基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究.pdf

基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究唐海龙1,2，樊玉萍1,2，马晓敏1，董宪姝1，常明1（1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024；2.太原理工大学山西省生态矿业工程研究中心,山西太原030024）摘要：煤泥水中一般含有大量高分散性悬浮颗粒，固液分离难度大。通过调控湍流来强化流体混合和颗粒碰撞是实现固液分离的有效途径。颗粒碰撞絮凝大多发生在湍流环境中，细微颗粒的运动受湍流最小涡尺度影响较大。研究借助撞击流对湍流涡进行调控以强化两种不同密度悬浮液混合及悬浮液中细微颗粒的碰撞。利用两种不同的解算模型对混料桶中悬浮液混合状况及颗粒的分布进行了三维仿真，进入混料桶的水相被视为连续相，固体颗粒被视为连续相（悬浮液）或二次离散相（颗粒），分析了不同入料密度下不同流速比对混料桶内湍流特征参数及颗粒分布的影响。结果表明：相互垂直碰撞的射流形成的撞击流可诱导产生发卡涡、展向涡和轴向涡等湍流宏观涡。颗粒在湍流宏观涡中移动的速度顺序为：大粒度大密度大粒度小密度小粒度大密度小粒度小密度。涡涡之间、涡主流之间的交互作用显著提高湍流动能、降低涡尺度，最终形成的最小尺度涡有利于颗粒聚集碰撞；混料桶内流场中产生的最小涡尺度主要以小于平均最小涡尺度的涡为主。上侧入料流速比 vupvside从 1.2581.87 增大至 1.8821.258，最小涡尺度呈现增大趋势，与入料密度无关。当流速比相近，仅流速增大时，最小涡尺度减小。适当增大上侧入料流速比有助于流体混合及颗粒聚集碰撞，且上侧入料流速比在 1.401.50 时，混合密度、表观黏度、颗粒聚集均达到最优效果。此外，在同一流速比时，上入料口入料密度大于侧入料口入料密度的情况下，混合均匀性和混合强度均优于上入料口入料密度小于侧入料口入料密度的情况，更有利于流体混合及颗粒碰撞。研究通过对流体水力条件的调控促进混料桶中煤泥水混合及细微颗粒凝聚，为液液混合和固液分离过程强化方式提供了一种新的思路。关键词：湍流涡；细微颗粒；固液分离；撞击流；数值模拟；过程强化中图分类号：TD94;TD921文献标志码：A文章编号：02532336（2023）10032313Study of slime water mixing process intensification usingimpingement flow regulationTANGHailong1,2,FANYuping1,2,MAXiaomin1,DONGXianshu1,CHANGMing1（1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Engineering Research Center of Ecological Mining inShanxi Province,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China）Abstract:slimewatergenerallycontainsalargenumberofhighlydispersedsuspendedparticles,makingsolid-liquidseparationdifficult.Strengtheningfluidmixingandparticlecollisionbyregulatingturbulenceisaneffectivewaytoachievesolid-liquidseparation.Particlecollisionflocculationmostlyoccursinturbulentenvironmentswherethemotionoffineparticlesisstronglyinfluencedbytheturbulentminimumvortexscale.Inthisstudy,turbulentvorticesaremodulatedbyimpingingflowstoenhancethemixingoftwodifferentdensitysuspensionsandthecollisionoffineparticlesinthesuspension.Twodifferentsolutionmodelswereusedtosimulatethemixingconditionofthesuspensionandthedistributionoftheparticlesinthemixingdruminthreedimensions.Thewaterphaseenteringthemixingdrum收稿日期：20220909责任编辑：黄小雨DOI：10.13199/ki.cst.2022-1460基金项目：国家自然科学基金资助项目（52074189，51820105006）作者简介：唐海龙（1992），男，甘肃临夏人，硕士研究生。