搅拌器内部三相流场特性模拟研究.pdf

2 0 2 0 年第4 期有色金属 选矿部分 9 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 2 0 ．0 4 ．0 1 7 搅拌器内部三相流场特性模拟研究 杜友花 安徽中能矿机制造有限公司，安徽淮北2 3 5 0 0 0 摘要针对搅拌器内部复杂湍流流场特性研究对提高其工作性能的重要意义，应用标准女一e p s t l o n 湍流模型，基于欧 拉一欧拉法描述固一液一气三相流，并采用V O F 模型捕捉气一液自由液面，离散相零方程模型解算颗粒运动行为，对容积为9L 的 实验室型搅拌器内部多相流场特性进行了模拟研究。研究结果表明，桶体挡板能有效防止漩涡产生，搅拌器内部流场呈上、 下两循环分布，且下循环流速高于中、上部区域；流体运动速度与搅拌强度和正相关性，在较小粒径范围内，颗粒运动速度与 其粒径呈正相关性，但其速度差异较小。小粒径颗粒体积分数分布相对较均匀，增大搅拌强度有助于提高颗粒分散性。搅拌 器内部流场数值模拟研究可为提高搅拌器工作性能提供理论指导和技术依据。 关键词搅拌器；流体特征；数值模拟；多相流；速度场 中图分类号T D 9 2 3 ．2文献标志码A文章编号1 6 7 l 一9 4 9 2 2 0 2 0 0 4 一0 9 5 一0 5 S i m u l a t i o nS t u d yo nt h eI n t e r n a lT h r e e p h a s eF l o wF i e l dC h a r a c t e r i s t i c so fA g i t a t o r D UY r D “，z “＆ A 以 “iS i 以0 7 7 z i 咒i 咒gM n f i 以P r yC o ．，L f 岔，H “以i 6 P i2 3 5 0 0 0 ，A 7 2 “i ，C i 行以 A b s t r a c t B a s e do nt h es i g n i f i c a n c eo fi n v e s t i g a t i n gt h ef l u i d sc h a r a c t e r i s t i c si na g i t a t o r ，t h ec o m p l e x f l o wf i e l do fa1 a b s c a l e da g i t a t o ro f1Lw a sn u m e r i c a l l ys i m u l a t e du s i n gs t a n d a r d 志t u r b u l e n c em o d e la n d E u l e r E u l e rm e t h o d ．V O Fm o d e lw a su s e dt o c a p t u r et h ea i r 一1 i q u i df r e es u r f a c e ． T h ed y n a m i cb e h a v i o r s w e r er e s o l v e db yd i s c r e t ep h a s ez e r oe q u a t i o n ．T h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eb a f f l ec o u l da v o i d t h ev o r t e xe f f e c t i v e l y ，a n dt h ei n t e r n a lf l o wf i e l dw i t h i nt h ea g i t a t o rw a sc o n s t r u c t e db yu p p e ra n d d o w n w a r dc i r c u l a t i n gf l o w ．T h ev e l o c i t yo ft h ed o w n w a r dc i r c u l a t i n gr e g i o nw a sh i g h e rt h a nt h a to ft h e u p p e rr e g i o n ． T h ef l u i d sv e l o c i t yh a dap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h es t i r r i n gi n t e n s i t y ．W i t h i nal i m i t e d r a n g eo fp a r t i c l es i z e ， t h ev e l o c i t yo fp a r t i c l e sh a da p o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hi t s s i z eb u tw i t has m a U d i f f e r e n c e ．