新型水力分级机数值模拟及试验研究_张悦刊.pdf

新型水力分级机数值模拟及试验研究 张悦刊曹井振刘培坤杨猛郑雪飞 （山东科技大学机械电子工程学院， 山东 青岛 266590） 摘要传统水力分级机给料方式通常为垂直给料， 容易造成分级腔内流场紊乱， 特别是高速给料时流场恶 化尤为严重， 导致分级精度低、 分级效率低等问题。为此， 提出一种切向进料、 带有W型反射盘的新型水力分级 机。采用计算流体动力学软件对新型水力分级机内部流场进行了数值模拟分析。结果表明 新型分级机通过设置 切向进料管结构， 物料以螺旋下降方式进入分选腔， 下降速度降低， 物料分散更充分； 通过在给料口设置W型反射 盘后能够产生向上折返流， 减缓了物料与上升水流的对冲， 内部流场分布更均匀； 适当增加给料速度后， 对新型分 级机分级腔内湍动能影响不大， 有利于物料分级， 提高分级精度。对粒径小于0.075 mm的铁粉进行分级对比试验 表明 新型分级机分级效率是传统型分级机的1.25倍， 溢流产率是传统型分级机的1.46倍。相比于传统分级机， 新 型分级机在分级效率和产率2方面都得到了有效改善和提高。 关键词带有W型反射盘的新型分级机内部流场分级效率数值模拟 中图分类号TD98文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -06-168-05 DOI10.19614/ki.jsks.201906030 Numerical Simulation and Experimental Study of New Hydraulic Classifier Zhang YuekanCao JingzhenLiu PeikunYang MengZheng Xuefei2 （College of Mechanical Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China） AbstractThe vertical feed inlet of the traditional hydraulic classifier often causes disordered flow field in the classify- ing chamber，leading to low classification accuracy， small capacity and low efficiency. It is especially deteriorated for feed with high inlet velocity. A new type of hydraulic classifier characterized by tangential feed inlet and W-type reflective disk was proposed. The internal flow field was simulated using the computational fluid dynamics software. The results show that the new classifier is equipped with a structure of tangential feed tube， and the material enters the separation chamber in the way of spi- ral，the falling speed decreases，and the material disperses more fully. By setting a W-type reflective disk at the feed inlet， the upward folding flow can be generated， which reduces the collision between the material and the rising water flow， and the internal flow field distribution will be more uni. When the feeding speed is increased properly， the effect on the turbulent kinetic energy is small in the separation chamber of the new classifier，which is beneficial to the material classification and improves the classification accuracy. The classification experiment on iron powder with