E-mail：通讯作者：樊玉萍（1988），女，山西临汾人，副教授，博士。E-mail：第51卷第10期煤炭科学技术Vol.51No.102023年10月CoalScienceandTechnologyOct.2023唐海龙，樊玉萍，马晓敏，等.基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究J.煤炭科学技术，2023，51（10）：323335.TANGHailong，FANYuping，MAXiaomin，et al.Studyofslimewatermixingprocessintensificationusingim-pingementflowregulationJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（10）：323335.323wasconsideredasacontinuousphaseandthesolidparticleswereconsideredasacontinuousphase(suspension)orasecondarydiscretephase(particles).Theeffectsofdifferentinletfluidvelocityratiosatdifferentfeeddensitiesontheturbulentcharacteristicparametersandparticledistributioninthemixingdrumwereanalyzed.Theresultsofthestudyshowthattheimpactflowformedbythejetscollidingver-ticallywitheachothercaninduceturbulentmacro-vorticessuchashairpinvortices,spanwisevorticesandaxialvortices.Thevelocityofparticlesmovingintheturbulentmacro-vortexisinthefollowingorder:LargeparticlesizeanddensityLargeparticlesizeandsmalldensitySmallparticlesizeandhighdensitySmallparticlesizeanddensity.Theinteractionbetweenvortexandvortexandbetweenvortexandthemainfluidsignificantlyincreasestheturbulentkineticenergyanddecreasesthevortexscale,resultinginaminimumscalevortexthatisconducivetoparticlecoalescenceandcollision;theminimumvortexscalegeneratedintheflowfieldinthemixingdrumismainlysmallerthantheaverageminimumvortexscale.Theminimumvortexscaletendstoincreasewhentheinletflowrateandflowrateratioincreasefrom1.258:1.87to1.882:1.258,independentoftheinletdensity.Whentheflowrateratioissimilar,theminimumvortexscaledecreasesonlywhentheflowrateincreases.Anappropriateincreaseintheratiooftheupperandsidefeedflowrateshelpsfluidmix-ingandparticleaggregationandcollision,andthemixingdensity,apparentviscosityandparticlecoalescencearealloptimalwhenthera-tiooftheupperandsidefeedflowratesisbetween1.40and1.50.Inaddition,atthesameflowrateratio,themixinguniformityandmix-ingstrengtharebetterthanthecasewheretheupperinletfeeddensityisgreaterthanthesideinletfeeddensity,whichismoreconducivetofluidmixingandparticlecollision.Thestudypromotesslimewatermixingandfineparticlecoalescenceinmixingdrumsthroughtheregulationoffluidhydraulicconditions,providinganewwayofthinkingabouthowtoenhancetheliquid-liquidmixingandsolid-liquidseparationprocess.Key words:turbulenteddy；fineparticles；solid-liquidseparation；impingingflows；numericalsimulation；processintensification0引言湿法选煤是煤炭清洁高效利用的重要途经，我国每年因洗选产生的煤炭废水高达几十亿立方米，这些废水通常采用浓缩压滤方式净化回用1-2。为使平行处理的各浓缩机入料浓度及颗粒粒度、密度等性质保持一致，需要混料桶对样品进行充分混合后分配至各浓缩机中。煤泥水混料桶虽结构简单，但内部流场复杂，且对入料前添加凝聚剂的凝聚效果及后续浓缩机的絮凝效果有着重要作用3。混料桶内部为强紊流混合区。强紊流混合区产生局部强剪切，增大颗粒、药剂间的速度差异，强化药剂在颗粒表面的碰撞吸附4。所以针对混料桶流场特性和颗粒运动行为进行研究，对于优化混料桶结构和提升生产效率有实际意义。流体中普遍存在着颗粒碰撞行为5。对于混料桶内部流场，流体输运的湍流效应和颗粒运动的碰撞相互影响6。湍流在物理结构上可以看作是不同尺度涡旋叠加组合形成的流动，这些涡的尺度大小以及旋转轴的方向是随机分布的。大尺度涡的尺寸近乎流场的大小，其主要决定条件是流场的边界条件，大尺度涡是导致低频脉动的主要原因；大尺度涡持续破裂导致涡尺度不断减小，直至产生最小尺度涡，小尺度涡的尺寸约为流场尺度的 1/1000 量级，其主要决定条件是流体的黏性力，小尺度涡是导致高频脉动的主要原因7-10。流体流动是否产生涡旋对颗粒的运动状态有着非常大的影响，要合理利用涡旋，就需要对其本质机理有明确认识，从而充分利用其优势，促进颗粒碰撞11。而撞击流反应流场中存在着大量无序的湍流涡结构，使其具有良好的混合效果12-13。研究显示，造成水中微细颗粒之间的碰撞的本质原因是湍流的亚微观结构，也就是在湍流过程中所形成的微涡旋14。微涡旋流动可以很好的增进流体里微细颗粒的扩散与接触，主要有以下两点原因15：涡流形成的流层之间存在的速度差异导致的流体相对运动造成其中的微粒发生相对运动16；涡流的旋转特性，旋转的流体夹带的微粒由于离心力在涡旋中做径向运动，从而促进了微粒间的碰撞。当微涡旋尺度越接近颗粒尺度时对颗粒间相互碰撞越有利17-18。湍流中，颗粒有效碰撞次数为碰撞频率与时间的乘积，所以设备中的搅拌强度和搅拌时间对水中颗粒的碰撞有重要影响19。通常整个流场以及单个颗粒和群体颗粒的动力学问题通过采用数值模拟的方式进行量化分析20-21。模拟中，组分输运模型(SpeciesTransport)和 DPM(DiscretePhaseModel)模型相互结合可有效仿真有化学反应混合22和无化学反应混合过程23。同比例改变混料桶体积大小对内部流场影响较大，因而在实验室进行试验较为困难，立足于开发煤泥水液液混合，液固分离过程强化处理设备，采用数值模拟研究了装置内部混合流体运动规律，分析了颗粒分布规律，为混合凝聚装置水力参数优化提供了理论依据和数据支撑24。2023年第10期煤炭科学技术第51卷3241模拟方案1.1结构及网格划分此次数值模拟混料桶模型为塔山煤矿选煤厂煤泥水混料桶，其结构如图 1a、1b 所示，桶体段高度为2000mm，内径为 1800mm，入料口及出料口位置如图1c、1d 所示。上入料口（进料口1）的直径为625mm，侧入料口（进料口 2 和进料口 3）的直径均为 525mm，且进料口 1、2、3 的入料角度两两垂直。出料口的直径为 725mm。文中将侧入料口以下区域称为桶体下部区域，侧入料口以上区域称为桶体上部区域。725 mm525 mm825 mm725 mm1 275 mm1 275 mm1 800 mm1 350 mm(a)选煤厂现场混料桶(b)三维模型(c)模型侧视图(d)模型俯视图625 mm9090进料口 1xy进料口 2进料口 32.01.5z/m1.00.501.00.50y/m0.51.01.00.50 x/m0.51.0YZxzy图1混料桶尺寸结构Fig.1Dimensionalstructureofthemixingdrum由上入料口和侧入料口进入的悬浮液射流相互垂直交叉碰撞，形成射流撞击流。