水力旋流器流场的CFD模拟研究.pdf

第 3 O卷第 1 1 期 2 0 0 9年 1 1月 煤 矿 机 械 Co a l Mi ne Ma c h i n e r y Vo I _3 O No ． 1 l NO V ． 2 0 o 9 水力旋流器流场的 C F D模拟研究 曹 卫 ．方 莹 1 ． 盐城工学 院，江苏 盐城 2 2 4 0 5 1 ； 2 ． 南京工业大学 ， 南京 2 1 0 0 0 9 摘 要 采 用计 算流体 力学 C F D应 用软件 C F X1 0 ． 0对水 力旋 流器流 场进行数 值模拟 。实验运 用P r o ／ E建模 ， 选用 一 湍流模型对水力旋流器可以进行比较全面准确的数值模拟。 通过单相流数 值模 拟 实验 ， 对 水力 旋流 器 内部 不 同部 位 的流 场进行 描 述 ， 为从 理 论上 对 水 力旋 流 器进 行 结 构优 化提供 了一 条新的 途径 关键 词 水 力旋流 器 数值 模拟 流场 中图分类 号 T H1 3 7 ． 8 文献标 志码 A文章编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 0 9 l 10 0 6 4 0 3 。 S t u d y o f C F D M o d e l i n g o n Fl o w F i e l d f o r Hy d r o - c y c l o n e CAO W e i 。F ANG Yi n g 1 ． Y a n c h e n g T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， Y a n c h e n g 2 2 4 0 5 1 ， C h i n a ； 2 ． N a n j i n g T e c h n o l o gy U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e n u me r i c al s i mu l a t i o n i n t h e h y d r o c y c l o n e h a s b e e n u s e d i n C F X 1 0 ． 0 w h i c h i s a C F D i n t e r n e t a p p l i c a t i o n b y t he s i mu l a t i o n．I n t h e e x p e rime n t ．h a d a n a l l r o un d a c c ur a t e d a t a s i mu l a t i o n o f t h e h y d r o c y c l o n e b y u s i n g P r o ／ E t o b u i l d mo d e l a n d t h e k mo d e l o f t u r b u l e n c e ．De s c ri b e d t h e d i f f e r e nt f l o w fie l d s wi t hi n t he h y d r o c y c l o n e i n a c c o r d a n c e wi t h t h e o n e p h a s e s i mu l a t i o n e x p e rime n t ． w h i c h p r o v i d e s a n e w t h e o r e t i c al p e r s p e c t i v e f o r o p t i mi z e d d e s i g n o n h y d r o c y c l o n e ． Ke y wo r d s h y d r o c y c l o n e；nu me ric a l s i mu l a t i o n；flo w fie l d O引言 备 的性 能 。本 文 采用数 值 模拟 的方 法 ， 通过 对 水力 水力旋流器内部流场特性非常复杂， 流动过程 旋流器内部流体运动的深人研究 ， 弄清水力旋流器 的复杂性使得设计者只能通过经验方程来 预测设 的分级机理 ， 以便为提高水力旋流器 的分级效率和 R 出 ， 1 ． 