T h es 0 1 i dv o l u m ef r a c t i o n d i s t r i b u t i o no fs m a l l e rs i z ew a sm u c he v e n e rt h a nt h eb i g g e r ． A l s o i n c r e a s i n gt h es t i r r i n gi n t e n s i t yc o u l di m p r o v et h ed i s p e r s i n gp e r f o r m a n c e ．T h u s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e f l o wf i e l di na g i t a t o rc o u l di m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c yb yp r o v i d i n gt h e o r yg u i d ea n dt e c h n i c a lb a s e ． K e yw O r d s a g i t a t o r ；f l u i d sc h a r a c t e r i s t i c s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i 。n ；m u l t i p h a s ef I o w ；v e l o c i t yf i e l d 随着矿产资源的不断开采和选矿技术的不断进 步，大量微细粒矿物资源得到开发和利用，而对微细 粒矿物进行选别和尾矿后处理时常需对矿浆进行搅 拌预处理，使矿物颗粒分散并与药剂充分接触作用， 以此提高选别效率口] 。搅拌工艺作为选矿厂工艺流 程常规操作之一，其搅拌效果对选别技术指标具有 重要影响。在生产实践中，给料性质、搅拌器几何结 构、操作参数等因素均对搅拌效果影响显著，且搅拌 器工作性能很大程度取决于其内部流场特性[ 2 ] ，因 此深人研究搅拌器内部流场特性对提高搅拌效果具 有重要意义。在搅拌工艺过程中，常在搅拌桶顶部 预留一定高度防止流体在转子叶轮搅拌作用下溢出 搅拌器，所以常规搅拌器内部一般为湍流强度较高 的复杂的固一液一气三相流场。在生产实践过程中，受 搅拌器自身结构及检测条件的限制很难对其内部流 场特性进行测定和分析。对于搅拌器物理试验研 究，同样存在着流场特性分布检测难度大、检测成本 高等不足。长时间以来，搅拌器内部流场特性研究 收稿日期2 0 1 9 1 0 ～2 1 作者简介杜友花 1 9 6 6 一 ，女，浙江诸暨人，本科，工程师。主要从事机械制造为技术研发和生产工艺工作。E m a l 8 6 3 8 7 4 1 5 0 q q ．c o ⋯ 万方数据 9 6 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 一直都是研究者重点关注的方向之一日] 。 数值模拟方法作为当前有效研究流场特性的手 段之一，目前已广泛应用于选矿领域，为选矿机械结 构优化、选矿工艺参数设定以及选矿技术指标提供 了高效方法n 。。计算流体力学 C F D ，C o m p u t a t i o n a l F l u i dD y n a m i c s 理论与研究手段目前已较为成熟， 基于此的多相流数值模拟方法为深入研究复杂流场 特性和提高工艺技术指标提供了重要理论基础和实 践指导意义[ 5 ] 。因此本文应用C F D 理论与方法，对 实验室型搅拌器内部复杂三相流场特性进行了系统 研究，其研究结果有助于深入理解搅拌器内部复杂 多相流场特性分布，为进一步提高搅拌器工作性能 提供理论和生产实践指导。 1 数值模型的建立 1 ．1 搅拌器几何模型 数值模拟采用的物理模型为有效容积为9I 。的 实验室型搅拌器，其中圆柱形桶体内部均匀安置四 块立式挡板，转子叶轮为后倾四叶片式转子，叶轮直 径为o ．0 8m ，搅拌器几何结构及几何参数如图1 a 所示，其坐标原点 o ，o ，o 位于桶体内底面中心。 根据搅拌机械内置旋转部件特点，对计算域进行旋 转域和非旋转域划分。应用A N S Y SM e s h i n g 对计 算域进行四面体网格离散化处理，为精确捕捉搅拌 器内部湍流特性详细信息，尤其是转子空间区域流 体特性，对转子叶片处网格进行加密处理，离散后的 网格单元数量为2 7 87 0 3 ，节点数量为5 25 0 2 ，计算 域网格如图1 b 所示。 a 儿伺模型 h 计算域f 习格 图1搅拌器物理模型及其参数 F i g ．1A g i t a t o rm o d e la n di t sg e o m e t r i cp a r a m e t e r s 1 ．2 数值模拟方法 采用A N s Y sC F x 流体计算软件对搅拌器内部 多相流场进行数值模拟。针对搅拌器内部旋转域和 非旋转域的运动特性，采用基于多重参考坐标系 M R F M u l t iR e f e r e n c eF r a m e 下的冻结转子模型对 旋转域和非旋转域进行交界处理，交界面采用G G I 连接方式。