相互碰撞的流体会向周边扩散，扩散较快的区域和扩散较慢的区域之间会形成压力差。流体向着低压区快速移动形成涡流区域，从而达到搅拌混合的目的。在搅拌混合时可加速细微颗粒扩散和运动，产生的涡旋能有效增大颗粒碰撞概率，在混料桶加入凝聚剂可增强凝聚效果。由于凝聚剂对桶体内流场的影响极小，所以此次模拟没有考虑凝聚剂，只考虑涡的演化及颗粒运动。此次模拟采用 FluentMeshing 软件进行非结构化网格划分，选择六面体/多面体混合网格，如图 2 所示。内流场区域采用六面体网格划分，边界层采用多面体网格划分。数值模拟前进行了网格无关性检验，如图 3，当网格数量达到 148 万时，体积平均湍动能耗散率趋于稳定。综合计算准确性及成本，最终选取网格总数约148 万的划分策略。XYZXYZ图2网格划分Fig.2Griddivision1.2流体参数选择对混料桶模型采用组分输运模型进行不同流速唐海龙等：基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究2023年第10期325比条件混料桶的流场数值模拟，采用 DPM 模型进行流场颗粒双向耦合模拟。模拟前测定了煤泥水悬浮液密度和黏度随固体颗粒的密度、粒度及浓度的影响规律（温度为 16，选用 NDJ-9S 旋转黏度计）结果如图 4、5 所示，组分输送模型采用为不同密度物料在不同 vup（上入料口的入料流速）和 vside（侧入料口的入料流速）下混料桶内部流场变化，模拟入料性质参照选煤厂浓缩旋流器溢流和快开压滤机滤液，其密度分别为 1237kg/m3和 1025kg/m3。DPM 模型探究了如表 1 所示的 4种颗粒在混料桶流场中的分布状态和运动轨迹，受计算能力限制，DPM 模型中对 106s 内产生的颗粒进行定位跟踪，此次模拟中形成了 3620 个 pacel（DPM模型中将一定数量颗粒打包为一个 pacel，颗粒和流场之间的相互作用是以 pacel 为单位进行的），总共形成颗粒数为 4958 个，每个 pacel 包含 1.3696 个颗粒。1 8001 500悬浮液密度/(kgm3)1 2009006003001 4000600400200501003005001 6001 8002 0002 2002 400悬浮液浓度/(gL1)固体密度/(kgm3)1 350.131 400.211 450.181 500.161 549.911 599.892 200.312 300.192 400.25颗粒密度/(kgm3)图4悬浮液密度随颗粒密度及浓度变化Fig.4Variationofsuspensiondensitywithparticledensityandconcentration1.3数学模型考虑到煤泥水中固体颗粒粒度较细（大多小于500m），且研究采用高浓度、较大粒度和低浓度、较低粒度煤泥水混合，因此数值模拟设计为高浓度组分和低浓度组分两组分混合输送模型处理两种不同密度和黏度流体流动，组分输送模型选用realizek-模型计算湍流，主要控制方程如下：t+(ui)xi=0（1）关于 k 和 的输运方程：(k)t+(kui)xi=xj(+tk)kxj+Gk（2）()t+(ui)xi=(+t)xj+C1EC22k+v（3）k=1.0=1.2 C2=1.9 C1=max(0.43,+5)=(2EijEij)1/2kEij=12(uixj+ujxi)其中，；，；utCuut=Cuk2Cu=1A0+ASUk/A0=4.0AS=6cos=13cos1(6W)W=EijEjkEkj(EijEij)1/2Eij=12(uixj+ujxi)U=EijEij+eijeijeij=ij2ijkkij=ijijkkijk式(3)中，和的 计 算 公 式 为：，；其 中，。为从角速度为的参考系中观察到的时均转动速率张量。组分输运方程：5.64.84.0平均湍动能耗散率/(m2s3)3.22.41.60.804080120网格总数/万160200240图3网格无关性检验Fig.3Gridindependenceverification4.03.2悬浮液密度/(kgm3)2.41.60.81.0006004002001003005000.250.0750.045悬浮液浓度/(gL1)固体颗粒粒度/mm1.000.250.0750时认为有旋涡产生，即旋转部分的涡量大于变形部分25，Q 准则特征方程为Q=12(2S2)（6）表 2 入料口入料流速方案Table 2 Feed flow rate scheme at the inlet方案上入料口vup(ms1)侧入料口vside(ms1)方案11.2581.258方案21.2581.870方案31.8821.258方案41.8821.870唐海龙等：基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究2023年第10期327其中，为速度梯度张量的反对称分量（旋转速率张量）；S 为速度梯度张量的对称分量（应变速率张量）。