复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究.pdf

2024年第2 期doi:10.3969/j.issn.1671-9492.2024.02.012复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究有色金属（选矿部分）:81梁志涛1,李峰？,韩虎，王延超，纪祥飞（1.苏州城市学院智能制造与智慧交通学院，江苏苏州2 15 10 4；2.临沂大学机械与车辆工程学院，山东临沂2 7 6 0 0 0)摘要：水力旋流器是一种常见的固液分离设备，但由于其自身结构的限制，致使旋流器分级精度不高。进料体作为多相流进入旋流器的首要通道，对旋流器分级性能有着重要影响，但进料体内高端流场引起的端流扩散以及颗粒间的相互碰撞挤压造成的颗粒分级精度低等问题呕待解决。因此，设计了一种复合曲线式进料体结构旋流器，通过对进料体内部流场和颗粒运动调控，降低细颗粒进入底流的比例，从而达到提高分级精度的目的。采用数值分析法探究了直线式、渐开线式、涡状线式、直线导流式以及复合曲线式五种进料体结构旋流器内的流场特性和分级性能特性，突出了复合曲线式进料体旋流器的优越性，分别从压力场、速度场、分级效率等方面进行了全方位探究，最后对其进行了试验探究。结果表明，复合曲线式进料体结构相比于其他进料体结构具有更好的细颗粒分级性能，且内部流场更加稳定，同时等压面分布呈规律性变化，颗粒运动更加平稳。复合曲线式进料体的切向速度明显高于其他进料体结构，颗粒获得更大离心推动力，颗粒更易分级。通过试验探究发现，复合曲线式进料体旋流器的质效率为46.32%，比常规进料体质效率提高了7.32%，复合曲线式型底流中一2 4um颗粒含量比常规型降低了15.0 7%。溢流中一2 4um颗粒含量比常规型提高了3.39%，颗粒分级精度大幅提升。关键词：复合曲线进料体；细颗粒；分级精度；颗粒运动；旋流器中图分类号：TD921文献标志码：A文章编号：16 7 1-9492(2 0 2 4)0 2-0 0 8 1-0 9Numerical Analysis and Experimental Study on the Performance ofHydrocyclones with Compound Curved Feeding BodiesLIANG Zhitao,LI Feng,HAN Hu,WANG Yanchao,JI Xiangfei?(1.School of Intelligent Manufacturing and Intelligent Transportation,Suzhou City University,Suzhou 215104,Jiangsu,China;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Linyi University,Linyi 276000,Shandong,China)Abstract:Hydrocyclone is a common solid-liquid separation equipment,but due to its own structurallimitations,the classification accuracy in the cyclone is not high.As the primary channel for multiphaseflow entering the cyclone,the feed body has a significant impact on the classification performance of thecyclone.However,the problems of turbulent diffusion caused by high turbulent flow field in the feed bodyand low particle classification accuracy caused by collision and compression between particles urgently needto be solved.Therefore,a composite curve feed structure cyclone has been designed,which reduces theproportion of fine particles entering the bottom flow by regulating the internal flow field and particle motionin the feed body,thereby achieving the goal of improving classification accuracy.The numerical analysismethod was used to explore the flow field characteristics and classification performance characteristics offive types of