particle size less than 0.075 mm shows that the classification efficiency of the new classifier is 1.25 times of the traditional classifier，and the overflow yield is 1.46 times of the traditional classifier. Compared with the traditional classifier，the new classifier has been effectively improved and increased in terms of classification efficiency and yield. KeywordsNew classifier characterized by W-type reflective disk， Internal flow field， Classification efficiency， Numeri- cal simulation 收稿日期2019-04-11 基金项目山东省自然科学基金项目 （编号 ZR2016EEM37） ， 山东省重点研发计划项目 （编号 2017GSF216004） 。 作者简介张悦刊 （1970） ， 男， 副教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 516 期 2019 年第 6 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 516 June 2019 随着科技的快速发展， 高精度的粉体在各行各 业显得越来越重要， 其在矿山、 建材、 食品、 化工、 能 源和医药等行业中均扮演着举足轻重的角色。分级 机作为一种分选分离设备， 其分选性能直接影响粉 体的分选精度 ［1-3］。Allflux分级机能够将物料按3种 不同粒级精细分级， 实现矿物颗粒按不同粒级高效 利用， 但是其结构复杂， 占地空间大 ［4］。Erize公司研 制了能够实现浮选和重选的水力浮选分级机， 其结 构灵活， 分级粒度范围广 ［5］。卢特雷［6］研究了一种带 有给矿缓冲箱的横流式分级机， 其能够平缓地将物 168 ChaoXing 料送入分选腔， 但是其结构复杂、 不易操作。张跃英 等 ［7］提出了一种将矿浆从中部给料， 在溢流、 中腔、 底 流分别出料的全自动控制的 “一进三出水力分级 机” ， 但是其上升水流不平稳， 易波动， 分级精度低。 李延锋等 ［8］发明了一种串联多段液固流化床分选分 级设备， 能够减缓底流跑粗， 其分选筒体较高且结构 较复杂。吕一波等 ［9］设计了流化床分选机， 并指出不 同密度、 不同粒径颗粒的沉降末速， 研究了进水速 度、 给料浓度等参数对分级效果的影响， 但是该结构 适应性及灵活性需要提高。本研究提出一种W型反 射盘的新型水力分级机， 为考察该水力分级机的性 能， 进行数值模拟和试验研究， 为工程实践提供理论 依据。 1 1新型水力分级机 W型反射盘新型水力分级机主要包括给料管、 溢流槽及溢流口、 分级室、 W型反射盘、 进水口、 底流 口， 如图1所示。传统的水力分级机给料方式为垂直 给料， 新型水力分级机采用切向螺旋给料， 从而使进 入分级室的物料以一定的螺旋角度分散开， 避免传 统分级机靠垂直给料对分级室造成的水流紊乱现 象， 并且新型水力分级机在给料管下部设计了W型 反射盘， 从而使螺旋给入的料浆有一个向上折返的 效果。新型水力分级机通过切向给料管使物料螺旋 进入分级腔内， 在分级腔内物料经过反射盘后明显 分层。在垂直运动中， 水流向上流动将沉降速度低 的颗粒带到顶部排出， 所得到的细粒级产物为溢 流。沉降速度大的颗粒由底部排出， 所得到的粗粒 产物为沉砂。分离粒度根据颗粒在上升介质流中的 绝对运动速度Va的方向决定， 由式VaVo-Vup（Vo为颗 粒自由沉降速度， Vup为上升水速） 可知， 颗粒的绝对 运动速度和方向取决于Vup的大小， 当Vup＞V0时， Va为 负值， 颗粒被介质推动向上运动； 而Vup＜Vo时， Va为正 值， 颗粒仍可向下运动； 而当VupVo时， 颗粒将在空间 悬浮， 绝对速度为零。颗粒经过间歇排料分离出粗 颗粒和细颗粒， 如果要得到多个粒级产物， 则可将溢 流 （或沉砂） 在依次减少 （或增大） 的上升水流中继续 分级。新型水力分级机结构和分级区颗粒沉降示意 图如图2所示。 2计算模型与求解方法 根据新型水力分级机的实际结构和模拟所需的 主要部件对分级机进行建模， 分级机主要的部件参数 见表1。根据表1尺寸在SolidWorks建立相应模型， 并 导入woekbench进行网格划分， 如图3和图4所示。 