超细颗粒旋流分离器的结构优化

论文摘要

针对集成膜法海水软化装置去除海水中5μm以上固体悬浮物的要求,本研究提出以内构件实现导流、整流并强化旋转,开发出了内置螺旋导流板和曲线长锥体的α-Pa型旋流器。本文所做主要研究工作如下:首先,以CFD模拟软件Fluent6.2提供的雷诺应力模型（RSM）为基础,分析了α-Pa型旋流器中速度矢量、切向速度、轴向速度、静压、动压等参数的分布规律,研究了水力旋流器内溢流管、螺旋导流板和曲线长锥体结构对其分离性能的影响。利用相间耦合的随机轨道模型对α-Pa型旋流器内的颗粒运动行为进行模拟,预测了不同粒径颗粒的运动轨迹,通过对颗粒运动轨迹的分析,寻找颗粒相运动行为和流场之间的相互影响规律。模拟结果表明:将溢流管由直圆管改为渐扩管后,使得溢流出口流体的动能转化为静压能,从而降低能耗;α-Pa型旋流器以其内构件——螺旋导流板实现了对流体的导流和整流,抑制流体湍动,有效地消除了“砂环”影响;曲线长锥体结构延长了流体在旋流器内的流动时间,有利于细颗粒的分离。其次,依据模拟优化结果,加工了相同尺寸的常规旋流器和α-Pa型旋流器,以水-细砂为实验物系对两旋流器的分离性能开展了室内性能测试对比实验。实验结果表明:与常规旋流器相比,α-Pa型旋流器以内构件对流体进行导流和整流后,不仅流场稳定,而且压降低、能耗小。在相同操作条件下,α-Pa型旋流器对于小粒径颗粒的分级效率优于常规旋流器;对于5μm粒径的颗粒其分离效率达到90%;当分流比为0.87时,其分割粒径d50为1.3μm。以海水为实验物系对α-Pa型旋流器的分离性能做了现场性能测试实验,结果表明:当海水浊度小于4NTU时,经旋流处理后海水浊度变化较小;当海水浊度大于4NTU时,经旋流处理后海水浊度变化显著。α-Pa型旋流器对细颗粒的分离效率较高,其分离性能达到了超滤前海水软化装置对海水分离粒度及效率的要求。最后,根据平衡轨道理论,本文建立了α-Pa型旋流器中d50求解的数学模型。计算结果表明:实验测试所得的分割粒径d50和数学模型计算所得到的分割粒径d50基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 水力旋流器的研究历史及现状
• 1.2 水力旋流器的理论发展
• 1.2.1 平衡轨道理论模型
• 1.2.2 滞留时间理论模型
• 1.2.3 群集理论
• 1.2.4 两相湍动理论模型
• 1.3 水力旋流器的结构研究
• 1.3.1 水力旋流器的整体结构类型
• 1.3.2 水力旋流器的局部结构类型
• 1.4 水力旋流器的流场研究
• 1.4.1 水力旋流器内流速分布
• 1.4.2 水力旋流器流场研究方法
• 1.4.3 水力旋流器内空气柱的研究
• 1.4.4 水力旋流器内短路流的研究
• 1.5 评价水力旋流器分离性能的重要指标
• 1.5.1 流量比
• 1.5.2 分离修正总效率
• 1.5.3 分级效率
• 1.5.4 分割粒径
• 1.5.5 处理能力和压降
• 1.6 本论文的研究目的及意义
• 第二章 α-Pa 型旋流器的结构设计
• 2.1 结构设计的理论基础
• 2.1.1 螺旋导流板结构
• 2.1.2 三次曲线长锥体结构
• 2.2 旋流器的结构参数设计
• 2.2.1 旋流器直径
• 2.2.2 旋流器的开口尺寸
• 2.2.3 溢流管插入深度及厚度
• 2.2.4 溢流管结构
• 2.2.5 旋流器的锥角
• 2.2.6 旋流器筒体长度
• 2.2.7 旋流器的安装倾角
• 2.2.8 螺旋板结构设计
• 2.2.9 曲线锥体的设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 α-Pa 型旋流器流场的数值模拟
• 3.1 CFD 模拟软件简介
• 3.1.1 FLUENT 软件概述
• 3.1.2 GAMBIT 软件概述
• 3.2 旋流器几何模型建立与数值模拟方法选择
• 3.2.1 几何模型建立
• 3.2.2 数值计算方法的确定
• 3.2.3 湍流模型的选择
• 3.2.4 求解器的选择
• 3.2.5 差分格式和压力插补格式的选择
• 3.2.6 压力-速度耦合方程的离散
• 3.2.7 边界条件设置
• 3.3 设计方案的确定与再优化
• 3.4 局部结构模拟结果分析与讨论
• 3.4.1 常规型旋流器速度场分布
• 3.4.2 α旋流器螺旋板角度的模拟研究
• 3.4.3 α-Pa 型旋流器溢流管结构的研究
• 3.5 α-Pa 型旋流器流场模拟
• 3.5.1 α-Pa 型旋流器速度场模拟研究
• 3.5.2 α-Pa 型旋流器压力场模拟研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 颗粒运动轨迹数值模拟预测
• 4.1 离散相模型与初始边界条件
• 4.1.1 离散相模型
• 4.1.2 初始条件设置
• 4.1.3 边界条件设置
• 4.2 颗粒运动轨迹
• 4.2.1 不同粒径单个颗粒运动轨迹
• 4.2.2 不同位置单个颗粒运动轨迹
• 4.2.3 多个颗粒运动轨迹
• 4.3 操作参数对分离性能的影响
• 4.3.1 分离性能计算方法
• 4.3.2 流量对分离效率的影响
• 4.3.3 分流比对分离效率的影响
• 4.3.4 颗粒粒径对分离效率的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 α-Pa 型水力旋流器的实验研究
• 5.1 固-液分离水力旋流器主要特征参数
• 5.1.1 固-液分离水力旋流器主要性能参数
• 5.1.2 固-液分离水力旋流器主要操作参数
• 5.1.3 影响固-液分离水力旋流器的主要物性参数
• 5.2 水力旋流器室内性能测试实验
• 5.2.1 室内实验目的
• 5.2.2 室内实验装置
• 5.2.3 室内实验物系
• 5.2.4 室内实验步骤
• 5.2.5 数据处理方法
• 5.2.6 室内实验结果与讨论
• 5.3 α-Pa 型旋流器现场性能测试实验
• 5.3.1 现场实验目的
• 5.3.2 现场实验装置
• 5.3.3 现场实验物系
• 5.3.4 现场实验步骤
• 5.3.5 现场实验结果与讨论
• 50 数学模型建立'>5.4 α-Pa 型旋流器中 d₅₀数学模型建立
• 5.5 本章小结
• 结论
• 1. 主要研究成果
• 2. 应用前景预测
• 3. 工作展望
• 参考文献
• 附录1 1#旋流器溢流、底流粒度分布测试数据
• 附录2 2#旋流器溢流、底流粒度分布测试数据
• 附录3 3#旋流器溢流、底流粒度分布测试数据
• 附录4 4#旋流器溢流、底流粒度分布测试数据
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录