hydrocyclones with different feed-body structure:linear feed body,involute feed body,vortex feed body,linear guide feed body,and composite curve feed body.The superiority of thehyclrocyclone with composite curve feed body was highlighted,and comprehensive exploration wasconducted from the aspects of pressure field,velocity field,classification efficiency,and so on.Finally,收稿日期：2 0 2 3-11-12基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZR2023QE100）作者简介：梁志涛（198 2 一），男，山东烟台人，硕士，高级工程师，主要从事固液分离技术研究。通信作者：李峰（198 6 一），男，山东潍坊人，博士，讲师，主要从事固液分离技术与装备研究。:82experimental exploration was conducted on it.The results show that the composite curve feed body structurehas better fine particle classification performance compared to other feed body structures,and the internalflow field is more stable.At the same time,the isobaric surface distribution shows regular changes,and theparticle movement is more stable.The tangential velocity of the composite curve feed body is significantlyhigher than that of other feed body structures,and the particles obtain greater centrifugal driving force,making them easier to classify.The experimental results show that the separation efficiency of the compoundcurve feed body hydrocyclone is 46.32%,which is 7.32%higher than that of the conventional feed bodyhydrocyclone,and the content of-24 m particles in the compound curve underflow is 15.07%lower thanthat of the conventional one.The content of-24 m particles in the overflow is 3.39%higher than that inthe conventional type,and the particle classification accuracy is greatly improved.Key words:compound curve feed body;fine particles;grading accuracy;particle motion;hydrocyclone有色金属（选矿部分）2024年第2 期高精细化旋流分级使得传统设备难以满足企业需求，分级精度低是其主要原因之一。水力旋流器作为一种高效的物理分离设备广泛应用于磨矿分级作业中，但颗粒间的相互干涉沉降导致颗粒混杂现象严重1-3，目前主要采用多次分级加反复球磨提高产品质量，但底流夹细必然使得一部分单体解离的合格颗粒出现过磨现象，导致精矿回收率低，造成原材料的极大浪费。因此，如何降低“底流夹细”、提高旋流器分级精度的问题一直是国内外研究热点和难点之一。进料体是多相流进人旋流器的首要通道4，合理的进料体结构有助于颗粒规律性排布和有序沉降。常规的进料体结构主要分为直线式和渐开线式，其中直线式进料体加工方便、结构简单曾被广泛应用于选矿工业中，但该结构存在诸多缺点：进口处瑞流强度大引起颗粒间的相互碰撞、挤压以及流体从直线运动变为圆周运动过程中造成的能量损失、气蚀现象等，严重降低旋流器的分级性能和使用寿命。为了克服直线式进料体的缺点，研究者开发了渐开线式进料体，它不仅有效减少了旋流器内的流强度和短路流量，而且对颗粒形成有效的预分级，分级性能得到较大提升，但渐开线式进料体相邻处曲率半径的变化难以保证颗粒平稳进入到旋流器柱段，造成额外的能量损失。基于上述问题，本文设计了一种复合曲线式进料体结构旋流器，通过数值分析和试验的方法探究了其内部流场和分级性能特性，为新型进料体结构设计提供了理论依据。