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卧螺离心机流场数值模拟及转鼓锥角研究

刘京广  
【摘要】:卧螺离心机因为具有连续操作、处理量大、适应性强等特点,而广泛应用于石油、建筑、化工等行业。但是,由于设计缺陷和分离环境的变化,导致经常发生高速堵塞、卡死等恶性事故,出现上述问题的主要原因是离心机分离速度和进料流量不能合理匹配。究其根本原因是对离心机分离理论的研究不足,没有把握分离场中液流的运动规律与离心机结构尺寸之间的内在联系。所以,掌握离心场中液流的运动状态及规律,对于离心机的设计和结构优化有着至关重要的作用,同时也丰富了卧螺离心机理论研究。 本文先对分离液特性进行初步研究,在此条件下建立了分离场中液流的运动数学模型,并推导了在没有螺旋影响下分离液的运动模型。在此基础上,建立卧螺离心机有限元模型并得到了在控制参数变化下离心力场中液流速度和压力的变化规律。 首先,根据建筑泥水的特点,对分离液的物料特性进行界定,明确所研究对象的物理性质和化学性质,同时对分离场的特征进行深入研究,为研究离心场固粒的运动规律奠定基础。 其次,采用柱面坐标方法,推导出离心力场中物料运动的数学模型,并在此基础上得到仿真模型所用到的速度和压力运动规律。 最后,利用FLUENT自带建模软件GAMBIT建立卧螺离心机的三维立体模型,并进行网格划分和边界条件设定。应用计算流体力学软件FLUENT对建立的离心机模型进行运动仿真,分析了分离场轴向速度、周向速度和径向速度与结构特性参数之间的关系。并且对离心场中固体颗粒的运动状态进行仿真,得到其运动规律,同时对离心场压力规律进行研究,初步探索了动压力和静压力沿轴向变化规律。 研究结果表明: (1)轴向流速复杂多变,流动受几何结构的影响很大。在液流由输料管进入转鼓内部过程中,轴向速度逐渐降低,并且在转鼓的分料口截面出现最低轴向速度。研究表明转速的提高不利于液流的轴向流动,在不同液层深度下,轴向速度系数的递减率基本相同。 (2)径向速度是分离的关键,对比模拟结果和计算结果可以发现,转鼓内壁的粘性力随着液池深度的增加而逐渐减小;液流滞后值随着转鼓转速的增加而升高。 (3)离心机动压力和静压力基本符合旋转涡流场压力变化规律。动、静压沿液环半径方向上都逐渐增加,在转鼓内壁处达到最大值,且在出口处变化剧烈。 (4)离心机沉积层厚度与转鼓锥角有着密切的联系,随着锥角的变化,沉积层厚度逐渐减小,同一锥角很难同时兼顾到大颗粒和小颗粒的分离。针对不足,设计了双锥角转鼓结构,并验证了其能在一定程度上改善单锥角转鼓的不足。


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