充气强化旋流器的固-液分离特性及其疲劳性能研究

发布时间：2020-03-29 16:01

【摘要】：水力旋流器是利用离心力场实现分离的高效分离设备,具有结构简单、操作方便、分离效率高、生产能力大等优点,广泛应用于选矿、化工、生物等众多工业领域。近年来充气旋流分离技术逐渐发展起来,但是这项技术多用于液液分离或者颗粒浮选方面。本文根据充气对旋流器内部流场的影响,提出了充气强化固液分离的方法。结合实验研究、CFD数值仿真和理论分析,系统研究了充气强化固液旋流分离特性及其疲劳性能,得到以下主要结论:(1)采用RSM湍流模型计算湍流流场,选择自由表面VOF多相流模型计算空气柱气液界面,数值模拟计算充气旋流器内部流场结构。研究表明,当充气口位于旋流器圆筒-圆锥过渡段,充气有利于消除旋流场循环流,达到改善旋流流场结构和强化分离的目的。利用PIV测试技术测量旋流器内流场并与CFD仿真结果进行对比,验证了模拟计算的正确性和准确性。(2)设计并搭建了充气固-液旋流分离性能试验平台,研究了进料口速度_iv、充气口部位(A、B、C、D)、充气气压P_(air)等参数对充气旋流分离特性的影响规律。研究表明,分离效率E随进料口流速_iv增加而增大,其增长速率可按分_iv大小分为I、II、III三区域,其中II区即1.5￡v_i￡5.2m/s分离效率增速较大,其它两个区域内分离效率增速较小;压降(35)P_(io)随着A、B、C、D充气口依次逐渐降低,旋流器能耗依次减少;充气口选择对旋流器分离效率有显著影响,其中A、D口充气时降低分离效率,而B、C口充气时提高分离效率,且C口充气强化分离效果最优;充气压力Pair值对压降(35)P_(io)影响很小,但分离效率E随充气压力Pair增加呈正态分布关系,当P_(air)=0.3~0.5MPa时分离效率E达到峰值。因此,充气强化固液旋流分离的推荐工况为:C点充气、v_i(28)5.2m/s和P_(air)=0.4MPa。在此工况下充气旋流分离技术可将中型砂粒(10(27)d_s￡80um)分离效率E_d提高14%,分割粒径d_(50)亦由52μm降低为41μm,具有明显的强化分离效果。(3)为研究空气柱的形态规律,利用高速摄像机系统观测了空气柱生成至稳定的全过程。结果表明,充入带压气体后空气柱从上至下迅速增大并随后稳定,稳定时间t随充气气压的增大而减少;空气柱直径d_(air)随着带压气体充入迅速增大,当P_(air)(28)4.0MPa时d_(ai) _r达到最大值,但P_(ai) _r进一步增加时空气柱直径d_(air)基本保持不变;不同充气口部位(A、B、C、D)不影响空气柱直径d_(air);小气液比(2%)工况下充气旋流空气柱直径d_(air)经验公式为:d_(air)(28)d_c1[(10)(0.66-0.57P_(air)(10)0.73P~2_(air))(d_cd_o)~2]~(-0.625)(4)研究发现充气条件下空气柱非定常运动,且空气柱波动率n_(air)最大可达到18%,旋流器关键部件存在疲劳失效的风险。结合充气旋流器的工况特点,采用实验测试和理论预测的方法研究了旋流器连接螺栓和垫片在循环载荷下的棘轮变形与疲劳失效行为,并考虑了应力幅值、应力速率和加载顺序的影响。构建了35CrMo螺栓材料在应力幅和应力率影响下统一棘轮本构模型,提高了材料累积变形的预测精度。
【图文】：

第 1 章 绪 论第 1 章 绪 论和概况用离心力实现多相分离的化合、液液混合）以一定速度离器结构限制，流体由直线流用各相密度差达到有效分离流由底流口排出了；轻质相、外旋流的流动状态如图 1的离心加速度远大于重力加速置，，水力旋流器的分离效率

论文的逻辑结构和技术路线
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.8

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本文编号：2606196