DSM重介质旋流器流场的数值模拟

　第31卷第5期

　2006年10月煤　　炭　　学　　报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol.31　No.5　Oct.　2006　　　文章编号:0253-9993(2006)05-0627-04

DSM重介质旋流器流场的数值模拟

刘　峰1,2,钱爱军,郭秀军22

(11中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京　100083;21煤炭科学研究总院唐山分院,河北唐山　063012)

摘　要:采用计算流体力学软件,选用RSM湍流数值计算模型,对DSM型重介质旋流器的流场进行了数值模拟.研究了DSM型重介质旋流器流场的速度分布、密度分布和压力分布,得出4点结论:旋流器内的流体沿着溢流管的外侧向下流动,使旋流器分选时存在短路流,降低了旋流器的分选效率.旋流器内的轴向速度越接近中心越高,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零轴速包络面(LZVV).,在空气柱附近达到最大值,然后逐步下降到最低点.由于回流的作用,了空气柱,空气柱截面直径大约为溢流口直径的016.

关键词:DSM重介质旋流器;速度场分布;中图分类号:TD92217　　　文献标识码:NumericalsimiintheDSMheavymediumcyclone

LIU,QIANAi2jun,GUOXiu2jun

Branch,ChinaCoalResearchInstitute,Tangshan　063012,China)1,222(11SchoolofChemicalentalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing),Beijing　100083,China;21Tangshan

Abstract:ThenumericalsimulationwasmadetotheflowfieldintheDSMheavymediumcyclonebyusingthesoftwareofCFD(computationalfluiddynamics)andRSM(ReynoldsStressModel)oftheturbulentflow.What’smore,thevelocitydistribution,densitydistributionandpressuredistributionoftheflowfieldintheDSMheavyme2diumcyclonewerestudiedaswell,thusfollowingfourconclusionswerereached:thefluidinthecycloneflowsdownwardsalongoutsideoftheoverflowpipe,andshirt2circuitflowoccursduringtheseparation,thusreducingtheseparationefficiencyofthecyclone.Theaxialvelocityinthecyclonebecomesquickertothecentreandgoesthroughthezeropointapproximatelyinthemiddleofradiusofthecyclone,thusallthepointswherevelocitiesarezeroformthezero2axialvelocityenvelopeplane(LZVV).Thetangentialvelocityinthecycloneimprovesgraduallyfrominsidetooutsideandreachesthemaximumclosetotheaircolumnandthenreducesstepbystepuntiltotheminimum.Duetoeffectofthereturnflow,anegativepressurezoneformsinthemiddleofthecycloneandtheaircolumnwhosesectionaldiameterisabout016timesofthediameteroftheoverflowoutletoccurshere.

Keywords:DSMheavymediumcyclone;velocityfielddistribution;pressurefielddistribution;densityfielddis2tribution

选煤用的重介质旋流器是在分级旋流器的基础上发展起来的.1945年荷兰国家矿山局(DuthStateMines)的一套从分级旋流器演变而来的,处理能力为15t/h的圆锥-圆筒型重介质旋流器(简称DSM)中间试验装置投入运转.荷兰最初研制的DSM

重介质旋流器是目前世界上应用最广泛的一种末煤重介质

收稿日期:2005-12-20

基金项目:“十五”国家科技攻关基金资助项目(2004BA615A-12)

作者简介:刘　峰(1957-),男,安徽怀远人,博士,研究员.Tel:0315-2813144,E-mail:lf-mail@1631com

628煤　　炭　　学　　报2006年第31卷分选设备.许多国家如美国、日本、德国、波兰和原苏联、捷克等国都仿制了DSM重介质旋流器.我国

[1]的<500,<600,<700,<900,<1200等产品重介质旋流器均属于这种类型.

1　DSM旋流器流场数值模拟条件

111　旋流器的参数

所用的DSM旋流器模型的结构(图1)和工艺参数:旋流器直径D为98mm;锥角为20°;进口管直径De为25mm;溢流管直径D0为35mm;底流口直径Du为

27mm;溢流管插入深度h为62mm;柱段长度H为85mm;

3进口压强P为49kPa;进料流量Qe为6188m/h;溢流口流

量Qd为1172m/h,模拟对象为水、空气与固体三相流.

112　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,进料口设为速度入3图1　DSM口,底流口和溢流口设为压力出口.Fig11　ofDSMcyclone

2(1)进口条件　vi=4Qi/πd2ki=0100375vi,ε=i,ki/014di,其中vi为进料口的试验平均速度;Qiii;εi为进料口湍动能耗散率.

(2)出口条件　

.因而可根据Fluent611软件包的

vIRe8,l=0107L,其中Re为雷诺数;v为溢流口和底

,;D为溢流口和底流口的内直径;ν为水的运动黏性系数;I为湍流强度;lL,对于充分发展的管流取L=D.

(3)对于模拟的壁面设为标准的固壁.