压 力 暑 ＼ 蚓 暑 ＼ 淤 量 暑 ＼ 喧 Ⅱ 图 5 提 升 油 缸 速 度与 位 移 曲线 时间 t ／ s 图 6三位 三 通 阀 开 口 曲线 1 ． P到 A的开口面积曲线 2 ． P到 T的开 口面积曲线 开 口面积曲线 的 堆 用． 2 0 0 4 7 8 6 8 7 ． [ 2 ] 付永领 ， 祈晓野 ． AME s im 系统建模 与仿真 从入 门到精通 [ M] ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ． 2 0 0 6 ． 『 3 ] 匡海华 ． 朱杉． 基于 Ma t l a b ／ s i mu l i n k的液压动力机 构的建模与仿 真 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7， 2 8 3 ， 3 2 3 4 ． [ 4] 刘仕平 ， 杨 非 ， 雷金柱． 基 于 AME S i m 的工程车辆液压 悬架系统 仿真[ J ] ． 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 ， 7 4 7 7 ． 作者简介 纪宪化 1 9 8 2 一 ， 山东莒南人 ， 浙江T业大学在读硕 士， 主要从事液压传 动与控制的研究， 电子信箱 i i x i a n h u a 0 1 0 3 1 6 3 ． 3 ． A到T的 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 1 9 ．．．． 6 4 ．．．． 第 3 0卷第 l 1 期 水力旋流器流场的 C F D模拟研究曹卫 ， 等 V o 1 ． 3 0 N o ． 1 1 分级 准确 度予 以理论指 导 。 1模 拟理 论分 析 数值模拟法即从著名 的流体力学 N S方程 出 发 ， 通过对边界条件假 定 ， 利用计算机 进行 数值求 解 ， 从 而 预测 水 力 旋 流 器 的分 级性 能 ， 优 化 水 力 旋 流器的结构。 对 于单相流体 ， 不可压缩湍流模型 N S 方程适合水力旋流器内部流场的模拟。工程上模拟 最通用 的湍流模 型是 k - e模 型 ，计算求解相对容 易 。这里 的变量 k和 s分别代表湍流 动能和分散 率。可用式 1 、 式 2 来描述稳定状态下的质量和 动力 守恒 Vg p , 0 i Vg 一 V p Vg r P g 2 式 中 p 静 压 ； 物体所受的地球重力； 压 力张 量 ， ‰ v - 2 ／ 3 1．z ， 1 3 其 中№ 起初 ． 标 准 的 一 模 型被 用 来表 示 设 备 内 的湍 流 ． 现在对于不同的进 口速度模型被用来预测 2个 出 口的流速 。 标 准 一 模 型是 模 型 输送 方 程 基 础 上 的半 经 验 模 型 。湍 流 动能 和分 散率 占由式 4 、 式 5 、 式 6 给 出 鲁 击 奇 等 等J G 4 砉 ㈨ 壶 毒 等] c } G 一 p } 5 G _ p 6 式 中 G 由于速度梯度而产生的湍流动能 ； C 1 、 C 、 C 3 常数 ； O r k 、 一和 占的湍流普朗特数 。 在 式 2 、 式 3 中定 义 的漩 涡 或湍 流 的黏性 t o-- 7 假设模型常数 C 。 1 ． 4 4， C 1 ． 9 2 ，C 0 ． 0 9 ， 1 ． 0， 1 ． 3。 2模 拟 实验结 果及 分析 图 1 为水 力旋 流器 结构 网格 。进 口的速 度边 界 条件和压力边界条件适用于 2个 出 口 出 E l 压力等 于 零 ， 液 相 为水 ， 利 用 P r o ／ E建 模 ， i c e m c f ,l 进 行 网 格划 分 。 c f x 求 解器 求解 。 ＼ a 结构网格 b 局部放大 图 1 水 力 旋 流 器 结构 网格 在不 同的进 口压 力下对旋流器进行计算机模 拟 。 进 口压 力 为 0 ． 1 2 MP a时溢 流 口和底流 口的 出 口 水 流速 度分 布如 图 2 。 ◇ a F 溢 沉 口 b F J 氐沉 V I 图 2进 口压 力 为 0 ． 1 2 MP a的流 速 图 2 b 清楚地显示 了水力旋流器 出 口水流呈 伞状 ， 预测的速度分布可 以计算出口的流速 。 图 3为水力旋流器 内部流体迹线图 ．从图 3中 可以明显地看出 ．液体在水力旋流器内部以螺旋运 动形 式存 在 ，并且从 器 壁 向轴心 线形成 2种运动 方 向相 反 的螺旋 线 。