1数学模型1.1物理模型和网格划分为了探究进料体结构对旋流器分级性能的影响，选取进料体结构分别为：直线式、渐开线式、涡状线式，直线导流式和复合曲线式，进料体结构如图1所示，旋流器结构参数如表1所示，进料体壁面控制方程如表2 所示。直线式直线导流式图1进料体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of inlet structure表1不同进料体结构旋流器主要结构参数Table 1Main structural parameter of hydrocycloneswith different feed structures结构参数简体直径进口参数溢流口直径底流口直径溢流管插人深度溢流管伸出长度简体高度锥段长度渐开线式复合曲线式涡状线式尺寸/mm7525X19251575251201862024年第2 期进料体类型直线式渐开线式涡状线式直线导流式与内部凸柱方程复合曲线式梁志涛等：复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究表2 进料体壁面控制方程Table 2The wall control equation of inlet壁面控制方程Y-kaX(t)=37.5X(tX sin(t)+cos(t)Y(t)=37.5(sin(t)-tXcos(t)X(t)=37.5X(1+t)Xcos(2元t)Y(t)=37.5X(1+t)Xsin(2元t)y=ka(y=/12.52-2X(t)=37.5X(1+0.62852t)Xcos(2元t)(Y(t)=37.5X(1+0.62852t)Xsin(2元t)+X(t)=37.5X(0.91236tXsin(t)+cos(t)(Y(t)=37.5X(sin(t)-0.91236tXcos(t)凸台83(1)（2)(3)(4)(5)导流板图2网格划分Fig.2Mesh division旋流器结构及网格划分如图2 所示，由于网格颗粒采用密度为2.6 5 X10kg/m的石英砂，人料粒划分步骤相同，这里仅呈现复合曲线进料体旋流器度分布如表3所示，颗粒粒度范围为0 5 0 m，六面体网格，将凸台和导流板单独呈现，同时为了捕颗粒粒度属于细粒级颗粒范围，进料总固相体积获溢流管外壁和壁面处的微弱流动，对其进行了网分数为9.8 8%，压力-速度耦合采用SIMPLE算格加密，为了减少模拟过程中出现的伪扩散，将旋流法，压力方程采用PRESTO,动量方程采用具有三器沿轴向每隔30 mm进行分割，单独网格划分后进阶精度QUICK格式，两相体积分数采用几何重行网格合并，本文选取3.5 10 5 个六面体网格作为建（Geo-Reconstruct)离散格式，固定时间步长设置计算域。为1X10-4s,使其更加准确的追踪气液交界面，其余1.2边界条件设置采用一阶迎风格式。水-空气相边界条件：旋流器人口设为速度人口，表3进料粒度分布人口速度与Hsieh试验条件一致，设为2.2 8 m/s，入Table 3 Feed particle size distribution口断面当量直径为2 5 mm，入口端流强度为4.32%，粒径范围/m溢流口和底流口设为压力出口，断面直径分别为00.825mm和12.5 mm，端流强度分别设置为4.32%和0.81.31.32.14.96%。水相密度为110 3kg/m，空气相密度为2.13.11.225kg/m，空气相直径设为1X10-5m，水相黏度3.14.1设为0.0 0 1Pas，壁面采用无滑移边界条件，以进4.117.5出口流量平衡为收敛条件。17.525.5固相边界条件：颗粒入口速度与清水相同，固相25.550平均粒径/m0.41.11.72.63.69.821.537.5体积分数/%0.831.511.321.130.722.030.981.36:842试验结果与讨论2.1静压力旋流器是一种将压力能转化为动能并伴随能量损失的装置5-6 ，因此，探究静压力变化规律对掌握旋流器内的能量转化有着重要意义。旋流器在ZX平面和XY平面内的压力分布如图3所示，在ZX平面内，静压力在壁面处最大，沿径向往中心逐渐减小，这表明沿径向位置旋流器将压力能逐渐转化为动能，当压力低于外界气压时，旋流器内部形成负压，空气从两出口被吸人到旋流器内部，这也是空气柱形成的原因。在XY平面内，直线式进料体的静压力最大，虽然可以保证颗粒在进料体内获得较大的压力能，但同时也会导致更大的压力损失和速度脉动，不利于流场的稳定和颗粒层的形成。直线导流式132088.8117 192.1102295.487398.672501.957 605.142.708.427 811.712914.9-1981.8（a）常规式（b）渐开线式（c）涡状线式（d）直线导流式（e）复合曲线式图3静压力在ZX和XY平面的分布云图Fig.3 Static pressure distribution in ZX and XY planes1.4105一直线式1.2105渐开线式一涡状线式1.0 x105一直线导流式8.0104一复合曲线式4.01042.010+-2.0104-40Fig.4 Pressure variation along the diameter line of Z=185 mm and Z=220 mm有色金属（选矿部分）和复合曲线式进料体在中心区域的静压力较小，这使得细颗粒运动更加平稳，减少颗粒错位。