分别对应流场中的旋转与变形。图 7 为不同入料流速比下 Q=0.01 时涡三维等势面图，并用流体流动速度着色。分析可知，在进料流速比相同的情况下，sideup时桶体内所产生的涡的涡尺度明显大于 upside时所产生的涡的涡尺度。在进料密度相同情况下，vupvside为 1.8821.258 时，桶体下部宏观涡尺度最小，桶体上部展向涡尺度最大。当 vup:vside为 1.2581.258 和 1.8821.870 时涡形态基本相同，在 upside情况下，桶体下部发卡涡尺度减小，涡通量增大，涡强度增强，小尺度涡更有利于流体混合。对于涡等势面上速度分布，在流体交叉碰撞区至出料口区域速度较高，而桶体上部及桶体下部远离入料口区域以及宏观涡区域速度较低，由此形成了速度梯度区，涡流中不同流层间的速度梯度及桶内区域之间的剪切速率可有效强化流体间相互混合及颗粒间相互碰撞。3)湍流动能。混料桶 X=0mm、Z=200mm、400mm、700mm、1000mm、1200mm、1500mm、1700mm各截面上不同入料流速比下的湍流动能三维空间分布如图 8 所示。流体进入桶体时，各流速比下湍流动能均有增大趋势，桶体下部靠近侧入料口区域和桶体上部远离上入料口区域湍流动能低于其他区域，随着与撞击点距离的增加，流体湍流动能不断衰减，可见垂直交叉流诱导出的一系列湍流涡压力/Paxyzxyzxz=700 mmyz展向涡轴向涡(a)空间分布(b)轴向(c)展向2 0001 6001 2008004000400800图6混料桶内压力云图Fig.6Pressurecloudinthemixingdrum0.13 0.27 0.40 0.53 0.67 0.80 0.93 1.07 1.20 1.33 1.47 1.60 1.73 1.87 2.00vup:vside=1.258:1.870vup:vside=1.882:1.258vup:vside=1.882:1.870上入料密度:1 237 kg/m3侧入料密度:1 025 kg/m3上入料密度:1 025 kg/m3侧入料密度:1 237 kg/m3发卡涡展向涡轴向涡速度/(ms1)0vup:vside=1.258:1.258图7不同入料流速比下混料桶内宏观涡演化特征Fig.7Evolutioncharacteristicsofmacro-vorticesinthemixingdrumatdifferentinletfluidvelocityratios2023年第10期煤炭科学技术第51卷328及其相互作用增强了湍流脉动。此外，入料流速对湍流动能分布影响显著，结合图 7 涡演化特性分析，在入料密度相同情况下，随着入料流速增加，高湍流动能区域增大，高湍流动能区中涡与涡之间的强相互作用对不同流体之间混合起强化作用。4)最小涡尺度。湍流中，大尺度涡从主流体中不断获得能量，然后通过不同尺度涡之间和相同尺度涡之间的相互作用，能量逐渐传递至小尺寸涡中。最后因为流体粘性力持续作用导致能量耗散，小尺度涡逐渐消失，湍流流体中的能量转化为流体的内能26。根据 Kolmogorov紊流微涡旋理论，最小涡尺度 数学表征27-28为=(v3/)1/4（7）式中：为流体的运动黏度，m2/s；为单位质量水体耗散的有效能耗，m2/s。利用式(7)可计算桶体内各区域的最小涡尺度大小以及各部分最小涡尺度均值，如图 9 所示。根据图 9，在混料桶各研究区域范围内，任意流速比均可诱导出 m 级小尺度涡，混料桶内靠近出料vup:vside=1.258:1.258vup:vside=1.258:1.870vup:vside=1.882:1.258vup:vside=1.882:1.870上入料密度:1 237 kg/m3侧入料密度:1 025 kg/m3上入料密度:1 025 kg/m3侧入料密度:1 237 kg/m3湍流动能/(m2s2)0.05 0.10 0.14 0.19 0.24 0.28 0.33 0.37 0.42 0.47 0.51 0.56 0.61 0.65 0.70图8不同入料流速比下混料桶内湍流动能空间分布云图Fig.8Spatialdistributioncontoursofturbulentkineticenergyinthemixingdrumatdifferentinletfluidvelocityratiosvup:vside=1.258:1.258vup:vside=1.258:1.870vup:vside=1.882:1.258vup:vside=1.882:1.870上入料密度:1 