利用 SolidWorks 软件对分级机建模， 然后导入 workbench软件， 并采用六面体为核心的网格生成方 法， 网格数量为147 803， 节点个数为33 181。边界条 件设置 水的密度设置为 998 kg/m3， 重力加速度为 9.81 m/s2， 参考压力为101 325 Pa， 进口设置为速度入 口， 出口设置为压力出口， 表压为0 Pa。求解器 pres- 张悦刊等 新型水力分级机数值模拟及试验研究2019年第6期 169 ChaoXing sure-based。湍流模型选取 spalart-allmaras （1eqn） 模 型 ［10-11］。 3模拟结果分析 为了更好地分析分级机内部流场变化， 模拟了 在相同的顶水速度、 不同进料速度下分级腔内X-Z 平面的速度云图， 对比分析了新型分级机和传统分 级机在相同进料速度下分级腔特定位置湍流强度， 在Z110 mm处选取特征线， 特征线选取位置如图5 所示。 3. 1X-Z平面速度云图对比 相同的顶水速度， 不同给料速度下， 分级机内部 X-Z平面速度云图如图6所示。 从图6可以看出 传统分级机由于垂直向下给 料， 导致物料直接进入分级腔内， 容易与上升水流对 冲造成流场的紊乱， 当给料速度过快时， 物料进入分 级腔内又容易造成物料未经分选而直接从溢流流 出， 导致溢流颗粒粒度增大， 分级精度低； 新型分级 金属矿山2019年第6期总第516期 170 ChaoXing 机由于设置了W型反射盘， 进料口通过切向给料， 物 料以螺旋下降的方式进入分选腔内， 在物料以一定 的螺旋角度下降过程中其速度由单一的轴向可分解 为径向、 切向、 轴向。物料以分散的状态进入分选腔 后再经过W型反射盘的折射向上缓冲作用， 避免了 物料与水的对冲， 有利于颗粒的自由沉降， 提高分选 精度。 3. 2湍动能对比 在Z110 mm平面选取特征线 （如图5） ， 其湍动 能如图7所示。 由图7可知， 分级机腔体的中轴线附近湍动能最 强， 传统分级机的湍动能呈倒V型分布， 在中轴线附 近传统分级机的湍动能值明显大于新型分级机的湍 动能； 当给料速度为0.04 m/s时， 传统分级机中轴线 附近的湍动能是新型分级机的6.1倍； 当给料速度为 0.09 m/s时， 传统分级机中轴线附近的湍动能是新型 分级机的12倍。即传统分级机中轴线附近形成的流 场波动强， 导致分选腔内水流紊乱， 不利于颗粒的自 由沉降。对不同给料速度下的湍动能对比可知， 给 料速度越大， 新型分级机的料浆在切向给料的作用 下螺旋效果越明显， 其湍动能分布以中轴线为中心 呈现倒W型， 说明新结构的分级机在高速给料下对 分选腔内的湍动能影响不大， 有利于分级腔内形成 稳定的悬浮床层， 从而提高分选精度。 4试验研究 以粒径小于0.075 mm的铁粉为原料， 对2种分级 机进行分级性能对比试验。实验平台实物图与试验 系统流程分别如图8和图9所示。 表2给出了2种分级机在给料速度均为0.09 m/s 时对铁粉分级效果的对比。 从表2可以看出 铁粉经新型分级机处理后， 底 流中颗粒粒径大于0.045 mm的铁粉产率为70.10， 溢 流 中 颗 粒 粒 径 小 于 0.045 mm 的 铁 粉 产 率 为 80.94， 相比于传统分级机， 分别提高了15.20个百 分点和18.24个百分点， 新型分级机的分级效率和溢 流产率分别为传统分级机的1.25倍和1.46倍。试验 结果表明， 经新型分级机处理后， 颗粒分级效率和产 率比传统分级机明显提高。 5结论 （1） 利用Fluent软件对新型分级机和普通分级机 进行数值模拟， 表明新型分级机通过设置切向进料 管结构， 物料以螺旋下降方式进入分选腔， 下降速度 降低， 能够充分将物料分散。通过在给料口设置W 型反射盘后能够产生向上折返流， 减缓了物料与上 升水流的对冲。适当增加给料速度后， 对新型分级 机分级腔内湍动能影响不大， 内部流场基本稳定且 均匀对称， 有利于物料分级， 提高分级精度。 （2） 对粒径小于0.075 mm的铁粉进行分级试验 张悦刊等 新型水力分级机数值模拟及试验研究2019年第6期 171 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ 表明 在0.09 m/s的给料速度下， 新型分级机比传统 分级机底流中大于 0.045 mm 比例和溢流中小于 0.045 mm比例分别提高了15.20和18.24个百分点， 分级效率是传统型分级机的1.25倍， 溢流产率是传 统型分级机的1.46倍， 相比于传统分级机， 新型分 级机在分级效率和产率2方面都得到了有效改善和 提高。 参 考 文 献 张强.选矿概论 ［M］ .北京冶金工业出版社， 2002. 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