复合曲线式进料体在壁面处的静压力大于直线导流式且整个入口处的压力呈均匀分布，这不仅有效降低了人口处的湍流脉动，同时有利于推动细颗粒往中心运动。为了更清晰地表征进料体结构对旋流器内部压力场的影响规律，取Z=185mm和Z=220mm两直径线上的静压力分布，如图4所示。可以看出，直线导流式与直线式进料体没有明显区别，这表明直线导流式进料体不能对颗粒起到有效的增压作用。相比之下，渐开线式和涡状线式的静压力大于直线式，增压作用明显，其中，复合曲线式进料体旋流器内的静压力最大，增压效果最明显，颗粒在分离区域内获得更大的离心推动力，粗颗粒更容易往壁面迁移，有助于颗粒分级。666661.4105一直线式1.2105渐开线式一涡状线式1.0105一直线导流式8.0104一复合曲线式6.01044.01042.010401-2.0104-30-20-10径向位置/mm(a)Z=185 mm图4Z=185mm和Z=220mm沿直径线上的压力变化2024年第2 期010203040-40-30-20-10010径向位置/mm(b)Z=220 mm2030402024年第2 期2.2等压面分析根据压力能与动能之间的转换关系，由伯努利方程:H=&+上+可知：在壁面处压力最大，中pg+2g心处压力最小，而速度变化正好与其相反。将强制涡和自由涡旋转时的速度方程带入伯努利方程可以得到等压面方程如式（6)所示。(u=wr（强制涡）等压面方程(ur=c(自由涡)H-卫之(强制涡）2gH一卫(自由涡)2gr2由式(6)可以看出，强制涡内的等压面方程为抛物面，自由涡内的等压面为双曲面门。进料体结构对旋流器等压面影响如图5 所示，在自由涡域，直线式进料体等压面最窄，渐开线式、涡状线式、直线导流型式和复合曲线式进料体等压面依次变宽，这表梁志涛等：复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究85明在相同位置处，复合曲线进料体的压力范围值更广。在强制涡域，复合曲线进料体的等压面靠近旋流器中心，这表明在相同位置处可以产生更大的压力梯度力，保证细颗粒往中心迁移，减少细颗粒错位。为了表征压力能与动能之间的转化效率，引人压力系数，它表示有效压力与最大压力之比，数值越大，压力转化效率越高。不同进料体结构的压力系数如图6 所示，直线式进料体的压力系数只有0.8 5 3，转化率较低，渐开线和涡状线的压力(6)系数明显高于直线式进料体，直线导流式结构的压力系数又大于渐开线和涡状线式，其中，复合曲线型进料体结构的压力系数为0.9 32，比直线进料体提高了9.2 6%，比直线导流式结构提高了1.08%。因此，采用复合曲线式结构比直线式结构更能获得较大的有效压力，有效降低了旋流器的能量损耗。LZVV流体微团柱段自由涡空气柱一直线式渐开线式涡状线式直线导流式自由涡复合曲线式强制涡h自由涡等压面方程：y=2g强制涡等压面方程：0图5 不同进料体结构旋流器等压面变化Fig.5 Variation of isobaric surface of hydrocyclone with different inlet structure的白色区域代表空气柱，在ZX平面内，切向速度在861.21.00.80.60.40.20直线式渐开线式涡状线式直线导流式复合曲线式图6 压力系数比较Fig.6Comparison of pressure coefficient2.3切向速度切向速度是速度场中数值最大，最为重要的速度之一 8-10 。它不仅是离心力的主要来源更是产生有色金属（选矿部分）涡旋流的主要动力。不同进料体结构旋流器在ZX和XY平面内的切向速度分布如图7 所示，中心处0.8530.8962024年第2 期0.9180.9220.932壁面处最小，沿径向往中心逐渐增大，其中，复合曲线式结构的切向速度呈对称分布，流场更稳定。在XY平面内，复合曲线式结构的切向速度远大于其他进料体结构，在相同条件下，产生更大的离心推动力，这不仅有利于颗粒层的形成，同时也有助于颗粒的预分级。为了从微观描述切向速度沿径向上的分布特征和变化规律，分别取Z=185mm和Z=220mm两平面沿直径线上的分布，如图8 所示，切向速度在径向上呈“M型分布，沿壁面往中心先缓慢增大后急剧减小，在中心处切向速度为零，这符合典型的“兰金涡”分布，其中，复合曲线式结构的切向速度增幅较大，有助于颗粒的规律性聚集。12.51111.1569.8028.4477.0935.7384.3843.0291.6740.320-1.035（a）常规式（b）渐开线式（c）涡状线式（d）直线导流式（e）复合曲线式图7 不同入口结构旋流器在ZX和XY平面内切向速度分布云图Fig.7Tangential velocity distribution with different inlet structures in ZX and XY planes14一渐开线式12一涡状线式直线导流式10复合曲线式(-s.)