113　数值模拟流程

本文的数值模拟流程主要是以Fluent611软件包为主的模拟流程.分为两部分:前处理部分(Gam2bit)主要进行物理建模、网格划分及边界条件位置的设定等;模拟计算核心处理部分(Fluent)包含了各要求进行估算,所用公式种边界的参数设定、数值分析计算、结果绘图和数据分析等.

在进行数值分析前,本文利用Gambit软件来建造物理模型并设定相关尺寸.因为旋流器是单个入口,

[2]计算得到的速度场在入口附近沿对称轴具有非对称性,因此在对旋流器建模时选用3D进行模拟,最后

以1msh文件输出,然后转到Fluent软件下处理.本工作利用Fluent软件的有限体积法的技巧,将各方程离散成可以数值计算的代数方程,本文的数值模拟采用了分离法来进行迭代计算.在进行大量的不同模拟和文献查阅后确定了代数方程的离散方法:压力相Presto法;压力与

速度之间的偶合Simple法;连续方程式、动量方程、能量方程Quick

法.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,对

DSM旋流器的流场,一般当迭代超过3000次时还没有收敛则

说明数据是发散的,要调整网格和设定参数重新进行数值模拟.[2]-2　DSM旋流器流场数值模拟结果

根据文献[3],流场模拟选用RSM湍流数值计算模型.从DSM

旋流器的XY面的剖面图(图2)可以看出旋流器内的一个轴剖面的

图2　DSM旋流器XY面的速度速度分布全貌和零轴速包络面(LZVV包络面).对DSM旋流器内速

剖面和LZVV包络面度场使用激光测速仪(LDV)测量时作了6个截面,以旋流器的筒体

Fig12　ProfileofvelocityontheXYsurface同圆锥的相交面为基准面.在基准面下方的垂直距离27,47,67,andLZVVenvelopeoftheDSMcyclone87,107,127mm处分别平行截取6个面,由上到下依次标号为Ⅰ,

第5期刘　峰等:DSM重介质旋流器流场的数值模拟62

9Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ截面.

211　轴向速度轴向速度数值模拟与试验测量数据比较如图3所示.由图3可见,实验测量和数值模拟数据在轴向速度上基本吻合.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,形成所谓零轴速包络面LZVV.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流动形成外旋流.

图3　Ⅰ～ⅥFig13　ComparisonofsimulatedandofaxialvelocityontheⅠtoⅥsections

212　切向速度

4所示.由图4可见,除去靠近壁面的点拟合情况不太好外,,在空气柱附近达

[4]到最大值,.这一变化趋势同从理论上分析强制涡和自由涡的结论相对应,从

而证明了旋流器内确实存在着这两种涡

.

图4　Ⅰ～Ⅵ截面切向速度模拟值与试验测量值的对比

Fig14　ComparisonofsimulatedvaluesandexperimentalvaluesoftangentialvelocityontheⅠtoⅥsections

213　径向速度

径向速度分布在实验中没有测量.文献[5]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比外旋流区的径向速度变化幅度大(图5).由图5看出,数值模拟出的径向速度分布变化趋势同文献和理论推导的变化趋势是一致的.

214　空气柱的描述

关于空气柱对旋流器分离效果和能耗的影响褒贬不一,但空气柱是确实存在旋流器中.在旋流器内由于回流的作用在溢流口和底流口之间形成了空气柱.由图6(b)可以看出中间形成一个负压区,由[6]

63

0煤　　炭　　学　　报2006年第31卷于这个负压区的存在将空气从底流口吸入从溢流口排出,从而形成了空气柱.由图6(a)的密度分布图可以看出中间存在着一个密度为11225(空气密度)区域,这也证明了空气柱的存在.图6(b)显示的空气柱截面直径大约为溢流口直径的016倍,这也与实验测量到的空气柱直径相符

.

3　结　　语

(1)由速度分布图可以看出,,在溢流管的下端同溢流会合从溢流管流出.向下存在短路流,,造成溢流跑粗的现象,降低了旋流器的分选效率;,这个高梯度速度变化,但是轻细颗粒一旦进入这一区域也会随着排除,这就造成小部;溢流短路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流的存在.

(2)由图3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(图2).该面内部流体向上流动形

[7]成内旋流,而在外部的流体则向下往底部流动形成外旋流.由图4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.

(3)由图6(b)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.由图6(a)的密度分布图可以看出,中间存在着一个密度为11225(空气密度)的区域,这也证明了空气柱的存在.图6(b)显示的空气柱截面直径大约为溢流口直径的016倍,这也与实验测量到的空气柱直径相符.

本文证明,用Fluent软件,选取雷诺应力湍流计算模型(RSM),进行DSM重介质旋流器流场的数值模拟,可以得到理想的模拟结果,为进一步开展重介质旋流器的理论研究打下了基础.

参考文献:

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dsmj.html