疏浚底泥分离用旋流器的数值模拟与试验研究

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在江河湖海的疏浚工程中，疏浚泥浆的主要成分以淤泥和粘土为主，具有固体颗粒粒度小，分布范围宽，含水量高的特点。疏浚泥资源再利用之前必须对其进行性能改善，降低含水量。旋流器能够分离不同密度的多相混合物，多用于石油、矿业等领域，目前已逐步用于疏浚泥浆分离中 J。传统的用于进行非均相分离、固体颗粒分级的水力旋流器，-般都由进料管、圆柱形筒体、溢流管、倒锥形筒体及底流管组成。该结构旋流器在柱形筒体端盖下部及溢流管处存在盖下流和短路流，易造成溢流液中固相颗粒含量偏高。

在应用于疏浚泥浆分离时，由于疏浚泥固相颗粒小，分布宽，因此其分离效率大大降低。为解决上述问题，本文提出-种适用于疏浚泥水分离的新型结构旋流器，将现有旋流器的圆柱形进料体改进为圆锥形进料体，利用流体在锥形筒体内部旋转流动过程中产生的离心力场使固体颗粒与液体快速分离，在锥形筒体的导流作用下，流体与初步分离的固体颗粒向下运动速度加快并快速远离溢流管，降低短路流，从而提高分离精度。

为深入了解锥形进料体旋流器的内部流场特性，首先利用流体计算动力学(CFD)对其进行分收稿日期： 2013-03-14 修稿日期： 2013-07-13基金项目： 国家自然科学基金项目(21276145)；中港疏浚重点实验室开放基金项目(DTKB120315)2013年第4l卷第8期 流 体 机 械 13析研究，利用 Fluent6.3进行内部流场的数值模拟，并对比柱形进料体和锥形进料体内的流场分布 。然后制作锥形进料体旋流器模型并搭建了实验测试平台，将模拟结果与实测结果进行对比分析，为进-步进行优化设计提供理论依据。

2 柱形和锥形进料体旋流器的数值模拟比较2.1 物理 模 型根据实验工况设计直径 D150mm的旋流器，进料筒体分别采用 圆柱形和圆锥形，使用Solidworks三维设计软件构建旋流器的物理模型如图 1所示。包括进料体、溢流管、倒锥体和底流管。通过前处理器软件 Gambit对模型进行网格划分，采用结构化六面体网格，圆柱形进料体旋流器共包括 798800个网格单元，圆锥形进料体旋流器共包括 498288个网格单元。

锥形料体(a)圆柱形进料筒体(b)圆锥形进料简体图 1 旋流器的物理模型2.2 数值模拟方法为便于对柱形和锥形进料体内部的流厨行分析比较，对旋流器进行单相模拟计算。湍流模型采用雷诺应 力模型 (Reynolds Stress Model，RSM)。物料定义为水，水的粘度定义为 0.01Pa·S，密度定义为 JDlO00kg/m 。定义进口边界条件为速度进口，入口处速度按实验值，垂直于进口截面的速度 4.OOm/s；出口包括底流口出口和溢流管出口，均为压力出口边界条件。采用标准壁面函数确定固壁附近的流动，压力与速度的耦合方式采用 SIMPLE算法。压力方程的离散采用标准格式，动量方程、湍动能与湍流耗散率方程的离散均采用计算精度较高的 Quick格式。

欠松弛因子的设置需要根据实际的收敛情况做适当的修改。

2.3 模拟结果比较图2为锥形进料体内，在高度方向z-184mm， -284mm和 -326mm 3个截面处模拟计算流体轴向速度分布比较。

吕匠暴1O溢流1OO 0mm1(b)图2 锥形进料体不同截面处的轴向速度由图中可以看出，在溢流管末端以下各水平面上，液体的轴向速度分布规律相似，其数值均14 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.8，2013是从旋流器壁沿半径 向中心轴方向先猛然增大，然后逐渐减小至零。随半径的继续减小，轴向速度改变方向且数值呈上升趋势。通过各水平面上轴向速度为零的各点，可描绘出零速包络面(LzVV)。在零速包络面内部形成内旋流，液体向上运动；零速包络面外部形成外旋流，液体向下运动。比较各水平面上轴向速度可以看出，随着流动由上至下的推进 ，液体的轴向速度逐渐减校图3是在上述 3个水平截面处，模拟计算筒昌瑙厦霹(a)。-184mm截面处宣越蚓厘暴形进料体与锥形进料体轴向速度的比较。由图3(a)可以看出，相同的进料条件下，就外旋流而言，同-半径处锥形进料体内流体的轴向速度较筒形进料体有所提高，且越靠近器壁处增幅越大。