/率低86420-40-30Fig.8 Tangential velocity along the diameter line of Z=185 mm and Z=220 mm14直线式渐开线式-20-10切向位置/mm(a)Z=185mm图8 Z=185mm和Z=220mm沿直径线上的切向速度变化。直线式12涡状线式+直线导流式10(-s.u)/取回486420010一复合曲线式203040-40-30-2010010切向位置/mm(b)Z=220 mm2030402024年第2 期2.4分级效率分级效率是表征旋流器分级性能的重要指标之一，通常用效率曲线来描述，它代表了不同颗粒在底流中的回收率。进料体结构对效率曲线的影响如图9所示，将效率曲线分为四个区域：细颗粒区、亚细颗粒区、亚粗颗粒区和粗颗粒区，随着粒径的增加，颗粒在四个区域内的底流回收率依次增大。为了更详细地描述旋流器的分级性能，引人切割粒径和陡度指数。切割粒径通常用d5o描述，它代表底流回收率为50%时对应的颗粒粒径，粒径越小，切割能力越强，反之，切割能力越弱，进料体结构对旋流器切割粒径的影响如图10（a)所示，涡型线和渐开线进料体切割能力明显优于常规直线式，其中，复合曲线式进料体的切割能力最强，切割粒径仅为16.1m，比常规直线式结构提高了36.2%。陡度指数代表分级精度大小，数值越大，分级精度越高，反之越低，通常用d25/d75表示，也代表效率曲线在dso处的斜率大小，进料体结构对旋流器分级精度的影响如图10（b)所示，可以看出，复合曲线进料体的陡度指数最大，分级精度最高，因此，采用复合曲线式进料体可以获得更高的产252015105O直线式渐开线式滑涡状线式直线导流式复合曲线式(a）切割粒径图10 不同进料体结构旋流器的切割粒径和陡度指数Fig.10 Cutting size and steepness indexes of hydrocyclones with different inlet structures3小性能测试3.1试验台搭建为了获取复合曲线进料体旋流器的分级性能，搭建试验台，对其进行了试验性能测试。试验台各部分组成如图11所示，主要由供给系统（渣浆泵和料筒）、检测系统（流量计和压力表）、控制系统（开关）、分级系统（旋流器)和输送系统（输送料管）组成，整个试验台的运作过程如下：首先，将一定比例的物料和水混合加人料筒中，在搅拌釜的作用下梁志涛等：复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究20253035404550粒径/um图不同进料体结构旋流器的分离效率比较Fig.9Separation efficiency of hydrocycloneswith different inlet structures0.8F0.70.60.50.4F0.30.20.10直线式渐开线式涡状线式直线导流式复合曲线式(b)陡度指数使料浆保持均匀浓度；随后，在渣浆泵作用下将料浆输送到旋流器的入口，期间可以通过变频器调节进人旋流器的流量大小，流量计和压力表分别对进人旋流器的流量和压力进行检测，如果旋流器运作过程中出现堵塞现象，可以通过开关进行泄流，以保证不损坏旋流器。当料浆顺利进人旋流器后，溢流管路和底流管路的出口直接回到料筒中，这样可以保持试验台的循环运行。复合曲线式进料体结构如图12 所示，采用高精密3D打印机进行零件打印，打印完毕后进行旋流器组装，将各零部件按顺87品质量。从效率曲线中可以看到一个反常现象，在细粒区，0 5m颗粒的底流回收率高于510 m颗粒回收率，这就是我们常说的“鱼钩效应”，从图中可以看出，复合曲线进料体结构的“鱼钩效应”最弱，这使得更多的细颗粒进人内旋流，同时颗粒层的形成减弱了细颗粒在壁面处的聚集，降低了细颗粒在底流中的回收率。10090F80F7060%/率5040F细粒区1022m30010 m鱼钩20100粗粒区亚粗粒区35 m2235 m亚细粒区51015直线式渐开线式涡状线式直线导流式复合曲线式88序组装后，开展实验室试验。分级试验台如图13所示，先开启渣浆泵进行清水试验，首先，查看在高压力情况下是否存在液体泄露情况；其次，为了清洗旋流器内部遗留的打印残屑物。确定旋流器正常工作后,开始配置一定浓度的浆体，当料浆搅拌均匀后，开展性能测试，为了减小试验误差，分别取进料、溢流和底流的多组平行数据进行检测，多次测量后取平均值，以确保数据的准确性，物料粒度分布如表4所示。有色金属（选矿部分）压力表2024年第2 期旋流器流量计开关图13试验台实物图料筒Fig.13Physical drawing of test bench表4物料粒度组成搅拌釜Table 4Material particle size composition粒径范围/m06624渣浆泵2452527676图11试验原理图Fig.11Test schematic diagram图12 复合曲线式进料体实物图Fig.12Physical drawing of material inlet区间/%7.5726.8544.117.623.863.2试验结果分级试验结果如表5所示。由表5可知，复合曲线式进料体旋流器的底流浓度比常规旋流器的底流浓度降低了2.57%，溢流浓度提高了18.50%。一2 0 m底流中含量降低了10.96%，改善效果明显。