由于搅拌器内部为强湍流场，其湍流特 性相对复杂，故湍流模型选用应用范围更加广泛且 计算结果可靠的是一e p s i l o n 湍流模型。对于搅拌器 内由于同时存在的气一固一液三相流体，采用欧拉一欧 拉法模拟相间相互作用，其中采用V O F 法捕捉上部 空间内的气一液自由界面。气一液两相表面张力系数指 定为o ．0 7 3N ／m ，且气一液相间曳力系数为O ．4 4 。采 用离散相零方程模型计算固相流运动特性，并应用 S c h i l l e rN a u m a n m 曳力模型描述固一液两相之间的 动量传递。 1 ．3边界条件与解算方法 受转子叶轮高速驱动，搅拌器内部混合液表面 上方空气不断与大气进行交换，故搅拌器槽体敞口 处设置为 p e n i n g 边界条件，且只允许空气自由进 出，其它壁面均设置为无滑移壁面边界条件。为防 止气液液面扰动对数值模拟计算结果的影响，设定 搅拌器内部混合相液面高度为o ．2m ，即流体占其 有效容积的7 7 ％。引入粒径分别为1 0 、4 0 、7 4 “m 三种固体颗粒相，各相体积分数均为3 ％，其密度为 26 0 0k g ／m 3 。为进一步考察搅拌强度对搅拌器内 部流场特性分布的影响，分别在转子转速为3 0 0 、 5 0 0r ／m i n 的条件下对其流场特性进行数值模拟。 为使所涉及的固一液一气多相模拟更加容易收敛， 数值计算采用混合因子差分迭代格式，其中高阶、低 阶混合因子各为o ．5 ，对搅拌器内部多相流场进行稳 态模拟，当迭代时均残差收敛精度为5 1 0 叫时提取 数值模拟结果。 2 模拟结果与分析 2 ．1 气液自由界面分布 搅拌器上部空间的气一液自由界面扰动强度对 其内部流场的稳定性具有影响。当自由界面扰动强 度大时，流场结构稳定性较低，一般会降低搅拌混合 效果；相反，自由界面形态相对稳定的流场结构有助 于强化搅拌混合效果，且当自由液面形成内凹的漩 涡时，搅拌器的有效混合容积会有所降低。搅拌强 度，一般对气一液自由界面形态具有一定影响。因此， 为探究叶轮转速对气一液自由界面形态的影响，分别在 上述搅拌强度条件下识别气液自由交界面形态，当转 子转速在3 0 0 和5 0 0r ／m i n 条件下，其液相体积分数 分布结果如图2 所示。由图2 可知，转子转速在3 0 0 和5 0 0r ／m i n 条件下，自由液面高度和形态未发生明 万方数据 2 0 2 0 年第4 期杜友花搅拌器内部三相流场特性模拟研究 9 7 显变化，表明即便在较高转速条件下，搅拌桶体内壁 的挡板能够有效的防止漩涡在自由液面中心处产生， 使流体域具有较大的有效搅拌范围。 妊 求 鞋 蛙 蓝 * 等高线l a 3 0 0 “m i n h 5 “m i “ 图2 不同转速条件下气一液自由液面对比结果 F i g ．2C o m p a r i s o no fg a s 一1 i q u i df r e es u r f a c e a td i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d 2 ．2 速度特性分布 2 ．2 ．1 液相速度分布 搅拌器内部微细粒级固相颗粒运动行为在很大 程度上受流体速度分布影响，深入研究其内部流场 速度分布对提高搅拌器混合性能具有重要意义。转 子转速在3 0 0 和5 0 0r ／m i n 条件下，搅拌器内部y O 截面速度分布分别如图3 、图4 所示，其中图3 为速 度矢量分布，图4 为速度云图分布。 由图3 在叶轮搅拌作用下，搅拌桶内部基本呈 上、下两循环分布，且沿转轴呈对称式分布。后倾式 叶片转子配合四叶挡板式槽体的搅拌器能够使流体 沿轴向和径向混合。搅拌强度对速度场形态分布影 响较小，对比图3 中矩形区域可知，当搅拌强度较高 时，转子叶轮对上部空间流体的“吸人”作用略强。 综合对比图3 和图4 可知，搅拌桶下方流体由于受 转子高速搅拌作用，搅拌器转子机械能转化为流体 动能，下循环流体运动速度明显高于上部空间流体 运动速度，且转子叶片外端处流体运动速度最大，叶 轮垂直下方流体运动速度较低。 为考察不同搅拌强度下轴向高度流体速度分布 特性，分别取Z ，一o ．0 1m 、Z 2 0 ．0 6m 、Z 3 0 ．1 2m 、 乙一o ．1 8m 截面速度云图分布，其结果如图5 所 示。由图5 可知，在所研究范围内，随着轴向高度的 增加，流体速度基本呈逐渐减小趋势变化，受气一液 自由界面扰动影响，交界面处液体运动速度分布不 均匀，由此可知第二相搅拌混合主要发生在搅拌桶 下部区域。对比图5 a 与图5 b 可知，搅拌强度增 加，转子做功更多，更高的机械能转换成流体运动动 能，流体运动速度更高，在一定范围内有助于第二相 在混合相中的分散。 图5转速对轴向高度液相速度分布影响 F i g ．5 E f f e c t so fa x i a ld i s t a n c ea n d r o t a t i o n a ls p e e do nw a t e rv e l o c i t y 2 ．2 ．2 固相速度分布 在固一液搅拌混合生产实践中，同相颗粒一般具 有不同粒径范围，由于不同尺度颗粒在液相中所受 曳力、离心力等不同，其运动行为一般不同。