水力旋流器數(shù)值模擬與CFD分析論文

1、水力旋流器數(shù)值模擬與CFD分析【摘要】水力旋流器是一種利用流體壓力產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，可用于使存在密度差的兩 相或多相進(jìn)行分離。由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，處理量大和分離效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而 其在固液分離領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。本文針對(duì)水處理中除砂的固液分離用 的水力旋流器，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）商業(yè)軟件FLUENT對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。關(guān)鍵詞：水力旋流器；FLUENT；數(shù)值模擬【Abstract Hydrocyclone is a kind of equipment which can use the liquid pressure to Great revolving moveme

2、nt and can be ued for separating two-phase or mufti-phase material that has different density. separating is much less. Because of its advantages such as compact structure, low price, high production capacity and high efficiency and so on, its application on solid-liquid separating is being paid mor

3、e and more attention.This paper did die numerical simulation research on solid-liquid hydrocyclonefor eliminating sand, using FLUENT 6.1.22, the business of CFD.Keywords:hydrocyclone； FLUENT； numerical simulation由于水力旋流器在越來(lái)越多的行業(yè)和領(lǐng)域展示著它越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景， 因此人們對(duì)水力旋流器的研究工作一直沒有停止過。對(duì)水力旋流器的研究方法主 要有：數(shù)學(xué)方法、試驗(yàn)方法、數(shù)值模擬方

4、法。水力旋流器的分離能力與能量消耗 是這種分離設(shè)備的兩個(gè)重要性能，而旋流器內(nèi)所形成的流場(chǎng)正是旋流器結(jié)構(gòu)，分 離能力，能量消耗等因素綜合作用的結(jié)果。本文的具體研究?jī)?nèi)容如下：（1）探討 選擇合適的水力旋流器建模方法；（2）對(duì)現(xiàn)有的湍流模型進(jìn)行分析并選擇；（3） 利用CFD軟件對(duì)水力旋流器的數(shù)值模擬。1旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的基本方程P+dP圖1-1旋轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)微元體在旋轉(zhuǎn)流體的分選設(shè)備中，流體服從同一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的微分方程（圖1-1）。(1.1)在繞垂直軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)流中，在半徑r點(diǎn)處取一長(zhǎng)方形流管，其寬為dr,厚為 dz,在平面z上，當(dāng)質(zhì)量力只有重力時(shí)，沿半徑r的流線上可應(yīng)用不可壓縮流體 定長(zhǎng)流動(dòng)的貝努利方程，如下：(

5、1.1)式中：H總壓頭；z勢(shì)壓頭；p半徑r處的壓力；P流體密度；% 半徑r處切向速度；g重力加速度。g將式(1.1)對(duì)半徑r微分后，得dH1 dp % d %drp g drg dr(1.2)H = z 3 + 4P g 2 g由式(1.2)可以看出，在旋轉(zhuǎn)流體中沿著徑向的總壓頭的變化率，是與徑 向的壓力和速度變化率有直接關(guān)系的。2旋流器CFD建模2.1旋流器的開口進(jìn)口：查資料推薦的 工業(yè)用旋流器的最佳 進(jìn)料口的當(dāng)量直徑de= (0.15-0.25)D，有文獻(xiàn)指出矩形進(jìn)料口比圓形進(jìn)料口更有助于進(jìn)料眼旋流器擴(kuò) 展。在這里取矩形進(jìn)口 80mmX40mm。溢流口：溢流口直徑應(yīng)稍大于進(jìn)料口的直徑，推薦

6、的工業(yè)用旋流器的 最佳溢流管內(nèi)徑De= (0.2-0.3) D，而用于分離的旋流器最佳溢流口直徑為De=0.34D。在這里取 De=85mm。底流口：底流口直徑與溢流口直徑 之比一般在0.15-1的范圍內(nèi)。這里取B=60mm。2.2其他結(jié)構(gòu)參數(shù)旋流器柱體段的長(zhǎng)度h=300mm，插入深度 S=100mm，旋流器錐角a =15 (旋流器錐角如果過大會(huì)使分離效率降低，所以錐角不宜過大）。因此，本文的模擬結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇如簡(jiǎn)圖3-1所示，其中主要幾何參數(shù)如下:a=40,b=80,De=85S=100,D=250, B=60，H=721, h=300，為更符合實(shí)際工況，底流口延長(zhǎng)一平行直管段，長(zhǎng)度為50mm

