进口速度和颗粒浓度对旋流器分离效率的影响.pdf

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1、第41卷第2期人民长江Vo1．42，No．22010年1月YangtzeRiverJan．，2010文章编号：1002—4279(2010)02—0064—03进口速度和颗粒浓度对旋流器分离效率的影响范存祥，刘新阳2，高传昌2(1．广州市海珠区农业水利局，广东广州510320；2．华北水利水电学院电力学院，河南郑州450007)摘要：采用高浓度多相流混合模型并结合雷诺应力方程对水力旋流器内水沙两相流动进行数值模拟，主要探讨进口速度和颗粒浓度变化对水力旋流器分离效率的影响。模拟得到了水力旋流器在进口浓度保持不变的情况下

2、，速度变化引起的颗粒分离效率变化的规律；在进口速度保持不变的情况下，浓度变化引起的颗粒分离效率变化的规律。所得结果对水力旋流器的设计和应用具有指导意义。关键词：水力旋流器；多相流混合模型；数值模拟；分离效率中图法分类号：TV235文献标志码：A水力旋流器是利用离心力场分离两相流体的高效(+去()_0(1)分离设备，被广泛应用于水利、石油、矿山等领域。水力旋流器的分离效率在水力旋流器的研究中占有重要、一aku的地位，它们是反映水力旋流器工作性能最重要的指式中，u为混合相的平均速度，u町旦一；pm为标。目前多相流混合模型

3、和离散相模型已在水力旋流器的数值模拟中得到广泛应用，并取得了较为理混合相密度，pmp；为第相的体积分数；想的模拟结果，但多限于低浓度和二维情况。本文采p为第k相的真实密度，k=c、s分别代表了水相和颗用高浓度多相混合湍流模型，探讨了进口速度和颗粒粒相。浓度变化对水力旋流器的颗粒分离效率的影响，模型将水相和颗粒相动量方程融合得到动量方程：中不仅考虑了颗粒的存在对水相流场的影响，而且考虑了颗粒之间的碰撞对颗粒运动行为的影响，从而合—一++毒cpcUnitt)=一一嚣+~Ps,tota]+理地揭示了水力旋流器内泥沙颗粒相的

4、流动规律，能够正确地计算出水力旋流器的颗粒分离效率。毒)+Pmgi+Fi+毒(k~=lPkUd,,kiU,tr,kj)+1数学模型去(一pu州“(2)多相流混合模型是一种简化的模拟多相流的欧拉式中，P为水相总压力；P。，P分别为颗粒相总压力方法。该模型使用了滑流速度的概念，允许相(本文和颗粒碰撞引起的颗粒相压力，pota-p。；为指水相和泥沙颗粒相)有不同的运动速度，使用了代数滑移公式。该公式的基本假设是规定滑流速度的代体积力；．r为混合相的黏性应力，．r=(+数关系，以及相之间的局部平衡在短的空间尺度上就能达到。在

5、低浓度混合相方程的基础上，考虑颗粒间碰撞得到高浓度方程如下：鲁)，其中=+肛，为颗粒碰撞引起的颗混合相连续方程：粒相黏性系数：。为水相和颗粒相相对于混合速度收稿日期：2009—07—23基金项目：国家“863”子题(2002一AAZ3092)作者简介：范存祥，男，工程师，硕士研究生，主要从事水利水电工程方面的研究。E—mail：lxywd2008@226．corn第2期范存祥，等：进口速度和颗粒浓度对旋流器分离效率影响65的漂移速度，“=“一“；最后一项为混合相雷诺壁面采用标准壁面函数法；计算中假定底流口水封，出应力

6、。现回流的是水，不考虑空气柱的影响。滑移速度定义为第s相(泥沙颗粒相)的速度相对于水相的速度：=u一¨(3)对于多相湍流，滑移速度可用下式来表达Ucsi：—。‘一(4)式中，为混合相湍流黏性系数，=C；。为普朗特扩散系数；Ol为颗粒相的加速度，由下式给出：(a)计算网格(b)分析截面选择g一(·V)(5)图1水力旋流器的计算网格与分析截面第s相的漂移速度为：2．2数值解法l~dr,si=Ucsi一(6)计算采用Fluent软件，压力速度耦合选用SIMPLE．颗粒相的体积分数方程为：算法；考虑到水力旋流器水沙两相流动的

7、不稳定性和复杂性，采用稳态和非稳态算法相结合，以稳态算法的去(P+熹(Ot,p,ttmj)一击(Olsp,lZdr,sj)(7)结果作为非稳态算法的初始解；时间为二阶隐式，速由于水力旋流器湍流流动的各向异性，需建立混度、湍动能和体积方程对流项选用QUICK离散格式。合相雷诺应力uu方程、湍动能方程(k方程)和3计算结果分析耗散方程(方程)，并对上述方程模型化封闭，方程及模型化方法可参阅文献[8]。在动量方程中，考虑计算所选用的截面平行于进料口侧面，最大直径了颗粒碰撞引起的压力P和粘性应力r，采用颗粒等于筒体直径，如图

8、1(b)所示。z表示计算所选截面动力学对这2个未知量进行封闭，相关的本构方程见位置距溢流出口的距离。文献[9，10]。水力旋流器的分离效率是指从底流口流出的被分离掉的泥沙颗粒相占进口颗粒相的质量百分数。图22数值模拟计算给出了进口速度变化对颗粒分离效率的影响。进口颗2．1网格划分及边界条件粒体积浓度取0．012，采用6种泥沙颗粒粒径d：5，9，