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 摘要:沉降离心机的生产能力取决于流体的轴向速率和周向速率,因此对沉降离心机转鼓内流体速度的研究有助于沉降离心机的结构优化设计。本文对沉降离心机圆形转鼓内流体速度进行了数值模拟,研究发现自由液面周向速率滞后随流量和液池深度增大而增大,自由液面轴向速率受流量、液池深度和转鼓转速的影响,并给出了它们之间的关系式。
    关键词:沉降离心机;流体速率;数值模拟
    中图分类号:ＴＱ051
    引　言
    沉降离心机已广泛应用于环境保护、化工、食品、制药、冶金等部门[1 2]。沉降离心机的生产能力为所需分离的最小固体粒子沉降在转鼓内而不致随分离液带出的最大悬浮液流量,生产能力大小取决于液体的轴向速率和固体粒子的沉降速率[3]。固体粒子的沉降速率与液层周向速率的平方成正比,液层周向速度场的变化极大地影响着固体粒子的沉降。因此对沉降离心机转鼓内流体速度的研究有助于沉降离心机的结构优化设计。
    对沉降离心机的分离过程已有了一些相关研究,如文献[2]通过实验研究得到了自由液面层周向速度的滞后系数计算公式,但其研究忽略了转鼓周向速度和液层深度的影响。文献[3]和[5]实验研究了沉降离心机转鼓内的旋转流场。对周向速度和轴向速度分别进行了定量和定性分析,给出了考虑转鼓周向速度和液层深度因素影响的滞后系数计算公式,但没有给出自由液面层轴向速度的定量关系。
    本文采用计算流体力学（ＣＦＤ）方法对沉降离心机圆形转鼓内液面速率进行数值模拟,并将其液面周向速率的计算结果与已发表的实验结果进行比较。同时分析沉降离心机转鼓内自由液面层轴向速率的影响因素,拟合其计算关联式。
    1　圆形转鼓内流体计算模型
    数值模拟采用ＣＦＸ软件[6 7],转鼓尺寸参考文献[3]和[5],其中转鼓外径295ｍｍ,长径比为1 383。介质为水,湍流流动状态,湍流计算采用ＳＳＴ湍流模型[8],使用自动壁面函数以考虑边界层的影响。进口以流量为参数,旋转的壁面设为无滑移边界条件,而自由液面设为有相对滑移的边界条件,计算模型如图1所示。
    为消除网格划分对结果的影响,进行了网格划分考核,在保证充分考虑边界层的影响下,最终确定了合适的网格密度。其中在旋转壁面处网格径向长度为0 1ｍｍ,并按线性比例1 2变化,共25个径向网格,轴向网格长度为5ｍｍ。流体的运动为稳态流动,与离心力相比,重力的影响忽略不计。
    2　周向速率的分析
    2 1　模拟计算数据与文献数据对比分析
    在沉降离心机圆形转鼓中,外转鼓的转动带动液层一起旋转。但液体和转鼓的转动并非一致,存在滞后现象,为此,设ω0为转鼓的转速,ω为自由液面的转速。以ω/ω0表征滞后量大小,ω/ω0越大,表示滞后越小。
    模拟计算得到的数据与文献数据[5]对比如表1和表2所示。表1为流量不变情况下不同液层深度下ω/ω0值计算数据与文献数据比较,表2为液层深度不变情况下不同流量下ω/ω0值计算数据与文献数据比较。
             
             
    对比数值计算的结果与实验结果发现,当流量增大的时候,数值计算的结果与实验结果的误差增大,也就是实验测得的周向速率的滞后更敏感于流量变化。这主要是因为文献[3]和[5]采用直接流量入口,所以使周向速率滞后严重。文献[4]实验证明了在进料前进行预旋,可以改善周向速率的滞后,并且流量成倍增加,周向速率的滞后的变化很小。本文的数值模拟采用了周向入口,考虑了进料有预旋的情况,故数值计算结果中流量的变化对周向速率的滞后影响相对较小。数值模拟结果和实验结果的一致性也证明本文的模拟过程是合理的。
    2 2　周向速率影响因素分析
    图2为流量不变情况下不同液层深度下转鼓转速对ω/ω0的影响,图3为液层深度不变情况下不同流量下转鼓转速对ω/ω0的影响。从图2和图3中可以看出,自由液面层的周向速率随转鼓的转速的增加而略有增加,转鼓转速对周向速率的滞后影响不大。
    另从图2中可以看出,自由液面层的周向速率滞后随液层深度的减小而减小。在转鼓内的液层中,各环形液层间会发生相对的滑动,各层流体的角速度均不相同。这种滑动导致各层流体对转鼓旋转的滞后性,从转鼓壁到自由表面,周向速率滞后性逐渐增大。从图3中可以看出,ω/ω0随流量Ｑ的增大而减小,即自由液面层的周向速率滞后随入口流量的增大而增大。这是因为流量增大,物料轴向速率增加,在转鼓内的停留时间缩短,在周向被加速的过程缩短,自由液面层的周向速率降低。

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