7、。圖2-1旋流器幾何結(jié)構(gòu)圖2.3用Gambit建立水力旋流器模型（1）建立圓柱段（2）創(chuàng)建溢流管壁（3）將溢流管壁移動(dòng)到圓柱段頂部（4）將管壁與圓柱體合并為一體（5）創(chuàng)建入流口（6）創(chuàng)建圓錐體（7）將所有體合并為一體同（4），選擇所有要合并的體，點(diǎn)擊Apply。4劃分網(wǎng)格在生成幾何模型后，接著要進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。 劃分網(wǎng)格的過程總體上是自動(dòng)完成的，但之前需要 輸入一些生成網(wǎng)格所需要的相關(guān)參數(shù)。圖2-5 劃分網(wǎng)格對(duì)旋流器的網(wǎng)格劃分，劃分出了 145861個(gè)網(wǎng) 格。其網(wǎng)格劃分如圖2-6所示。2.5設(shè)定邊界類型在生成幾何模型并完成網(wǎng)格劃分后，還需要說 明各個(gè)邊界的類型，同時(shí)還要指定各個(gè)區(qū)域的類型。V*

8、v U&I&lB SilltinVELOCITYdilluPRESSUREyjlluPRESSUREV*v U&I&lB SilltinVELOCITYdilluPRESSUREyjlluPRESSURE冏J Show labels J Show colonName:圖2-4網(wǎng)格模型現(xiàn)將定義的各個(gè)面名稱列出：入流口 CELOCITY-INLET ；溢流口 PRESSURE-OUTLET；底流口 PRESSURE-OUTLET；注意GAMBIT注意GAMBIT對(duì)于沒有定義的面，統(tǒng)統(tǒng)定義為固壁邊界（WALL）。開始迭代求解在迭代310次后計(jì)算收斂，斂差曲線如圖2-6所示uju.i-stressk-

9、04Residuals coritinuity x-velucrty i.r-VHlucrty z-velocity nergyk+04 -=k+02 dk+QOuju.i-stressk-04Residuals coritinuity x-velucrty i.r-VHlucrty z-velocity nergyk+04 -=k+02 dk+QOk-03k-06 日k-08 4IterationsJun 38,3007rLUEFTT 6.0 (3d,mirturc, ES虬Scaled 如航duM (Timc=.0000c-01)圖2-6斂差曲線圖3模擬結(jié)果及其數(shù)值分析3.1簡(jiǎn)化與假設(shè)為簡(jiǎn)

10、化求解過程，在建立多相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型之前，根據(jù)水力旋流器內(nèi)液相及 分散相顆粒相流動(dòng)的實(shí)際情況對(duì)其做了一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)，即：顆粒為密度恒定的球形顆粒，在運(yùn)動(dòng)過程中無(wú)破碎、變形等現(xiàn)象。水力旋流器入口液體流速均勻，顆粒進(jìn)口速度等于液相的流速，且均勻分 布于入口。由于顆粒相體積分?jǐn)?shù)小于10%，所以顆粒相可以視作稀分散相，認(rèn)為顆粒 間無(wú)碰撞。溫度恒定，不考慮能量傳遞。3.2旋流器內(nèi)流場(chǎng)壓力分析在FLEUNT里，關(guān) 于壓力有靜壓(Static Pressure)和動(dòng)壓 (Dynamic Pressure)、相對(duì)壓力(Reletive Pressure)和絕對(duì)壓力(Abslute Pressure)以及 總壓

11、力(Total Pressure)之分。它們之間的相互關(guān)系為：靜壓可以理解為就是液體水頭壓力，如果是靜止液體就是由于液體本身的重力而產(chǎn)生的壓力，和液體密 度和液面深度有關(guān)。即：p = P gx式中，p一液體密度，一重力加速度，p = P gx式中，p一液體密度，一重力加速度，液面深度。x動(dòng)壓是和液體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的其定義如下:1=_ 1=_ P u22 力，式中，p 液體動(dòng)壓Pd式中，u為液體運(yùn)動(dòng)的速度。相對(duì)壓力和絕對(duì)壓力是指靜壓相對(duì)于大氣壓而言的，液體的靜壓加上當(dāng)?shù)卮?氣壓即為液體的絕對(duì)壓力?？倝杭礊樗袎毫χ?，就是絕對(duì)壓力和動(dòng)壓之和，有時(shí)總壓也稱為表頭壓 力，就是壓力表所測(cè)得的壓力。在本文的計(jì)