这将有利于物料在进入进料体后迅速向下运动并快速远离溢流管，即利用锥形简体实现迅速导流的目的，从而减少短路流的产生。综合图3(b)和图3(C)可以看出，越接近进料体底部时，由于锥形与柱形简体的尺寸越来越接近，因此其轴向速度的差距越来越校- 80 -40 0Y(mm)(b)z-284mm截面处言 昌叵 暴(C)z-326mm截面处图3 锥形进料体与筒形进料体内轴向速度比较在旋流器的分离过程中，切向速度是 3个速 形进料体内流体的切向速度有明显的提高。[大J度分量中最为重要的-项，它直接决定了流体离 此，在实践应用过程中通过这-结构改进，可以促心力和离心加速度的大小，从而对介质分离效率 进固体颗粒与液体快速分离并远离溢流管，从而产生重要的影响。图4为筒形进料体和锥形进料 有利于减少短路流。

体在溢流管底端Z-184mm截面处的切向速度分布曲线。 3 锥形进料体旋流器试验测试3挞幽 -1- ：3- 80 -40 0y(mm)图4 锥形进料体与筒形进料体内切向速度比较由图中可以看出，在靠近轴心的位置切向速度梯度较大，这个区域对分离起到主要作用。另外，在同-半径处，与筒形进料体相比较而言，锥3.1 测试 试验 台采用粒子图像测速技术(Particle Image Ve-locimetry，PIV)对锥形进料体旋流器进行测试。

主要由Powerview4M PIV，有机玻璃旋流器模型，上海光华电磁流量计，不锈钢卧式离心泵，压力表，高性能空心玻璃微珠 T60示踪粒子(50 m)等组成。

利用 PIV系统对有机玻璃模型中的清水流场进行测试，通过在流场中投放示踪粒子，利用满足跟随性的粒子运动来表示流体的运动。使用二维片光光源照亮流场中某-被测区域粒子，对旋流器模型中的各段用 CCD相机进行拍摄。通过连续两次或多次瞬间曝光对粒子进行成像，粒子的图像可记录在底片或CCD相机上，纪录出粒子瞬间运动前后的图像，对图像上每-粒子像点进行2013年第41卷第 8期 流 体 机 械 l5运算就可以得到整个被测区域内瞬时流场的速度分布。然后应用软件 Tecplot可以对其进行数据分析。

3.2 试验结果受试验条件限制 ，CCD相机每次仅拍摄到进料体的-半区域。以锥形进料体右侧为例，在实验压力 0.06MPa，进料量 15m /h的工况下，采集到进料体内部流场轴向示踪粒子的速度矢量云图如图 5所示。为便于比较 ，取溢流管底端 z-184mm水平截面处粒子速度并与模拟值进行 比较 ，其结果如图 6所示。由图中可以看出，试验值和模拟值 中内旋流和外旋流的变化趋势-致，且二者吻合情况 良好 ，证实了模拟结果的准确性。

- 5- 暑暑 -l0- l5g瑙.叵暴4 结语5 lO 15X(mm)图5 流场速度矢量云图O 35 70y(mm)图 6 -184mm截面轴向速度比较根据疏浚泥浆的特性，提出-种新型的锥形进料体旋流器，将传统的圆柱形改进成渐扩锥形进料体。采用雷诺应力模型(RSM)，利用 Flu-ent6.3对柱形和锥形进料体旋流器内部的单相三维流动进行数值模拟，模拟结果表明，锥形进料体内部流体的轴向速度和切向速度均有不同程度的提高。因此，采用锥形进料体有利于流体与固体颗粒迅速分离，且向下运动速度加快并快速远离溢流管，从而达到降低短路流，提高分离精度的目的。

采用粒子图像测速技术(PIV)对锥形进料体旋流器内部流厨行测试。通过试验测试与模拟结果进行比较可知，模拟值与实测值吻合良好，验证了模拟方法的可行性和正确性。