离心筛分耦合作用下的流场特征及颗粒透筛机理研究

发布时间：2020-06-21 19:17

【摘要】：三产品旋流分级筛(TPHS)通过在传统水力旋流器(CH)内增设柱段筛网创新的实现了离心和筛分耦合作用下的(简称“耦合”)颗粒分级。近年来,主要通过实验探索的方式对TPHS进行结构优化、过程调节及性能预测等研究,但对其内部多相流动的认识尚不充分,对其流场特征和颗粒透筛机理的准确描述尚属空白。因此,课题围绕TPHS,从多相流体动力学角度出发,以CFD和DEM理论分析为切入点,在合理仿真理论体系建立的基础上,对耦合流场的多相流动进行数值模拟,在模拟结果与相同条件下的物理样机实验对比验证的基础上,深入研究了设备内耦合流场分布特征和颗粒透筛机理,揭示了流体及颗粒运动规律。主要研究内容和结论包括:1)借助PIV技术对φ75mmTPHS柱段筛网内耦合流场进行测试,通过Top-hat形态学滤波背景去噪和Adaptive correlation互相关算法等对检测结果进行分析,获得了精确的流场信息。2)以φ75mmTPHS为对象进行耦合流场的几何建模,以VOF和RANS算法进行流动建模,在时间步长10~(-3)s、迭代残差10~(-6)、模拟时长20s等条件下可通过SIMPLEC算法获得不同边界条件的耦合流场的收敛解,对15~20s间的时均计算可获得稳定的宏观流动。3)数值模拟结果的验证和确认表明:中等密度网格(约200万数量)可提供经济的网格无关解;基于文中表4-2初始网格高度生成网格时,可获得合理的y~+分布;相同边界条件下的CFD仿真和PIV实验对比表明,结合VOF多相流模型和Linear Pressure-Strain湍流模型可获得耦合流场得既经济又精确的数值解。4)借助CFD仿真技术,对耦合流场分布特征进行全面分析:(1)流体沿切向高速给入TPHS后做旋流向下运动,由于柱段筛网的存在部分流体透筛形成筛下流,其余流体继续流动至锥段形成底流,未及时排出流体逐渐充满流场并形成溢流。(2)除外旋流、内旋流、中心下流和二次循环流外,耦合流场呈现了特有的筛下流和筛下返流等,且消除了空气柱和短路流。(3)与CH相比,耦合流场具有更低切向速度和更高径向速度,且其值大小随半径增加先增大后降低,此外后者轴向速度亦呈现出典型的LZVV特征。(4)耦合流场的静压呈轴对称分布,其值随轴向深度增加先降低后增大随后再次降低;柱段筛网内外侧静压差△p随轴向深度的增大由正逐渐降为负。(5))耦合流场的湍流强度I、湍动能k和湍流耗散率ε值分布类似:入料柱段及筛下流出口附近柱段筛网区锥段区,筛网内侧筛网外侧。(6)流体透筛量和筛下返流量均与入口速度成正比;流体沿柱段筛网内侧向筛网外侧的净透筛量随轴向深度加深由正逐渐变为负。5)通过流体动力学分析,建立了单一筛缝下流体透筛流量及占比方程,并指出筛网两侧压差是流体透筛的根本原因,同时结合量纲分析和达西定律推导出耦合流场的透筛流量控制方程(?)。6)耦合流场优化研究中认为:(1)单入料口+双筛下出料口的几何结构在保证锥段离心强度的条件下提升了流场对称性;(2)合理的柱段筛网结构(筛缝大小和筛网高度)可完全消除返流现象。7)采用CFD-DEM模拟对耦合流场内的颗粒运动进行研究:(1)结合颗粒动力学和相似放大准则对1/2缩放几何模型内的颗粒运动进行建模,并采用分布式策略进行仿真,其模拟结果呈现出与文献实验一致的趋势。(2)与CH不同,颗粒在TPHS内是在离心和筛分共同作用下分级的,可分为入料柱段的预先分层、柱段筛网的耦合分级和锥段区域的离心分级;并且,相同条件下,TPHS比CH具有更好的颗粒分级效果。(3)离心和筛分耦合作用下的颗粒透筛主要发生在径向和切向的合运动上,而轴向运动可基本忽略,其透筛粒度方程可描述为d_p(?)。(4)在颗粒透筛过程中,曳力是主导作用力,虚拟质量力和压力梯度力阻碍颗粒透筛运动,重力可忽略,碰撞作用力随机影响。该论文有图78幅,表17个,参考文献230篇。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD921.3
【图文】：

示意图,旋流分级,三产品,实物

设计了一种新型的三产品旋流分级筛（Three products hydrocyclone screen, TPHS）[10]，其结构示意图如图1-1（a）和（b）所示，该设备是基于普通的水力旋流器（Conventional hydrocyclone,CH）的结果优化与改进。从图中可以看出，TPHS 与 CH 在结构上较为相似，都有入料口、入料腔体、柱段结构、锥段结构、底流口、溢流管及溢流口等组成。不同的是 TPHS 内部增设了一定筛缝的柱段筛网（如图 1-2 所示），借以实现颗粒在筛分和离心的共同作用下进行分级。TPHS 内的柱段筛网主要由一定筛缝的筛网、环形加强筋、水平加强筋和上下固定盘组成。其中，加强筋的作用是使筛网在高强度旋流作用下保持筛面形状不变，上下固定盘用来固定筛网。筛网的开孔率一般在 20~30%，筛缝大小根据具体的实际需求选取，此外，筛网材质通常选用耐磨钢，一般条件下筛网的寿命可达到 3000h[11]。图 1-1 三产品旋流分级筛（TPHS）（a）示意图和（b）实物图Figure 1-1 Three products hydrocyclone (TPHS) (a) Schematic diagram and (b) photograph（a）（b）

筛网,加强筋,筛条,固定板

S 筛网实物图：（a）固定板、（b）环形加强筋、（c）垂直加强筋、（（e）筛网俯视图、（f）筛缝和（g）筛条 Photograph of cylindrical screen in TPHS: (a) plate (b) annular stiffenestiffener (d) sieve (e) top view of the sieve (f) aperture and (g) screen ba 的操作过程与 CH 类似，但由于柱段筛网的存在，新设备生成了一个新的产品流即筛下流[12]。尽管只是对 CH 的做PHS 却实现了颗粒群在三个产品流中的分布优化，强化了传统水力分级中被认为是固有缺陷的 Fish-hook 效应，其设备性能更优越[11]。经过连续多年的深入研究和现场应用功替代 CH 在工业现场得到推广应用，如图 1-3，并取得益[13]。与 CH 相比，TPHS 突破了颗粒粒度分离方式的单粒分离方法集成在一起，具有分级效率高、处理量大等明工业应用上有较好应用前景。

【参考文献】