为考察 不同粒径颗粒速度分布差异，取转子转速为3 0 0r ／m i n 条件下轴向高度为o ．0 3m 叶轮附近区域为参考位 置，并取较小径向范围内固相和液相速度分布作对 比研究，各相速度分布结果如图6 所示。由图6 可 知，在相同径向位置处，各相运动速度略有不同，在 所研究颗粒粒径范围内，颗粒运动速度与其粒径呈 正相关性；当颗粒粒径为1 0 “m 时，其运动速度基本 曲| 矢 E 融∽ ∽ 吣∽ o 等I_I一 万方数据 9 8 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第4 期 与液相重合，原因在于当粒径较小时，颗粒具有较大 的流体跟随性，故其运动速度基本与流体相同。 图6 径向局部位置固一液两相速度分布 F i g ．6V e l o c i t yd i s t r i b u t i o no fs o l i da n dl i q u i d p h a s e sa tn a r r o wr a n g eo fr a d i a ld i s t a n c e 为进一步研究同一粒径颗粒在不同搅拌强度 下的运动速度差异，取所研究颗粒粒径范围内的中 等粒度4 0 肚m 颗粒为研究对象，取径向半径为o ．0 4m 处轴向高度上的运动速度分布，其结果如图7 所示。 图7 表明，随着轴向高度的逐渐增大，颗粒运动速度 基本呈先增加后降低并逐步稳定的趋势，搅拌强度 对下循环区域固相运动速度影响较大；当轴向高度 大于O ．0 6m 时，搅拌强度对颗粒运动速度影响很 小。当转子转速增加2 0 0r ／m i n 时，叶轮附近颗粒运 动速度最大可增加0 ．3m ／s 。 ， ∞ ● 旦 魁 蚓 轴向高度，” 图7叶轮转速对轴向位置4 0 “m 颗粒 速度分布影响 F i g ．7 E f f e c to fi m p e l l e rr o t a t i o n a ls p e e do n V e l o c i t yo f4 0 肚mp a r t i c l e so na x i a ld i r e c t i o n 搅拌器转子叶轮附近为较强的湍流流场，颗粒 在下循环区域不同空间位置的运动速度决定其在不 同空间位置的混合强度。因此，为探讨不同转速时 下循环区域的颗粒运动速度差异，同取轴向高度为 0 ．0 3m 转速条件下转子区域不同径向位置为参考 位置，粒径为4 0 肚m 的颗粒运动速度分布如图8 所 示。图8 表明，由叶片外端向桶壁方向，颗粒运动速 度呈先增加后降低的趋势，进一步表明第二相混合 区域主要在转子附近，且随着搅拌强度的增加，颗粒 在转子区域的运动速度增加，搅拌强度对桶壁附近 颗粒运动速度影响较低。同一搅拌强度条件下，叶 轮区域的颗粒运动速度最高可为搅拌桶壁附近颗粒 运动速度的8 倍左右。 径向距离，m 图8叶轮转速对径向位置4 0 “m 颗粒 速度分布影响 F i g ．8 E f f e c to fi m p e l l e rr o t a t i o n a ls p e e d o nV e l o c l t yo f4 0 肚mp a r t i c l e so nr a d i a ld i r e c t l o n 2 ．3 固相体积分数分布 搅拌器内部固相体积分数分布与其空间位置具 有重要关系，且不同工艺条件下，颗粒体积浓度分布 不同。为探究不同粒度范围的颗粒在搅拌器内部空 间分布情况，分别提取y o 截面上1 0 弘m 、4 0 弘m 、 7 4 “m 固体颗粒相在搅拌器内部的体积分数分布， 其结果如图9 所示。由图9 可知，不同粒径颗粒在搅 拌器内部体积分数分布明显不同，较小粒径 1 0 “m 颗粒由于具有较高的流体跟随性，其体积分数在空 间分布相对较均匀，而相对较大的颗粒 4 0 “m 和 7 4 “m 颗粒在叶轮下方具有一定程度的堆积现象， 且颗粒越大，堆积现象越明显。 不同搅拌强度条件下，粒径为4 0 肚m 的颗粒体 积分数受轴向高度变化影响如图1 0 所示 参考位置 与图7 相同 。图1 0 表明，搅拌强度对搅拌混合区 和气液自由界面附近的颗粒体积分数影响相对较 大，在混合搅拌区颗粒体积分数基本随着搅拌强度 的增加而降低；在液面区域，搅拌强度越高，固相体 积分数反而越高，其原因在于随着搅拌强度的增加， 颗粒运动速度增加，更多的颗粒沿上循环流向上运 动。因此，为防止或降低颗粒在搅拌桶底部堆积程 度，可适当增加搅拌强度，提高流体运动速度，扩大 湍流耗散力，使颗粒相更加均匀的分散于混合相中。 万方数据 2 0 2 0 年第4 期 杜友花搅拌器内部三相流场特性模拟研究 9 9 辍 求 醛 蛙 肌 0 妊 采 鼷 垃 等高线3 O ．1 6 0 ．1 4 O ．1 2 0 ．1 0 0 ．0 8 0 ．0 6 0 ．0 4 0 0 2 0 0 啊 h 4 0 m 籁 求 鼷 蛙 等高线 一O ．4 2 醺 肌 图9y O 截面固相体积分数分布 F i g ．