孫啟瀟 陶有俊 王 旭 張學(xué)彬 朱向楠 羨宇帥（中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116）

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基于CFD的Falcon分選機內(nèi)部流場測試?

孫啟瀟 陶有俊 王 旭 張學(xué)彬 朱向楠 羨宇帥
（中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院,江蘇省徐州市,221116）

摘要通過制作Falcon離心分選機1∶1有機玻璃模型機,搭建了高速動態(tài)測試平臺,利用高速動態(tài)技術(shù)對離心分選機流場進行測試,獲得流場流態(tài)以及流速信息。測試結(jié)果表明,分層區(qū)流膜分布與數(shù)值計算分析吻合,且流膜厚度計算公式較為準(zhǔn)確,采用雷諾應(yīng)力模型模擬Falcon離心分選機流場流速與實測結(jié)果偏差不大,因此該模型具有良好的適用性,流場內(nèi)存在霧化現(xiàn)象,會造成一定回流。

關(guān)鍵詞Falcon 分選機 流膜 高速動態(tài) 流場 數(shù)值計算

采用強化離心重力分選方法,即在離心力場中進行離心重力分選和流膜分選,可實現(xiàn)對－0.5 mm級高硫煤高效脫硫和降灰。加拿大Falcon公司和美國南伊利諾斯大學(xué)共同開發(fā)的Falcon離心分選機正是利用了這種強化重力分選的方法,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于選礦行業(yè)。

目前,Falcon離心分選機在分選細(xì)粒煤的應(yīng)用中已經(jīng)開展了大量的基礎(chǔ)動力學(xué)研究以及大量的實驗室階段試驗,但是對于離心分選機內(nèi)部流場特性以及顆粒的運動情況還有待于進一步的研究。采用非接觸式觀測是針對流場研究最為直觀有效的方法,但是存在Falcon離心分選機的轉(zhuǎn)速高、流膜厚度薄以及流場情況較為復(fù)雜,使得這類觀測技術(shù)只能成為輔助的研究方法。隨著計算機技術(shù)和湍流模式理論實際應(yīng)用的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為近期人們研究流場運動的主要方法之一。配合現(xiàn)有的觀測技術(shù),利用CFD模擬Falcon離心分選機的流場,借此來深度探究流場特性并應(yīng)用于分選機制的建立以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化,便成為主要的研究手段。

1　Falcon離心分選機結(jié)構(gòu)與工作過程

Falcon離心分選機主要是由倒錐形旋轉(zhuǎn)內(nèi)筒、鉆有水孔的來復(fù)圈以及帶動轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的電機組成。Falcon離心分選機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　Falcon離心分選機結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可以看出,其分選過程為物料經(jīng)調(diào)漿后由蠕動泵給入離心分選機轉(zhuǎn)筒底部,在離心力作用下跑向轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁,同時受到由內(nèi)外轉(zhuǎn)筒之間垂直射入的反沖水的作用,使得來復(fù)圈內(nèi)的物料床層能夠松散。此時,在反沖水和離心力的共同作用下,密度高的物料沉到來復(fù)圈底,密度低的物料隨溢流流出轉(zhuǎn)筒,形成精礦產(chǎn)品。

2　Falcon離心分選機內(nèi)部流場測試

對于高速旋流的大渦模擬以及帶有射流的復(fù)雜流場,其流動特性決定著分選機的分選機制和分選效果,因此深入了解流場特性是極有必要的。鑒于實驗室階段離心分選機流場空間較小且機體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳統(tǒng)的接觸式測試方法是不可行的,于是采取非接觸法來觀測流場成為首選。其中利用高速動態(tài)攝像對離心分選機內(nèi)部流場進行觀測是揭示離心流膜分選的重要手段之一。

2.1測試準(zhǔn)備

借助光學(xué)拍攝這種非接觸式測試手段來獲取流場的各項真實信息,需要測試區(qū)域具有良好的光學(xué)特性。為此,利用有機玻璃制作離心分選機模型,進而搭建了流場觀測的試驗平臺。

2.1.1試驗平臺

根據(jù)Falcon SB40型號離心分選機機體大小制作了1∶1的有機玻璃樣機如圖2所示。

2.1.2高速動態(tài)測試系統(tǒng)

