α型旋流器流场的数值模拟与性能研究

论文摘要

本研究以流体模拟软件Fluent6.2模拟α型水力旋流器流场结构及固体颗粒运动情况，分析了旋流器内的涡流状况和固体颗粒的运动轨迹，为改善旋流器内流场分布，提高旋流器的性能提供理论依据；并在模拟结果的指导下，提出采用锥形渐扩溢流管结构以降低能耗、提高分离效率。所作主要研究工作如下：1、运用流体模拟软件Fluent6.2，基于RSM模型对旋流器模型进行模拟运算，结果表明：α型旋流器消除了常规旋流器存在的“砂环”的影响；流型规整、流场稳定，减少了入口部位阻力损失。分离空间内切向速度和轴向速度分布的轴对称性较好，旋流腔不存在次级涡流。2、在RSM模型模拟湍流流场的基础上，采用相间耦合的随机轨道模型对固体颗粒运动轨迹进行初步考察，并对不同粒径颗粒的分离效率进行了模拟与实验的比较分析。结果表明，进入旋流器的大颗粒旋转的螺距较大，颗粒被迅速甩向器壁旋转向下，进入底流被捕集。小颗粒旋转的螺距较小，它离开(被捕集或逃逸)分离器的时间(路程)较长。该方法对于粒级分离效率具有一定的预测性。3、提出采用锥形渐扩溢流管结构的旋流器，模拟结果显示：溢流管结构的变化基本上未改变压力的分布：在溢流管内，只有动压分布受到影响；而在分离空间内，其各项压力分布与普通旋流器内的分布趋势基本相同。溢流管内的切向速度值低于常规型，而其他有效分离空间内的切向速度值均高于常规型。4、α型旋流器实验测试结果表明：对于高固含量的物料(固体质量分数高达60％)，渐扩溢流管的α型旋流器的分离效率达到了92％以上，其性能提高显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 综述
• 1.1 旋流器的发展概况
• 1.2 旋流器的特点
• 1.2.1 水力旋流器的原理
• 1.2.2 水力旋流器的流场特点
• 1.2.3 常规旋流器结构特点
• 1.2.4 水力旋流器的发展特点
• 1.3 水力旋流器分离理论
• 1.3.1 溢流模型
• 1.3.2 平衡轨道理论模型
• 1.3.3 滞留时间理论模型
• 1.3.4 涌挤理论
• 1.3.5 两相湍动理论模型
• 1.4 水力旋流器的数值模拟研究
• 1.4.1 湍流模拟研究进展
• 1.4.2 两相流动模型研究进展
• 1.4.3 水力旋流器的数值模拟
• 1.5 水力旋流器的特征参数
• 1.5.1 生产能力Qe
• 1.5.2 分流比F
• 1.5.3 压力降
• 1.5.4 分离效率η与修正分离效率
• 1.5.5 颗粒尺寸d及修正分级精度
• 1.5.6 分级效率G（d）及修正分级效率G’（d）
• 1.6 α型水力旋流器
• 1.6.1 常规型水力旋流器
• 1.6.2 α型水力旋流器的结构及工作原理
• 1.7 本论文的研究目的、意义及主要工作
• 第二章 旋流器数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 湍流模型的选择
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 雷诺平均
• 2.2.3 RSM模型
• 2.3 计算方法选择
• 2.3.1 差分格式选择
• 2.3.2 压力差补格式的选择
• 2.4 FLUENT软件概述
• 2.4.1 GAMBIT软件
• 2.4.2 FLUENT软件
• 2.4.3 FLEUNT模拟步骤
• 第三章 α型旋流器内单相流场的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 CFD计算模型与方法
• 3.2.1 几何建模
• 3.2.2 网格划分
• 3.2.3 边界条件设置
• 3.2.4 计算策略
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 流体迹线图
• 3.3.2 速度矢量分布
• 3.3.3 切向速度分布
• 3.3.4 轴向速度分布
• 3.4 操作参数对α型水力旋流器速度场的影响
• 3.4.1 分流比对轴向速度场的影响
• 3.4.2 分流比对径向速度场的影响
• 3.4.3 分流比对切向速度场的影响
• 第四章 旋流器固体颗粒随机轨道的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 离散相模型及数值计算方法
• 4.2.1 离散相模型
• 4.2.2 颗粒运动方程和轨迹方程
• 4.2.3 边界与初始条件
• 4.2.4 分离效率的计算方法
• 4.3 颗粒轨迹的追踪
• 4.3.1 不同粒径的颗粒轨迹分离特征
• 4.3.2 与常规型旋流器颗粒轨迹分离特征的比较
• 4.3.3 颗粒粒级分离性能预测
• 第五章 溢流管结构改进
• 5.1 引言
• 5.2 锥形渐扩溢流管旋流器的几何结构
• 5.3 数值计算模型与方法
• 5.4 流场分析
• 5.5 新型溢流管结构与传统直圆管溢流管结构旋流器的流场对比
• 第六章 α型水力旋流器的性能研究（实验研究）
• 6.1 影响旋流器分离性能的参数
• 6.1.1 物性参数
• 6.1.2 操作参数的选取
• 6.1.3 操作参数的调试
• 6.2 水力旋流器分离性能的实验研究
• 6.2.1 实验目的及意义
• 6.2.2 实验流程
• 6.2.3 实验步骤
• 6.2.4 数据处理方法
• 6.2.5 实验中发现的一些问题
• 6.2.6 实验结果与讨论
• 结论
• 参考文献
• 附录1 砂样粒径分布
• 附录2 1#旋流器实验数据表
• 附录3 2#旋流器实验数据表
• 附录4 α型旋流器装配图
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录