水的作用，螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系到臥螺離心機分離性能的好壞，是臥螺離心機核心部件。目前關(guān)于臥螺離心機螺旋結(jié)構(gòu)的研究主要以改善清液回流為目的，提出了一些新型螺旋結(jié)構(gòu)。一些國內(nèi)學者與工程技術(shù)人員為使清液快速流出，依據(jù)傳統(tǒng)的活塞式流動理論提出了鏤空式螺旋；為縮短清液回流路程，孫啟才等提出間斷式螺旋結(jié)構(gòu)。本文針對文獻中提到的新型螺旋結(jié)構(gòu)進行流場數(shù)值模擬研究。
1 計算模型與網(wǎng)格劃分
根據(jù)某廠家提供的LW-250型臥螺離心機結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在不影響模擬結(jié)果的前提下對轉(zhuǎn)鼓小端的排渣機構(gòu)做出適當簡化后建立模型。采用Solidworks軟件建立LW-250型臥螺離心機結(jié)構(gòu)三維模型。建模結(jié)果如下：
名稱 | 參數(shù) | 數(shù)值 |
轉(zhuǎn)鼓幾何尺寸 | 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑（mm） | 250 |
半錐角（°） | 8 | |
柱段長度（mm） | 625 | |
錐段長度（mm） | 375 | |
螺旋幾何尺寸 | 螺旋內(nèi)筒半徑（mm） | 170 |
葉片傾角（°） | 0 | |
螺旋螺距（mm） | 60 | |
葉片頂隙（mm） | 2 |
鏤空式螺旋結(jié)構(gòu)提出的依據(jù)是傳統(tǒng)的活塞式流動理論（∑理論），該理論認為液體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流動是活塞狀的。按照這個假設(shè)采用鏤空式的螺旋結(jié)構(gòu)可使分離出的清液迅速流出，增加臥螺離心機的處理能力。
間斷式螺旋的設(shè)計目的是為了使分離后得到的清液沿較短流程流出，轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)的螺旋葉片采用了若干對錯式結(jié)構(gòu)，每段結(jié)構(gòu)的軸向長度Sd由該段螺旋的旋轉(zhuǎn)角度φd確定。本研究中分別將φd取值為1.5π，2π，2.5π和3π，即螺旋葉片每旋轉(zhuǎn)對應角度就設(shè)置一處斷開式結(jié)構(gòu)，斷開間距取5mm。
研究使用Solidworks建立模型并導入ICEM中進行網(wǎng)格劃分?？紤]到螺旋輸送器部分模型復雜的原因，網(wǎng)格采取分區(qū)建立的方法生成，轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，螺旋輸送器部分建立非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
2 湍流模型與邊界條件
2.1 湍流模型與多相流模型
董連東等分析了現(xiàn)有湍流模型在臥螺離心機流場模擬中的準確性，發(fā)現(xiàn)在較高轉(zhuǎn)速下雷諾應力模型的數(shù)值模擬結(jié)果較接近實際情況。由于臥螺離心機內(nèi)部流場流動復雜且存在高速旋流，因此在研究中使用雷諾應力模型。
在臥螺離心機脫水的實際應用中，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料的濃度變化范圍較大且變化速度較快，因此采用多相流模型進行數(shù)值模擬。由于Mixture模型中包含體積分數(shù)方程與滑移速度方程，能夠?qū)εP螺離心機轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料分離過程進行更好地描述，因此在研究中采用Mixture模型。
2.2 邊界條件與求解方法
模擬中進料管入口采用速度入口邊界，由處理量計算入口速度V0=1.2m/s，垂直于進料口進料，出口采用Outflow邊界，所有壁面都采用無滑移邊界和默認粗糙度。
模擬中固相顆粒設(shè)置為滑石粉。由Malvern激光粒度儀對實驗室現(xiàn)有滑石粉物料進行粒度測試，測得顆粒中徑為28.7μm，體積平均粒徑為32.6μm，取其平均值30μm作為模擬顆粒粒徑，入口固相體積分數(shù)設(shè)為30%。研究結(jié)果表明，盡管顆粒粒徑不同，但轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣含濕量沿軸向呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，固相回收率也隨著顆粒粒徑的增大而增大。因此采取單一粒徑進行數(shù)值模擬的結(jié)果仍然可以為其他粒徑分離結(jié)果提供參考。模擬采用多重參考系模擬同軸差速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速為2520r/min，與螺旋輸送器之間的差轉(zhuǎn)速為20r/min。
文章中的求解方法采用分離、隱式算法。采用SIMPLE算法耦合壓力與速度模型，壓力離散格式采用PRESTO，其余則采用精度較高的QUICK格式。
3 計算結(jié)果與分析
為評價臥螺離心機的分離性能，引入出渣含固率W、固相回收率E與含濕率F作為評價指標。根據(jù)螺旋輸送器設(shè)計理論，螺旋葉片的主要作用是對沉渣進行進一步的擠壓脫水與輸送沉渣，同時螺旋葉片也為轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液體與顆粒的流動提供穩(wěn)定的旋流邊界。螺旋葉片的形式對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣的分離與輸送都有著重要的影響，此時幾種螺旋對分離的影響可分析如下。