237 kg/m3侧入料密度:1 025 kg/m3上入料密度:1 025 kg/m3侧入料密度:1 237 kg/m3最小涡尺度/m20242832364044485256606468727680图9不同入料流速比下混料桶内最小涡尺度空间分布云图Fig.9Spatialdistributioncontoursoftheminimumvortexscaleinthemixingdrumatdifferentinletfluidvelocityratios唐海龙等：基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究2023年第10期329口一侧最小涡尺度小于靠近入料口一侧的最小涡尺度。结合图 10，在实际流速比相同情况下，upside时桶内产生的最小涡尺度均小于 side up时所产生的最小涡尺度，当上入料口和侧入料口入料流速均为 1.258 时，两密度条件下桶内最小涡尺度平均值分别为 96.83m 和 104.99m，已达到颗粒有效碰撞涡尺度。vupvside从 1.8821.258 降低至 1.2581.870时，桶内产生的最小涡的尺寸在大多数区域呈现减小趋势，最小涡尺度平均值减小，最小涡尺度的减小对流体内能有效传递于细微颗粒有有利作用。在上侧入料密度不变的条件下，当 upside时，随着vupvside增大，湍流动能和湍流耗散率缓慢增大，高湍流作用区域范围增大。当 upside时桶体内所占据尺度均大于 upside时，沿 Z 轴负方向湍流黏度逐渐增大；upside时的湍流黏度均大于upside的情况下，湍流黏度会随桶高位置的上升而呈现先增大后减小的趋势，在 7251025mm 内达到最大值；在 upside情况下，增大上侧流速比可增强桶体下部区域流体混合和对颗粒作用；在 upside时，如图 13a，流速比在 0.671.05 和大于 1.49 情况下，桶体内各等高平面平均密度随桶体高度上升而增大，且流速比在 0.670.7、1.01.1、1.401.50 时桶内密度分布较为均匀。流速比在 1.051.49 时，桶体内各等高平面平均密度随桶2.0湍流黏度/(Pas)MaxMin1.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/m0.51.02.01.51.0z/m0.501.0 0.50y/mvup:vside 1.258:1.258vup:vside 1.258:1.870vup:vside 1.882:1.258vup:vside 1.882:1.8700.51.0上入料密度:1 237 kg/m3侧入料密度:1 025 kg/m3上入料密度:1 025 kg/m3侧入料密度:1 237 kg/m3图11不同入料流速比下混料桶内理论混合密度等值面Fig.11Isosurfacesoftheoreticalmixingdensityinthemixingdrumatdifferentinletfluidvelocityratios40302010010204008001 2001 600黏度/(Pas)混凝桶高度/mm流速比1.00.81.21.4302010010204008001 2001 600黏度/(Pas)混凝桶高度/mm流速比1.00.81.21.4湍流黏度/(Pas)湍流黏度/(Pas)39.4036.2333.0629.8926.7223.5520.3817.2114.0410.877.70025.1022.9520.8018.6516.5014.3512.2010.057.9005.7503.600(a)up=1 237 kg/m3,side=1 025 kg/m3(b)up=1 025 kg/m3,side=1 237 kg/m3图12不同流速比下湍流黏度随桶体高度变化Fig.12Variationofturbulentviscositywithdrumheightfordifferentvelocityratios唐海龙等：基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究2023年第10期331体高度上升而减小。流速比在 0.671.05 时，在桶体高度 11501750mm 范围内密度有明显增大，而流速比在1.051.49 时，在桶体高度11501750mm 范围内密度有明显减小，由于桶体高度 11501750mm是侧入料口和出料口的分布区域，所以流速比在0.671.05 时，在桶体高度 11501750mm 范围的密度受上入料口入料密度影响较大，流速比在 1.051.49 时，在桶体高度 11501750mm 范围的密度受侧入料口入料密度影响较大。