旋流器流场模拟及特性分析

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1、旋流器流场模拟及特性分析江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212003王军陈宁摘要旋流器内的流场对分离性能有很大的影响，由于受到各种因素的制约，各使用条件下的旋流器内部流场不可能完全由试验的方式来确定，因此采用数值模拟不失为一种有效的方法，本文采雷诺应力模型（RSM）和SIMPLEC算法，对水力旋流器内部流场进行了数值模拟计算，根据计算结果对旋流器内三维速度分布提出了一些认识，并分析了旋流器内出现速度及压力分布情况以及对分离效率的影响；此外，分析结果显示除了进出口区域外，在分离主体部分的流场也存在着不对称性和不稳定性，这种不对称性和不稳定性受进口速度、进口结构布置以及旋流器锥角的影响，

2、以上的这些特性对进一步提高旋流器的分离效率提供了一些依据。关键词：水力旋流器雷诺应力模型数值模拟流场特征0引言水力旋流器已广泛应用于矿山、石油、化工、医药、环保等行业的分离、分级和分选，从其发展至今许多专家学者对其流场、分离性能以及结构对分离性能的影响等方面进行了深入的研究，得出了一些有益的结论。从前人的研究中可以看出流场对分离性能有很大的影响，而旋流器结构又影响着流场，过去的研究主要是针对某一具体结构采用实测与理论分析相结合的方法确定流场特征，但各种不同结构的旋流器其流场存在着一定的差别，由于受各种因素制约，不可能对各种结构和尺寸的旋流器全部进行实测来找出流场特性。为了探明各种结构、各种

3、不同操作条件的旋流器流场，利用计算机模拟研究十分有效。随着计算机的广泛应用以及计算机容量的增大，仿真模拟流动具有很高的准确度和可靠性，近年来利用计算机对各种分离设备、输送设备、反应设备等的内部情况进行数值模拟成为可能，且模拟结果与实测数据吻合较好。因此作者采用预测精度较高的雷诺应力模型对旋流器的流场进行模拟，根据模拟结果在旋流器内的流场以及分离主体部分的速度分布等方面获得了一些新的认识，据此进行一些探讨，为进一步全面认识旋流器流场特性和重新认识分离机理提供依据。1湍流数学模型旋流器模拟计算目前所用数学模型有Prandtl混合长度模型、两方程模型、大尺度涡流模型、代数应力模型、雷诺应力模型等

4、，但研究表明旋流器内强旋流场的湍流粘性系数是各向异性的，用诸如标准的k-ε等模型无法准确描述旋流器流场，因此必须选用更高级的湍流模型，如雷诺应力模型和代数应力模型，Grady在对10mm旋流器分级效率的模拟计算中采用Reynolds应力模型模拟获得了令人满意的结果，Yang也在水净化所用旋流器的模拟计算中采用Reynolds改进的k-ε模型得到了与实验一致的结果，可见Reynolds应力模型有很高的预测精度，但Grady、Yang等人主要是针对旋流器的分离性能研究，在此作者采用具有较高预测精度的Reynolds应力模型对旋流器流场进行研究，以期探明其特征。水力旋流器的流体介质是水，因此描述

5、其运动的数学基础是连续性方程和Navier-stokes运动方程，对不可压缩介质的连续性方程和运动方程如下：Ui0xi87UiUiPUiUj()[()uu]gjijitxxxxxjijji式中，A为系数；U为时均速度；g为重力加速度分量；k为湍动能；p为压力；t为时ii间；u为脉动速度；x为笛卡尔坐标分量；为密度；为湍动能i；为粘度；为湍动粘度；为Kronecker符号。tit2物理模型结构及数值物理模型采用Riatema研究的比例结构以及李建明、郭荣等人的旋流器结构进行过模拟计算，图1为采用Riatema结构的结构示意

6、图。图1结构示意图图2计算网格结构流场入口速度可由质量守衡条件给出，即4QQininw,v,u0in2inindidiD3kw2k2k,的入口条件可以取成：0.0144,。ininin(0.5D)出口给出局部单向条件，即各函数轴向梯度为零，即uvwk0,0,0,0,0xxxxx壁面认为不可渗漏，无滑移条件，并利用壁面函数方程来计算剪应力、近壁处的湍动能和湍流扩散率。数值计算采用基于进口开始的有限差分方法，计算要点是建立混合非结构网格系统，采用生成网格。如图2是计算网格划分结构，其划分为255348个区域，52389个节点，求解采用SIMPL

7、EC方法处理压力与速度的耦合。3结果与讨论3.1三维速度分布特征旋流流场的切向速度和压强损失是考察旋流分离器性能的两个主要指标。切向速度是旋流分离器内三个分速度中最重要的一个，它决定被处理液体所受离心力的大小。切向速度越大，其分离性能就越好。压强损失，又称压强降，也是旋流分离器的重要技术指标。88由于流体的粘性，高速旋转的旋流流场中，流体与壁面之间以及流体质点之间都将因摩擦和湍动等而消耗能量，表现为压强损失(压强降)。从