外 部 液体 向下 往底 流 口运 动形 成 了外 旋流 ，内部液 体则 向上 往溢 流 口流动 形成 了 内 旋流， 由此实现液体的分级。 囤 3流体 迹线 流场是反映水力旋流器 内部液体运 动的最基 本的形式 ． 通过数值模拟计算可以得到如图 4所示 的水力旋流器内部液体运动的流线图。 图 4水 力 旋 流 器 内 部液 体 的 流 线 从 图 4可 以看 出 1 对 一 个 进 口的水 力 旋 流 器。 通过数值计算得到的速度场在进 口附近沿水力 旋流器轴线方 向具有非对称性 ， 因此进行模拟计算 时应该采用三维而不能近似采用二维计算 ， 这一结 果与实际情况相互 吻合 ， 因为这样 的水力旋 流器为 一 个方 向从切线进 口． 进 口的流体 只能从垂直轴的 一 边进入。 2 液体的轴 向速度 由器壁往中心线方 向越接 近越 大 ； 速度 由负开始变为正 ， 大约在水力 旋流器半径的中部处通过零点。所有速度为零的各 个点连接起来形成所谓的零轴速包络面。在零轴速 ～ 一 一 一 ⋯ ． ． 。 女 _ ． _ V o 1 ． 3 0 N 0 ． 1 1 水力旋流器流场的 C F D模拟研究曹卫 ， 等 第 3 0 卷第 1 1 期 包络面内部的流体向上运动形成内旋流 ， 而在该面 外 部 的液 体 则 往 下 向水 力 旋 流 器底 部 流 动 形 成 外 旋流。 3 在靠近水力旋流器的进 口处 ， 进料流体沿 外 壁 的下 降流 和 上 升流 汇 合 处 的地 方 出现 短路 流 现象， 一部分进 口流体还没分级就从溢流 E l 出来离 开了水力旋流器。因而 ， 水力旋流器对这部分流体 实 际上没有 发挥分 级的作 用 。 图 5是在 不 同平 面的 内部 流动 形状 ， 图形 清楚 地显 示 了平行 的漩 涡形 状 ， 值得 注 意的 是 由于水 流 的 高速 旋 转 在水 力 旋 流 器 内部 产 生 中 心最 低 速 度 区域 。 由于沿 着 中心轴 旋转 产生 的 负压 区域 ， 水 力 旋流 器 中会形成 一 个空 气柱 ， 实 际上 整个 中心低 速 区域代表了真正的空气中心的形成 ， 速度在出口附 近达到最大值。 - ≮ 警 l誊 图 5不 同平 面下 的速 度 图 形 图 6显 示 了水 力 旋 流 器 进 口位 置水 平 方 向 的 速度场， 图形表明了对于漩涡强度轮廓曲线区域存 在轴对称的偏离 。漩涡轮廓就是速度圆周 切线 部 分 的大小 ， 而且存在轴对称的偏离。这些结果表明 了水力旋流器流场的三维计算的重要性 ， 在这些图 形中可以看出进 口时切向速度较高 ， 随着进人内部 径 向速度逐 渐减小 ， 但 同时获得 了动能 。 图 6进 口处速 度 图 形 0 ． 1 2 Mp a 图 7是沿 着 中心平 面 的速 度分 布 ． 这个 中心平 面是 穿 过进 口垂 直切 开 的一个 平面 ． 速 度矢 量 表现 了水 力旋 流器 内部 流场 的最 小 流动模 式 ． 在 速 度矢 | | 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 0 B L Z G型全自动立式压滤机在山东煤机集团研制成功 由山东煤机装备集 团有限公司 自行设计生产的一种新型可靠性智能化立式压滤机B I G型全 自动立式压滤 机于近 日试车成功并开始批量化生产 。 山东煤机装备集团有限公司 自2 0世纪 9 0年代初就致力于立式压滤机的研制生产。经过吸收消化国外先进技术 和多年的潜心试验与创新 ． B I ZG型全 自动立式压滤机拥有 四项国家专利 。目前居于国内领先水平 。 该机具有以下 技术特点 1 占地少立式结构 ， 单台处理量大， 减少了设备需用数量和 占地面积 ； 2 效率高 、 能耗低集过滤 、 洗 涤、 挤压 、 风干、 卸料 于一体 ， 从而达到简化工艺流程 、 降低能耗 的 目的 ； 3 自动化程度高 采用 P L C 触摸屏电气 自 动化控制技术 ， 无需人工干扰的 1 0 0 ％全 自动化连续操作 ， 减轻了操作人员的劳动强度 ； 4 纠偏能力强 采用光电与 机械数控纠偏装置 ， 提高了纠偏能力 ， 减少 了相互干扰 ， 增加了纠偏工作的可靠性 ； 5 操作维修简单， 运行成本低。适 用于黑色、 有色金属矿山的尾矿过滤及煤炭 、 化工 、 淀粉、 制药等行业生产过程 中的固液分离。目前 ， 主要机型过滤面 积为 1 0 ～ 2 0 o耐， 滤饼水分达 8 ～ 2 O ％ 视过滤物料不同 。 苗成标 一 6 6