12、算中，為了計(jì)算和討論方便在溢流口和底流口兩個(gè)出口處均設(shè)定 相對(duì)壓力為零，所以這里的靜壓在數(shù)值上等于絕對(duì)壓力。下面以靜壓為例來(lái)說明 問題。圖3-1 YZ平面靜壓圖從圖3-1和3-2上可以看出同一平面上，壓力都是沿著半徑的減小而減小， 壓力分布軸對(duì)稱性較好，外旋流壓強(qiáng)較高，內(nèi)旋流壓強(qiáng)較低，壓力沿軸向變化很 小，同一半徑上壓力幾乎相等說明軸向壓力梯度幾乎為零?？諝庵撬π髌?的一種特有的現(xiàn)象，凡是底流口敞開的旋流器在正常工作的時(shí)候都要出現(xiàn)空氣 柱，以全有些人甚至認(rèn)為空氣柱是維持旋流器正常工作的一個(gè)必有條件。其實(shí)空 氣柱是旋流器流場(chǎng)在特定條件下的一個(gè)產(chǎn)物，研究表明空氣柱的產(chǎn)生必須同時(shí)具 備以下兩個(gè)

13、條件：其一是流場(chǎng)必須和大氣連通；其二是切線速度（或供液壓力） 必須達(dá)到一定值，二者缺一不可。前者保證空氣的來(lái)源，后者提供空氣進(jìn)入流場(chǎng) 的動(dòng)力。圖3-2Z=20圖3-2Z=20的橫截面壓力圖n, C常數(shù)，與工況及旋流器內(nèi)軸向位 置有關(guān)；式中為C為常數(shù)，與旋流器操作條件及結(jié)構(gòu)參數(shù) 有關(guān)；n為指數(shù)，其數(shù)值一般在0.45-0.9之間。雖然Bradley M本人曾認(rèn)為從流 體動(dòng)力學(xué)角度很難對(duì)4.3式予以解釋，但該式確能很好的擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而現(xiàn) 己成為水力旋流器準(zhǔn)自由渦區(qū)液流切向速度的經(jīng)典表達(dá)式。本文采用數(shù)值模擬的方法，給出了切向速度的分布，如圖4-4,可知模擬結(jié) 果與實(shí)測(cè)結(jié)果（圖3-3）基本相同。由圖

14、3-3可以看出切向速度的軸對(duì)稱性較好，圖3-3相關(guān)學(xué)者實(shí)測(cè)切向速度分布 圖其分布曲線的“駝峰”形分布，即每側(cè)都存在一個(gè)最大切向速度點(diǎn)。切向速 度隨著徑向距離的增加而增大。在溢流管之下，最大切向速度的位置是穩(wěn)定的， 與軸向位置無(wú)關(guān)，這與Kelsall的實(shí)測(cè)結(jié)論基本相同。結(jié)4.663e+0003.1.554e+000結(jié)4.663e+0003.1.554e+000-6.217e40Q0一 0 .本文在水力旋流器理論基礎(chǔ)之上應(yīng)用CFD專業(yè)軟件通過合理的建模和設(shè)定 邊界條件，實(shí)現(xiàn)了水力旋流器內(nèi)流場(chǎng)的模擬。主要研究結(jié)果成果如下：（1）定性的驗(yàn)證了模擬結(jié)果的合理性和可靠性，展示了用CFD軟件來(lái)研究 旋流器流

15、場(chǎng)的優(yōu)越性，為研究水力旋流器提供了一種簡(jiǎn)潔高效的研究方法；（2） 通過模擬，驗(yàn)證了選擇Reynolds應(yīng)力方程模型（RSM）的正確性；（3）模擬結(jié)果表明，本文所選擇的建模方法的可行性，可供他人研究水力 旋流器時(shí)參考借鑒，也為深入研究奠定了基礎(chǔ)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】褚良銀，陳文梅，戴光清等.水力旋流器M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998黃樞，水力旋流器的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用(上)J，金屬礦山，1984,(12)： 56-61褚良銀，固液分離用水力旋流器的設(shè)計(jì)，東北大學(xué)徐繼潤(rùn)，羅茜，.水力旋流器流場(chǎng)理論M。北京科學(xué)出版社：1998.1-2郭烈錦，兩相與多相流動(dòng)力學(xué)M.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002佟慶理，兩相流動(dòng)的理論基礎(chǔ)，北京：冶金工業(yè)出版社，1982劉大有，二相流體動(dòng)力學(xué)，北京：高等教育出版社，1993, 9Fluent Inc.,FLUENT Uer Defined Function Manual.Fluent Inc.,2003Fluent Inc.,GAMBIT Modeling Guide. Fluent Inc.,