图 13b 中，当 upside时，桶体高度在 1250 以下时桶体内各等高平面平均密度基本保持均匀，当桶体高度高于 1250 时，流速比在 0.670.7、1.401.50 及接近 1.10 时桶内密度分布较为均匀。流速比在 0.701.10 间时流体密度明显降低，流速比在 1.101.45 时流体密度明显增大。说明当 upside情况下，上侧入料流速比小于 1.05 时，桶体下部剪切应力较大；上侧入料流速比在 1.051.40 时，桶体下部剪切应力较小；上侧流速比在 1.41.5 时，桶体内表观黏度最为均匀，因而桶内流体剪切应力随桶高变化不大。在 up大粒度小密度小粒度大密度小粒度小密度。由于侧面入料口和出料口的影响导致的二次涡对颗粒的作用力导致vup:vside=1.258:1.258vup:vside=1.258:1.870vup:vside=1.882:1.258vup:vside=1.882:1.870时间/s颗粒颜色颗粒 1颗粒 2进料口 1t=0.4 st=1.4 s入料口 1 颗粒颗粒凝集湍流涡t=2.8 st=5.8 s进料口 2进料口 3颗粒 3颗粒 4颗粒 1 颗粒 2 颗粒 3 颗粒 4图15各流速比不同时刻颗粒及对应涡在混料桶内的分布Fig.15Distributionofparticlesandcorrespondingvorticesinthemixingdrumatdifferentinletfluidvelocityratios唐海龙等：基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究2023年第10期333颗粒向涡周边移动。在有旋流中，颗粒会始终沿着流线的切线方向移动，因而根据颗粒在宏观涡中的移动速度顺序，颗粒在涡流中具有一定速度梯度，并使大部分颗粒向同一方向移动，可增强颗粒碰撞和聚集效率。当 vupvside为 1.8821.258 时，从上入料口进入的细微颗粒能够充分进入桶体下部，当 vupvside为1.2581.258 和 1.8821.870 时，入料流速比基本不变，仅实际流速增大，从结果可以观察到两种实际流速比下颗粒分布基本一致，说明不改变流速比，只改变流速大小对颗粒在桶内分布没有太大影响。而vupvside为 1.2581.870 时，从上入料口进入的颗粒几乎不能进入桶体下部，而从侧入料口进入的颗粒也几乎全部进入桶体下部区域，vupvside为 1.8821.258 时，从上入料口进入的颗粒可以进入桶体下部区域，而从侧入料口进入的颗粒也能有效分布于桶体上部区域和下部区域，且从图 15 中vup:vside=1.882:1.258，t=5.8s 时的情况反映出颗粒有较好的团聚现象。3结论1)相互垂直的流体进入混料桶内发生交会后，可诱导产生发卡涡、展向涡和轴向涡，涡涡之间、涡主流之间的交互作用显著提高湍流动能、降低涡尺度；随着上侧入料流速及流速比从 1.2581.870增大至 1.8821.258，当上入料口入料密度大于侧入料口入料密度时，湍流动能和湍流耗散率缓慢增大，高湍流作用区域范围增大，平均最小涡尺度由68.33m增大至 73.59m。当上入料口入料密度小于侧入料口入料密度时，湍流动能和湍流耗散率减小，高湍流作用区域范围减小，平均最小涡尺度由 84.23m增大至 103.79m。当流速比相近，仅流速增大时，湍流动能和湍流耗散率增大且湍流耗散率变化比湍流动能变化更快，最小涡尺度减小。因此增大流速，降低上侧入料流速比可有效减小最小涡尺度，且最小涡尺度主要以小于平均最小涡尺度的涡为主。2)在同一流速比时，上入料口入料密度大于侧入料口入料密度的情况下，混合均匀性和混合效果均优于上入料口入料密度小于侧入料口入料密度的情况，更有利于流体混合及颗粒碰撞。当上入料口入料密度大于侧入料口密度时，流速比在 0.670.7、1.01.1、1.401.50 时桶内密度分布较为均匀，上侧入料流速比在 1.401.50 时，桶体内表观黏度最为均匀，因而此流速比下桶内流体剪切应力随桶高变化不大，有利于不同密度流体混合。3)颗粒在湍流宏观涡中移动的速度顺序：大粒度大密度大粒度小密度小粒度大密度小粒度小密度，使得颗粒在涡流中具有一定速度梯度，并使大部分颗粒向同一方向移动，可增强颗粒碰撞和聚集效率。模拟结果反映上侧入料流速比大于 1 时颗粒在混料桶桶体内分布比上侧入料流速比小于 1的分布更为均匀，并且上侧入料流速比较大时有更好的颗粒团聚效果，因而适当增大上侧入料流速比有助于流体混合及颗粒聚集碰撞。参考文献(References)：MINFanfei，CHENJun，PENGChenliang，et 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