结构优化型水力旋流器的数值模拟和实验研究

发布时间：2020-11-06 10:21

　　 本文结合课题组现有研究成果,提出了两种结构优化型的水力旋流器。类型-1将旋流器溢流管横截面的外边缘由圆形改进为六边形,相比于传统水力旋流器,该类型分离效率可以提升18.1%。类型-3将旋流器锥部区域横截面的内边缘改进为六边形,通过测试最多可节约49.7%的能耗。类型-2为用作对照的标准结构水力旋流器。使用Fluent流体力学软件,对这三种不同结构水力旋流器的内部流场变化进行了模拟,用以解释结构改进后性能提升原因。关于流场分布,本文以切向速度、轴向速度、径向速度、压力分布等为对象,着重分析了它们的影响。针对不同速度分布与标准结构旋流器相对比,得出了结论,径向速度同分离效率有着更紧密的联系。溢流管改进可使径向速度值增大,强制涡区域增加;锥部结构改进可以有效降低旋流器内部压力的大小。同时,本文提出了基于优化结果的水力旋流器结构的分离机制。作为水力旋流器独具的流动现象,本研究采用高速摄像技术拍摄到了旋流器内部的空气柱形态,并针对结构参数、操作参数的变化对空气柱的影响进行了分析。另外,本文还提出了一种新的流动现象,当物料进入旋流器内部,并在溢流管周围出现大量肉眼不可区分的小气泡时,该区域可被命名为烟雾区域。烟雾区域的存在对分离效率和能量传递均会产生负面影响,未来应注重考虑如何抑制旋流器内部烟雾区域的形成。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.8
【部分图文】：

图 1-1 水力旋流器结构示意图及内部流场分布igure 1-1 Structure diagram of hydrocyclone and the internal fldistribution流器的工作原理为：当流体沿切向入口进入圆柱段后，随旋转运动，因此圆柱段也被称为旋转腔[10]。水力旋流器内，旋流是由内部流体在一定速度和空间中旋流引起的[11]。力旋流器，在后续进料速度作用下产生静压力并在水力旋呈现向下的螺旋状的路径，在旋转过程中完成流体的空间为外旋流。当物料旋转到圆锥区域后，水力旋流器内径向下速度增加，进而产生涡流运动，在旋流器中心区域产生低上作旋转运动，该部分流动被称作内旋流。流体最终通过出口和底流出口完成物料分离[12]。离效果影响较大的力主要包括离心力，向心浮力和流动所是颗粒径向沉降的驱动力，对于分离起到促进的作用；向

第 1 章 绪论条件下的流动状况，以克服上述三种研究方法具有的缺陷。通过 CFD的流场结果，有助于理解水力旋流器中颗粒的分离机制。数值模拟成为研究、数学方法、实验研究之后的又一种研究方法。本文将在第 3 章对力学进行详细介绍。本文研究重点、意义通过观察可以发现，自然界中存在很多六边形，比如蜂巢，乌龟壳，显到的细胞。雪花同样也是六边形，研究表明这样分子排列会更加有效。优异性能，带给了研究者们一些灵感来看一下如果一些水力旋流器中的被改进为六边形，是否将会对于水力旋流器的性能提升带来怎样的影

图 1-3 六边形旋风分离器结构示意图[50]Figure 1-3 Schematic diagram of the hexagon cyclone separator[50]但是旋风分离器与水力旋流器还是有着很大的不同。旋风分离器是用于分离气体中的固体颗粒，水力旋流器则是分离液体中的固相颗粒或其他液相。在进料速度上，气体进料和液体进料存在着数量级上的差别，这会影响到固相颗粒获得的离心力的大小；另外，气体和液体的黏度不同随着温度变化将呈现相反的趋势，黏度对于颗粒分离的阻力作用也是不同的，因此，六边形的使用对于水力旋流器是否也有同样的正面作用需要进行验证。此外，对于普通水力旋流器来说，应用场合多为冶金选矿，污水处理，石油化工等领域，分离颗粒粒径普遍比较大。但是水力旋流器是一种不能完全分离的实验设备，溢流管排出的物料仍然是含有固体颗粒的，需要进行后续处理，且粒径更小浓度更低。本研究希望提出新型结构水力旋流器，能够对这部分颗粒粒径更小、浓度更低的流体进行有效分离，以减少后续分离设备的负荷。本研究主要针对固-液水力旋流器，通过改进局部结构，进而改善水力旋流
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本文编号：2873011