3.1 常規(guī)螺旋臥螺離心機的流場
常規(guī)螺旋臥螺離心機由于螺旋葉片的存在，沉降至轉(zhuǎn)鼓壁面的沉渣都被螺旋葉片輸送至轉(zhuǎn)鼓錐段進行進一步的擠壓脫水，因此沉渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的堆積高度與濃度都隨著錐段直徑的縮小而增大。在轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)，沉渣在單個螺旋導程內(nèi)都呈現(xiàn)弧形凸起狀的分布。同時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)分離完成的清液會沿沉渣內(nèi)側(cè)的螺旋通道回流至轉(zhuǎn)鼓大端，而后從溢流口排出。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)固相與液相的變化規(guī)律與波爾茨利用偏振光法測定各項變化規(guī)律相同。
在轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)脫水速度極快，沉渣內(nèi)的大部分水分在很短的軸向距離內(nèi)就被脫去。沉渣進入過渡區(qū)時含濕量已經(jīng)處在較低的水平，脫水速度比較緩慢。此時含濕量的迅速穩(wěn)定可以代表沉渣的脫水過程在過渡區(qū)就已經(jīng)基本完成。轉(zhuǎn)鼓內(nèi)沉渣含濕量的變化規(guī)律與波爾茨用放射性同位素標記的測量結(jié)果以及工業(yè)應用中的實際情況基本一致。
3.2 鏤空式螺旋臥螺離心機的流場
對鏤空式螺旋來說，由于柱段螺旋鏤空的原因，轉(zhuǎn)鼓柱段已經(jīng)不存在傳統(tǒng)的螺旋型流道結(jié)構(gòu)。鏤空式螺旋流場內(nèi)的軸向速度在轉(zhuǎn)鼓橫、縱截面均有規(guī)律可循，鏤空區(qū)域交替分布著不連續(xù)的、軸向速度相反的兩種旋流。此時，轉(zhuǎn)鼓柱段的旋流可分為3層，外側(cè)沉渣所在區(qū)域的旋流、中部剩余螺旋所維持的旋流以及內(nèi)側(cè)鏤空區(qū)產(chǎn)生的交錯旋流。
然而由于活塞式流動理論過于粗糙，與實際的流動情況差別很大，特別是對于柱-錐型轉(zhuǎn)鼓結(jié)構(gòu)，離心機內(nèi)的流動應存在多個速度分量，清液的排出并不是完全軸向的。在目前更被認可的層流流動理論的假設(shè)條件下，鏤空螺旋產(chǎn)生的實際作用應有不同。由于轉(zhuǎn)鼓柱段沉降區(qū)的流場已經(jīng)遭到破壞，顆粒雖能沉降但無法順利輸運，只能堆積在轉(zhuǎn)鼓兩端，轉(zhuǎn)鼓中心則堆積大量清液，葉片去除高度越高，清液堆積越多，此時，雖然轉(zhuǎn)鼓錐段的螺旋仍起作用，但影響相當有限，分離效果并不理想。不僅如此，鏤空式結(jié)構(gòu)還會導致葉片剛性下降，因此在實際中使用不多。
3.3 間斷式螺旋臥螺離心機的流場
采用間斷式螺旋時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的軸向速度分布比較合理，但在間斷處也會產(chǎn)生局部擾動。由于擾動具有局限性，可以發(fā)現(xiàn)改變間隔距離不會對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相分布產(chǎn)生很大影響。轉(zhuǎn)鼓錐段采用了傳統(tǒng)螺旋，因此軸向速度變化不大。
采用幾種不同螺旋結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，采用鏤空式螺旋的臥螺離心機分離性能較差，固相回收率與出渣含固率均低于常規(guī)螺旋；間斷式螺旋與常規(guī)螺旋分離效果相差不大，同時考慮到間斷式螺旋制造麻煩，且強度較低，因此在設(shè)計中應當慎重采用。
4 結(jié)論
采用Mixture多相流模型、雷諾應力湍流模型對臥螺離心機應用中的常規(guī)螺旋、鏤空式螺旋和間斷式螺旋進行三維數(shù)值模擬，分析了不同螺旋葉片結(jié)構(gòu)對臥螺離心機內(nèi)部流場分布特性與分離性能的影響，得出如下結(jié)論：
（1）使用常規(guī)螺旋時，臥螺離心機內(nèi)沉渣在螺旋輸送器的作用下輸送至轉(zhuǎn)鼓小端由排渣口排出，清液回流至轉(zhuǎn)鼓大端由溢流口排出，沉渣在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的堆積高度與濃度都隨著錐段直徑的縮小而增大，沉渣在沉降區(qū)脫水速度極快，進入過渡區(qū)后脫水速度下降至穩(wěn)定狀態(tài)，脫水過程基本完成。
（2）使用鏤空式螺旋時，鏤空區(qū)域形成了交替分布且軸向速度相反的流動狀態(tài)，固相向轉(zhuǎn)鼓兩段堆積而清液向轉(zhuǎn)鼓中段流動，由于活塞流動理論這一假設(shè)并不符合實際流動狀態(tài)，鏤空螺旋并沒有達到提升分離性能的目的，分離性能下降。
（3）使用間斷式螺旋時，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)軸向速度分布比較合理，僅在螺旋間斷處產(chǎn)生局部擾動，改變間隔距離對轉(zhuǎn)鼓固相體積分數(shù)分布影響較小，與常規(guī)螺旋的分離性能相差不大，但制造麻煩，強度較低，不建議選用。