9 S o l i dv o l u m ef r a c t i o nd i s t r i b u t i o no fy Op l a n e 图1 0叶轮转速对轴向位置4 0 扯m 颗粒 体积分布影响 F i g ．10 E f f e c to fi m p e l l e rr o t a t i o n a ls p e e d o nV e l o c i t yo f4 0 肛mp a r t i c l e so nr a d i a ld i r e c t i o n 3结论 1 应用标准是一e p s i l o n 湍流模型、欧拉一欧拉法能 够准确捕捉搅拌器内部气一液自由液面，并较好的对 搅拌器内固一液一气三相复杂流体特性进行预测。搅 拌器内置的挡板能够有效防止漩涡产生，搅拌器内 部流态呈上、下两循环，且沿转轴呈对称式分布。研 究的搅拌器能够使流体沿轴向和径向混合，且搅拌 强度对速度场形态分布影响较小，搅拌强度增加，流 体运动速度增加。 2 同一搅拌强度下，较小粒径颗粒与流体运动 的跟随性较较高；随着粒径的增加，颗粒运动速度适 当增加；同一粒径颗粒，搅拌强度对下循环区域颗粒 运动速度影响较大，且颗粒运动速度与搅拌强度呈 正相关性。 3 较小粒径 1 0 “m 颗粒由于具有较高的流体 跟随性，其体积分数在空间分布相对较均匀，而相对 较大的颗粒 4 0p m 和7 4 肛m 颗粒在叶轮下方具有 一定程度的堆积现象，且颗粒越大，堆积现象越明 显；增大叶轮转速，有助于提高大颗粒混合效果。 4 对搅拌器内部复杂三维湍流流场特性分布实 现了可视化研究，为提高搅拌器工作性能提供了理 论指导和技术依据。 参考文献 [ 1 ]魏德洲．固体物料分选学 第三版 [ M ] ．北京冶金工业 出版社，2 0 1 5 ． w r E ID l e z h o u ．s e p a r a t i o no fs o l i dM a t e r i a l s 3 r de d i t i o n [ ⅣI ] ． B e 玎i n g M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r yP r e s s ，2 0 1 5 ． [ 2 ] w A T A N A B EY ．F l o c c u l a t i o na n dm e [ J ] ．W a t e r R e s e a r c h ，2 0 1 7 ，1 1 4 8 8 1 0 3 ． [ 3 ] 王学涛，崔宝玉，魏德洲，等．絮凝搅拌器内部流场特性 数值模拟[ J ] ．东北大学学报自然科学版，2 0 1 8 ， 3 9 1 0 1 4 4 2 1 4 4 6 ． W A N GX u e t a o ，C U IB a o y u ，W E ID e z h o u ，e ta 1 ． N u m e r i c a ls i m u l a i o no nc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lf l o w f i e l di nf l o c c u l a t i o na g i t a t o r [ J ] ．J o u r n a lo fN o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y N a t u r a lS c i e n c e ，2 0 1 8 ，3 9 1 0 1 4 4 2 1 4 4 6 ． [ 4 ]高淑玲，黄秀挺，魏德洲，等．选矿数值试验研究发展现 状及趋势[ J ] ．金属矿山，2 0 1 4 1 2 1 1 6 1 2 1 ． G A 0S h u l i n g ，H U A N GX i u t i n g ，W E ID e z h o u ，e ta 1 ． T h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fn u m e r i c a I e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nb e n e f i c i a t i o n [ J ] ．M e t a lM i n e ， 2 0 1 4 1 2 1 1 6 1 2 1 ． [ 5 ] H EY ，B A Y L YAE ，H A s s A N P O U RA ．C o u p l i n g C F D D E Mw i t hd y n a m i cm e s h i n g An e wa p p r o a c hf o r f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni np a r t i c l e f l u i df l o w s [ J ] ． P o w d e rT e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 1 8 ，3 2 5 6 2 0 一6 3 1 ． 捌“博H他m∞∞兮∞咂∞锛驾三二酏酗骼酩 万方数据