复合曲线式进料体旋流器的质效率为46.32%，比常规进料体质效率提高了7.32%，量效率稍有降低。为了更清晰表述旋流器对铜矿的分级效果，对产物粒度进行了分析，如表6、7 所示，复合曲线式型底流中一2 4um颗粒含量比常规型降低了15.07%，溢流中一2 4m颗粒含量比常规型提高了3.39%。通过上述试验数据可以看出，复合曲线式进料体旋流器能有效改善底流夹细，同时质效率有明显提升，有效解决了精矿精度低、分级效率低的问题。正累积含量/%7.5734.4278.5296.14100.02024年第2 期类型底流浓度/%常规型79.65复合曲线型75.11表6 底流粒度对比Table 6Underflow particle size comparison常规型复合曲线型粒度/um正累计产率/%含量/%-64.366249.11245226.52527642.66+7617.35表7溢流粒度对比Table7Overflow particle size comparison常规型复合曲线型粒度/m正累计产率/%含量/%一629.9162425.22245210.02527629.18+765.674结论1)复合曲线型进料体结构可使其切向速度增大，颗粒获得更大的离心推动力，有助于颗粒沿径向上的规律性排布。2)复合曲线型进料体结构的等压面分布更加趋向规律性变化，主分离区域和预分离区域内的等压面宽窄度适中，有利于颗粒的规律性迁移。3)复合曲线型进料体结构比常规进料体结构的质效率提高了7.32%，底流中一2 4m颗粒含量比常规型降低了15.0 7%，溢流中一2 4m颗粒含量比常规型提高了3.39%，底流夹细得到有效改善。1TIAN J Y,NI L,SONG T,et al.An overview ofoperating parameters and in conditions hydrocyclonesfor enhanced separationsLJJ.Separation and PurificationTechnology,2018,206:268-285.2WANG H L,FU P B,LI J P,et al.Separation-and-recovery technology for organic waste liquid with a high梁志涛等：复合曲线型进料体旋流器数值分析和试验性能探究表5分级性能对比Table 5Separation efficiency comparison溢流浓度底流含量(-20 m)/%(-20 m)/%39.696.0346.525.563ERICA V F,FERNANDA F S.Geometric optimization正累计of filtering conical hydrocyclones for thickening产率/%含量/%4.363.0813.478.3639.9925.6982.6551.3210011.55产率/%含量/%29.9124.6255.1332.3865.1513.1694.3328.091001.75参考文献89溢流含量/%质效率/%31.0938.1626.2245.12concentration of inorganic particles JJ.Engineering,2018,4(3):406-415.purposes with low energy consumption JJ.Chemical3.08Engineering Research and Design,2022,178:168-178.11.444HE F Q,WANG H L,WANG J G,et al.Experimental37.13study of mini-hydrocyclones with different vortex finder88.45depths using particle imaging velocimetry J.100Separation and Purification Technology,2020,236:116296.DOI:10.1016/j.seppur.2019.1162965DUECK J,PIKUSHCHAK E,MINKOV L,et al.Mechanism of hydrocyclone separation with water正累计injectionJ.Minerals Engineering,2010,23(4):289-294.6王书礼，王磊，崔宝玉，等.平底结构对水力旋流器流场24.62及分离性能影响 J.有色金属（选矿部分），2 0 2 2（6）：57.00141-146.70.1698.25100量效率/%85.1283.98WANG Shuli,WANG Lei,CUI Baoyu,et al.Effect offlat bottom structure on flow field characteristics andseparation performance of hydrocycloneLJJ.NonferrousMetals(Mineral Processing 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