柱型旋流器PIV流场测量及固—液分离特性研究

【摘要】：水力旋流器是利用离心力将多相混合物进行分离的设备,被广泛应用于矿产冶金、石油化工、医药卫生、食品加工和环境工程等领域。在满足分离效率的前提下,柱型旋流器与传统的柱锥型旋流器相比通常具有更高的处理能力和更小的压降能耗等优势。本文以直径50mm的柱型旋流器为研究对象,通过PIV粒子图像测速实验和数值模拟的方法,研究了不同结构以及不同操作参数对柱型旋流器流场特性和固液分离特性的影响。本文的主要研究内容如下:(1)采用PIV粒子图像测速系统开展柱型旋流器的流场可视化实验,通过轴向截面和径向截面的测量,获得了流场的轴向速度、切向速度和流场流动形态等参数。通过对测量到的瞬时数据进行时均化处理,获得流场的轴向RMS(均方根)速度和径向截面RMS速度等流场湍流特性参数。根据以上参数,通过定量分析的方法,讨论了有无倒锥结构、不同进口流速和不同分流比对柱型旋流器流场中的速度分布和湍流特性的影响规律。(2)建立能够准确描述旋流器内部强旋流流动和多相流动的数学模型。本文使用Gambit对旋流器结构进行离散化处理并进行无关性验证;采用考虑各相异性的雷诺应力模型(RSM)对旋流器内部流场进行预测,并通过PIV实验所测得的流场结果对该湍流模型进行验证;本文采用双流体模型(TFM)对旋流器内部多相混合流动进行求解,并通过Hsieh实验中所测得的固液分离效率值对该多相流模型进行验证。(3)研究了有无倒锥结构、不同溢流口面积和不同底流口面积对旋流器固液分离性能的影响。结果表明:插入倒锥结构使得旋流器在分离大粒径颗粒时具有更优的性能;当分流比不变的情况下,改变溢流口和底流口面积对旋流器固液分离性能影响非常小(低于2%)。在采用压力出口时,降低溢流口面积和增大底流口面积均可增大旋流器固液分离效率。(4)研究了不同进口流速、不同溢流口分流比和不同颗粒浓度对旋流器固液分离性能的影响。结果表明:随着进口流速从2m/s增加到5m/s时,旋流器的固液分离效率先增加后减小;随着溢流口分流比从50%增加到90%时,旋流器的固液分离效率逐渐降低;随着固体颗粒在进口处的总体积分数从5%增加到20%时,旋流器的固液分离效率逐渐降低。