高速動態(tài)測試系統(tǒng)具體連接圖如圖3所示。

2.2高速動態(tài)測試

2.2.1流膜厚度測試

在流膜分選設(shè)備中,流膜厚度是一個極為重要的指標(biāo),更是流膜分選設(shè)備工業(yè)化中參考的相似準(zhǔn)則。利用高速動態(tài)拍攝（高速動態(tài)高倍率鏡頭下最大測量精度為0.1 mm）Falcon離心分選機流場,不僅可以觀測到流膜厚度的分布,更能通過后處理軟件對具體的觀測數(shù)值進行測量,測量得到的結(jié)果可用于流膜厚度的數(shù)學(xué)模型的驗證。

圖2　離心分選機有機玻璃模型

圖3　高速動態(tài)系統(tǒng)及試驗設(shè)備連接圖

分層區(qū)采用水平拍攝,選取中心豎軸截面;而分選區(qū)則因為水平觀測效果欠佳,采用俯視拍攝的方法選取橫軸截面,2種觀測方式的布置如圖4所示。

圖4　拍攝布置圖

（1）流膜分布的觀測與測定。根據(jù)以上的觀測方法分別對分層區(qū)和分選區(qū)的流膜進行觀測并通過i －SPEED Control pro圖像后處理軟件獲取測量值。分層區(qū)拍攝采用水平拍攝方法,快門速度為3000 fps。通過整個分層區(qū)的流膜觀測可確定流膜表面呈反比例函數(shù)曲線分布,這與理論推導(dǎo)也是一致的。

（2）流膜厚度的實測與驗證。利用i－SPEED Control pro圖像后處理軟件測量具體的流膜厚度并與推導(dǎo)出的流膜厚度計算模型進行驗證,流膜厚度計算公式見式（1）:

式中:H——流膜厚度,m;

ΔH——分選區(qū)高于溢流堰面高度,m;

h——來復(fù)圈深度,m;

n——反沖水孔數(shù)量,個;

φ——流速因數(shù);

H反——反沖水作用水頭,m;

R——半徑,m;

k——常數(shù);

Q0——入料流量,m3/s;

g——重力加速度,m/s2;

i——離心強度。

對于分層區(qū)流膜厚度的測量,因低于30 mm水平高度的流膜厚度隨給料的均勻性變化波動較大,該高度以下的流膜精確測試并沒有多大的意義,所以選取35 mm高度處的流膜厚度來進行數(shù)值試驗驗證,分層區(qū)流膜厚度計算值與實測值對比表見表1。

表1　分層區(qū)流膜厚度計算值與實測值對比表

分選區(qū)的流膜厚度測量則選擇靠近溢流堰處的流膜,分選區(qū)流膜厚度計算值與實測值的對比表見表2。

表2　分選區(qū)流膜厚度計算值與實測值對比表

由以上分層區(qū)及分選區(qū)流膜厚度對比驗證可知,流膜厚度計算公式能夠預(yù)測不同工況下的流膜厚度,這對于設(shè)備的相似計算以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著重要的意義。

2.2.2流場速度測試

對于高速轉(zhuǎn)動的離心分選機,其內(nèi)部流體速度場的測定較為困難,加之轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜,觀測面是二維平面以及流膜極薄等因素,使得觀測徑向速度分布難度極大,相比而言切線速度與軸向速度的觀測效果較好,能獲得可靠信息。因此這一部分的測試試驗是針對模擬結(jié)果進行對比驗證試驗。

雖然高速動態(tài)測試能夠通過后期處理軟件對標(biāo)定的顆粒進行追蹤并測得其速度,但空間狹小的流場使得這種追蹤對于顆粒位置的把握不佳,所以選取具有代表性位置的流膜速度和顆粒速度作為測量對象,即流膜上層和底層的顆粒。針對液體速度的測試,采用密度較小的聚苯乙烯泡沫珠作為示蹤粒子,粒度在1 mm左右,而固體速度的測試則采用密度為1800 kg/m3以及粒度為0.5 mm的細(xì)粒煤作為觀測對象。

