液—固水力旋流器两相流动数值模拟研究进展

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1、液—固水力旋流器两相流动数值模拟研究进展液—固水力旋流器广泛应用于各个行业，如石油化工、选矿、造纸、医药卫生、环境保护和食品等。近年来，随着各工业领域的不断发展，对液固分离技术与装备提出了新的挑战和更高的要求同时，为了适应当今不断高涨的降低能耗的要求，目前迫切需要开发出高分离速度、高脱水度、高分离精度的高性能液—固分离技术然而，由于实验条件的限制，单纯通过实验来研究旋流器的性能不仅周期长而且费用高，如果辅助以理论分析计算和流场模拟等方法来研究旋流器内部流体流动规律，以及结构尺寸变化对分离性能和压力特

2、性的影响等，则可缩短研究周期和实验费用，具有重要的理论研究和工程应用价值。液—固水力旋流器结构及工作原理图1所示为典型的液—固旋流器，主要由进料口、溢流口、底流口和器壁组成。其工作原理为，当液体高速旋转受离心力作用时，轻相向轴心迁移，从溢流口排出，重相向壁面运动，由底流口排出，从而实现轻相(液)和重相(固)分离的目的。图1典型液—固旋流器两相流场数值模拟研究进展液—固水力旋流器中液固分离的问题在数值模拟中定义为液体和固体不相容的两相流问题。由于液固两相之间的相互作用和每一相的运动，传热传质和反应等的

3、影响，颗粒相的模拟基本分为两类：一类是Euler方法，该方法除将流体作为连续介质外，把颗粒群也作为拟连续介质或拟流体，设其在空间有连续的速度和温度分布及等价的输运性质(粘性扩散导热等)；另一类是Lagrange方法，该方法把流体作为连续介质，而将颗粒群看作离散体系，并以此来探讨颗粒动力学颗粒轨道等基于这两种方法，研究者采用了不同的模型对旋流器内的两相分离过程进行了模拟研究。KTHsien和RKRajamani(1991)根据颗粒的受力平衡，用代数逼近法求出固体颗粒的滑移速度和轨迹，PHe，MSalc

4、udean和ISGartshore(1997)分别用二维和三维模型计算了旋流器的分离效率。李建明等(1999)采用κ-ε湍流模型对旋流器内三维流场进行了数值模拟，由于旋流器内粘性流场的各向异性，对模型中的参数进行了修正，模拟结果和实验数据基本吻合。欧益宏等(2005)选用混合模型对柱形水力旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟，对两相流体的切向速度轴向速度径向速度不同时间的体积分布进行模拟，研究成果为前人试验和理论总结提供了有力的理论支持。王卫国等(2006)采用混合模型把每相当成

5、单相流处理，不考虑相间作用，流体允许相互贯穿，采用滑移速度的概念，允许相间以不同的速度运动，并用雷诺应力模型描述湍流，对圆柱旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟其数值计算结果为前人的试验和理论总结提供了有力的支持王志斌等(2006)在考虑液相与固体颗粒之间相互作用的条件下，对液相采用雷诺应力模型，固体颗粒采用随机轨道模型成功模拟出固体颗粒的运动轨迹，形象地反映出固体颗粒在旋流器中的分离过程吴春笃等(2006)采用带旋流修正的κ-ε模型，离散相颗粒采用DPM模型，通过数值模拟得到旋

6、流器内部三维流场的动静压力分布及切向、轴向和径向速度场分布云图，在此基础上提出旋流器的部分设计要点。刘刚(2006)在其论文中对液固旋流器的单相和两相流动与分离机理进行了深入探索在前人旋流器结构筛选的基础上，采用六面体网格和四面体网格、RSM模型、离散相和混合相模型对液固旋流器的流场进行研究分析，通过改变结构参数和操作参数来分析旋流器的分离性能随着各个参数的变化规律，数值模拟结果与实验结果基本吻合，说明了理论计算的可靠性和适用性，从理论上为深入研究旋流器的内部结构提供了新的途径马文兵(2005)针对

7、旋流器内复杂的液固两相湍流运动问题，采用了RNGκ-ε模型和雷诺应力模型，利用贴体网格与分块网格技术，对旋流器内液相流动状态进行了数值模拟，并将模拟结果与实验数据进行分析和比较，结果表明雷诺应力模型比RNGκ-ε模型更准确地描述了旋流器内部的流动状态液固两相流的模拟是在液相流场计算的基础上，采用DPM模型和涉及湍流扩散影响的随机轨道模型，同时在湍流模型中加入了颗粒影响的源相，总结了不同直径的颗粒在不同入口位置进入旋流器后的运动轨迹和颗粒分离效率徐会(2007)旋流器内部复杂的两相湍流运动，采用了雷诺

8、应力模型，对水力旋流器的多相流流场和随时间变化的分离机理进行三维数值模拟，得到了旋流器内不同截面的压力速度分布和不同时间的浓度分布状况。董勇等(2009)多相的分离、间密度比接近于1的κ-ε湍流模型对混合物进行分离，利用混合物的特性和混合速度捕捉湍流的重要特性采用混合模型，考虑两相间因速度不同引起的滑移算法上，压力与速度之间的耦合采用SIMPLE法。通过对边界条件的设置进行计算得到了固相流体积分数分布规律、旋流器转速对分离效率的影响及固体颗粒大小对分离的影响，从模拟结