史文亮

（山西新景礦有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤炭作為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活不可或缺的能源之一，近年來(lái)的需求量逐年增加，同時(shí)也對(duì)煤炭生產(chǎn)設(shè)備的要求越來(lái)越高[1]?！吨袊?guó)制造2025》的提出，要求各行各業(yè)提升創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低能耗比[2]。煤泥水處理作為煤炭生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，決定了選煤廠生產(chǎn)煤炭的質(zhì)量和效率，基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)[3-4]。濃縮機(jī)作為煤泥水處理工藝使用的重要設(shè)備，直接影響到煤泥水絮凝沉降和選煤廠洗水閉路循環(huán)的效果，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[5-6]。針對(duì)某選煤廠濃縮機(jī)內(nèi)部工作規(guī)律未知的現(xiàn)狀，借助有限元仿真分析方法，開展?jié)饪s機(jī)內(nèi)部流動(dòng)速度規(guī)律分析研究，以便為濃縮機(jī)的參數(shù)設(shè)置提供技術(shù)參考。

1 濃縮機(jī)濃縮規(guī)律分析方法概述

濃縮機(jī)濃縮規(guī)律分析方法通常包括試驗(yàn)法、理論計(jì)算法和有限元仿真分析法三種，其中試驗(yàn)法需要搭建不同的試驗(yàn)裝置和平臺(tái)，并且需要大量的人力作為保障，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性依賴于試驗(yàn)人員的操作技能水平；理論計(jì)算法進(jìn)行濃縮機(jī)濃縮規(guī)律分析時(shí)，需要設(shè)置較多的假設(shè)條件，并且需要較長(zhǎng)的計(jì)算周期，計(jì)算得出的濃縮規(guī)律模型驗(yàn)證較為困難；近年來(lái)興起的有限元仿真分析法，僅需要一臺(tái)配置較好的計(jì)算機(jī)即可完成，節(jié)省了規(guī)律分析研究的經(jīng)濟(jì)投入，同時(shí)，仿真計(jì)算時(shí)間較短，能夠保證很高的研究效率。綜合以上濃縮機(jī)濃縮規(guī)律研究的方法對(duì)比結(jié)果，本文選擇有限元仿真分析計(jì)算方法，使用Fluent 仿真計(jì)算軟件開展研究工作。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

某選煤廠服役中的煤泥水處理濃縮機(jī)是中心傳動(dòng)濃縮機(jī)，煤泥水入料從濃縮機(jī)的中心處進(jìn)入濃縮機(jī)，煤泥經(jīng)耙架刮耙后從濃縮機(jī)底部由底流泵抽走，而溢流水從濃縮機(jī)外沿處溢流而出。依據(jù)其技術(shù)資料和測(cè)繪結(jié)果，運(yùn)用SolidWorks 三維建模軟件繪制濃縮機(jī)三維模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響仿真計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性，濃縮機(jī)網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能夠保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。濃縮機(jī)模型劃分網(wǎng)格之后如圖1 所示，選擇了六面體網(wǎng)格，對(duì)入料井、底部煤泥沉降處及溢流口附近進(jìn)行網(wǎng)格的局部加密，保證結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度。

圖1 濃縮機(jī)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 參數(shù)設(shè)置

仿真分析參數(shù)設(shè)置內(nèi)容如下：重力加速度方向垂直于地面；選擇Mixture 多相流模型，相數(shù)選擇3 相；湍流模型設(shè)置為Realizable k-ε 模型；材料屬性包括水、煤和顆粒三種，水和空氣的屬性直接由軟件材料庫(kù)調(diào)取，煤顆粒密度設(shè)置為1800 kg/m3，黏性設(shè)置為0.001167 kg/（m·s）。入口流速設(shè)置為0.052859 m/s，出口壓力設(shè)置為0，其他壁面設(shè)置為wall。

2.4 求解方法選擇

濃縮機(jī)濃縮規(guī)律分析為壓力和速度耦合計(jì)算，F(xiàn)luent 仿真計(jì)算軟件中涉及了三種計(jì)算方法可供選擇，分別為SIMPLE 算法、SIMPLEC 算法和PISO 算法。結(jié)合濃縮機(jī)濃縮規(guī)律分析的要求和各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，此處選擇經(jīng)典的SIMPLE 算法，保證了算法的可靠性，而對(duì)動(dòng)量和湍流的計(jì)算選用了二階迎風(fēng)法。

3 仿真結(jié)果

啟動(dòng)Fluent 仿真計(jì)算軟件自帶求解器，完成濃縮機(jī)工作過(guò)程中的速度場(chǎng)分析，提取濃縮機(jī)速度場(chǎng)分布云圖，如圖2 所示。由圖2 可以得出，濃縮機(jī)內(nèi)部速度場(chǎng)區(qū)域較大，為了更加清晰地了解濃縮機(jī)速度場(chǎng)分布，提取速度矢量分析結(jié)果，如圖3 所示。由圖3 可以得出，濃縮機(jī)內(nèi)部不單單是速度分布，還涉及了多個(gè)不同區(qū)域。