不同轉(zhuǎn)速下上層流膜切向速度和軸向速度試驗值與模擬值比較及其偏差如圖5和圖6所示。

由圖5（a）和6（a）可以看出,液體切向及軸向速度模擬值同試驗值的變化趨勢是基本一致的,但在數(shù)值上存在一定的偏差;由圖5（b）和6 （b）可以看出,切向速度模擬值和試驗值之間的偏差僅為±10%,而軸向速度兩值偏差為±20%。后者偏差較大的原因在于相對穩(wěn)定變化的切向速度而言,軸向加速度的方向發(fā)生變化,試驗中示蹤粒子的馳豫現(xiàn)象以及來自流場其他方面的干擾使得與模擬值偏差加大。

不同轉(zhuǎn)速下顆粒切向速度和軸向速度試驗值與模擬值比較及其偏差如圖7和圖8所示。

圖5　不同轉(zhuǎn)速下上層流膜切向速度試驗值與模擬值比較及其偏差

圖6　不同轉(zhuǎn)速下上層流膜軸向速度試驗值與模擬值比較及其偏差

圖7　不同轉(zhuǎn)速下顆粒切向速度試驗值與模擬值比較及其偏差

由圖7（a）和8（a）可以看出,顆粒切向及軸向速度模擬值同試驗值的變化趨勢也是基本一致的,但顆粒的切向及軸向速度模擬值同試驗值的偏差較液體的大一些;由圖7（b）和8（b）可以看出,顆粒切向速度模擬值和試驗值之間的偏差為±20%,而軸向速度兩值偏差為±30%,誤差的進一步增大仍然與馳豫現(xiàn)象有關(guān),顆粒的慣性力越大,其馳豫時間越長,表現(xiàn)為結(jié)果對比的偏差變化上。此外顆粒所在位置與模擬中選取速度的位置存在一定偏差,這也是造成結(jié)果對比中偏差增大的一個原因,由以上的多組試驗值與模擬值比對可以確定模擬中所選取的雷諾應(yīng)力模型的準(zhǔn)確性。

圖8　不同轉(zhuǎn)速下顆粒軸向速度試驗值與模擬值比較及其偏差

3　結(jié)論

采用高速動態(tài)拍攝技術(shù)來獲取Falcon離心分選機流場流動信息。鑒于觀測到的流場信息有限,本研究工作重點集中在試驗驗證,主要工作和結(jié)論如下:

（1）制作了1∶1的Falcon離心分選機有機玻璃模型,搭建高速動態(tài)測試平臺,實現(xiàn)不同條件下流場的流態(tài)觀測及速度測量。

（2）利用后處理軟件對分層區(qū)及分選區(qū)流膜厚度進行測量,并與推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型的計算結(jié)果進行比對,驗證了流膜厚度計算模型的實用性。

（3）通過高速動態(tài)觀測,得到上層流膜的切向及軸向速度,并與相同工況下的模擬值進行比對,確定了雷諾應(yīng)力模型適合用于模擬Falcon離心分選機流場。

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（責(zé)任編輯王雅琴）

★煤礦安全★

Testing of Falcon separator inner flow field based upon CFD

Sun Qixiao,Tao Youjun,Wang Xu,Zhang Xuebin,Zhu Xiangnan,Xian Yushuai
（School of Chemical Engineering and Technology,China University of Mining& Technology, Xuzhou,Jiangsu 221116,China）

AbstractAccording to making 1∶1 organic glass model of Falcon centrifugal separator,the authors built a high-speed dynamic test platform and tested the flow field of centrifugal separator to get flow regime and flow velocity information by using high-speed dynamic technology.The testing results showed that flowing film distribution in layering area was consistent with analysis of numerical calculation,and the calculation formula of flow film thickness was more accurate.Simulation results of flow field velocity in Falcon centrifugal separator by reynolds stress model had little deviation with the measured results,thus the model had great applicability,but atomization phenomenon in flow field would cause some reflux.

Key wordsFalcon separator,flow film,high-speed dynamic,flow field,numerical calculation

作者簡介:孫啟瀟（1991－）,男,江蘇徐州人,在讀碩士研究生,主要研究方向為煤炭分選過程中的數(shù)值模擬。

基金項目:?國家自然科學(xué)基金（51374206）,國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目（51221462）

中圖分類號TD942

文獻標(biāo)識碼A