圖2 速度場(chǎng)分布云圖

圖3 速度矢量分布云圖

4 規(guī)律分析

4.1 區(qū)域劃分與分析

為了更清晰明了地分析濃縮機(jī)速度場(chǎng)分布情況，將上述矢量速度分布云圖劃分為四個(gè)區(qū)域，分別為進(jìn)口回流區(qū)A、中部回流區(qū)B、出口回流區(qū)C 和上部回流區(qū)D，如圖4 所示。由圖4 可以看出，煤泥水進(jìn)入濃縮機(jī)之后首先進(jìn)入的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口回流區(qū)A，煤泥水沿著濃縮機(jī)側(cè)壁順流至其底部，與此同時(shí)會(huì)有部分煤泥顆粒進(jìn)入中部回流區(qū)B 和上部回流區(qū)D。其中中部回流區(qū)B 是濃縮機(jī)內(nèi)部最為關(guān)鍵的流場(chǎng)區(qū)域，是煤泥水分離過(guò)程中藥劑充分發(fā)揮效果的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)煤泥聚團(tuán)沉降。上部回流區(qū)D 是把較小粒徑煤泥顆粒流轉(zhuǎn)至濃縮機(jī)的頂部，同時(shí)，伴隨水面從濃縮機(jī)中心位置向濃縮機(jī)溢流堰移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)細(xì)小的煤泥顆粒會(huì)被排出，稍微大一點(diǎn)的粒徑煤泥不能被排出的就會(huì)回流至出口回流區(qū)C，之后回流的煤泥將會(huì)再次出現(xiàn)在中部回流區(qū)B，重新完成藥劑溶解和顆粒聚團(tuán)現(xiàn)象。

圖4 速度場(chǎng)區(qū)域圖

4.2 不同位置流速分析

為了進(jìn)一步分析濃縮機(jī)速度場(chǎng)分布情況，對(duì)濃縮機(jī)中心軸不同水平距離豎直方向的流速分布進(jìn)行劃分，如圖5 所示。分析過(guò)程中選擇距離中心軸2250 mm、6688 mm、11125 mm、15563 mm 的4 個(gè)位置，能夠覆蓋濃縮機(jī)內(nèi)部煤泥水流速分析的四個(gè)區(qū)域，提取四個(gè)具有代表性位置的水平方向煤泥水運(yùn)動(dòng)情況，如圖6 所示。

圖5 濃縮機(jī)位置劃分（單位：mm）

圖6 濃縮機(jī)X 軸水平方向流速分布情況

由圖6 分析結(jié)果可以得出，距離中心軸距離2250 mm 位置基本處在了濃縮機(jī)內(nèi)部的進(jìn)口回流區(qū)A 內(nèi)，煤泥水流動(dòng)速度的方向絕大多數(shù)朝著X 軸方向，由此可見，煤泥水進(jìn)入濃縮機(jī)之后會(huì)向外擴(kuò)散；距離中心軸距離6688 mm 位置基本處在了濃縮機(jī)的中部回流區(qū)B 內(nèi)，在高度不高的區(qū)間，煤泥水沿X 軸負(fù)方向的速度大一些，可以得出接近濃縮機(jī)斜面底部的煤泥水存在向下流動(dòng)的趨勢(shì)，高度較高位置的煤泥水流動(dòng)方向沿X 軸正方向，可見在煤泥水不斷進(jìn)入濃縮機(jī)的過(guò)程中，水流朝著外部繼續(xù)擴(kuò)散。距離中心軸距離11125 mm 位置基本處于中部回流區(qū)B 和出口回流區(qū)C 交叉區(qū)域，由此可以看出，濃縮機(jī)底部煤泥水仍然沿著壁面流動(dòng)，但是煤泥水的流動(dòng)方向和速度變化較大，表現(xiàn)出了明顯的湍流性。距離中心軸距離15563 mm 位置基本處在了出口回流區(qū)C，可以看出煤泥水除了沿X 軸流動(dòng)之外，煤泥水在接觸濃縮機(jī)側(cè)壁時(shí)出現(xiàn)了明顯的反向流動(dòng)趨勢(shì)，使煤泥水重新回到了中部回流區(qū)B。上部回流區(qū)D 處在濃縮機(jī)的頂部，該位置煤泥水的流動(dòng)速度較低且變化較大，可見水和空氣會(huì)對(duì)煤泥水的流速產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致其水流變化的多樣性。

5 結(jié)語(yǔ)

濃縮機(jī)作為選煤廠煤泥水處理的重要設(shè)備之一，掌握其內(nèi)部工作規(guī)律對(duì)其合理設(shè)置工作參數(shù)至關(guān)重要。針對(duì)某選煤廠濃縮機(jī)內(nèi)部工作規(guī)律未知的現(xiàn)狀，借助有限元仿真分析方法，開展了濃縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)速度規(guī)律分析研究工作。結(jié)果表明，濃縮機(jī)內(nèi)部煤泥水并不是單純的流動(dòng)，涉及了4 個(gè)區(qū)域，分布為進(jìn)口回流區(qū)A、中部回流區(qū)B、出口回流區(qū)C 和上部回流區(qū)D。濃縮機(jī)不同區(qū)域內(nèi)水流速度和趨勢(shì)范圍是不同的。掌握濃縮機(jī)內(nèi)部煤泥水的流動(dòng)速度規(guī)律，對(duì)于濃縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供了重要的技術(shù)支撐。