三锥旋流器内部流场与颗粒运动模拟研究

摘要

随着采煤机械化程度的不断提高，选煤厂的粗煤泥含量逐渐增加，如何对其进行高效分选逐渐成为选煤界的焦点问题。实践表明，三锥旋流器作为一种新型粗煤泥分选设备，对粗煤泥具有较好的分选效果，远优于单锥旋流器，但是目前对于三锥旋流器提升粗煤泥分选效果的机理以及三锥旋流器的分选原理尚缺乏足够的认识。为此，本研究课题以三锥旋流器为主要研究对象，单锥旋流器为对比研究对象，采用CFD数值模拟方法系统直观的对两种旋流器内的多相流流场及颗粒运动行为进行了对比研究，并考察了结构参数和操作参数变化对三锥旋流器内部水-气两相清水流场的影响。
　　通过对网格划分类型、湍流模型与多相流模型、边界条件等的探索，构建了合适的三锥旋流器和单锥旋流器CFD模型，并以入料量和溢流流量比为衡量指标，将不同给料压力下的模拟结果与实验室测定结果进行了比较。对比结果表明所建的CFD模型是准确可靠的，根据研究结果可知：随着给料压力的变化两种旋流器的入料量、溢流流量比的变化趋势均相同，在相同给料压力下，三锥旋流器的入料量高于单锥旋流器，溢流流量比低于单锥旋流器。
　　向旋流器的CFD模型中通入水、空气和单一性质的细粒颗粒相，运用Fluent软件对三锥旋流器和单锥旋流器的多相流流场进行模拟研究，对比分析两种旋流器流场中的压力分布、速度分布、空气柱、湍流强度以及密度分布等参数。研究结果表明：两种旋流器内压力、速度和空气柱等流场参数的分布规律基本相同，而湍流强度和密度的分布规律则相差较大。在相同条件下，三锥旋流器锥体中心处的湍流强度远大于单锥旋流器的，这有助于分选物料的充分松散；相比于单锥旋流器，三锥旋流器的主要分选密度层更多，其锥体部分的密度层除沿垂直锥面方向分布外，还沿旋流器轴向分布，从上到下三个锥段的密度逐渐增加，锥体部分的锥角变化使隐藏在低密度层底部的高密度层暴露出来，正是密度层的这种分布规律使三锥旋流器的分选效果得以提升。
　　改变三锥旋流器的给料压力、溢流管直径和溢流管插入深度等参数，模拟研究参数变化对三锥旋流器内水-气两相清水流场的影响，发现溢流管直径和给料压力对三锥旋流器的影响大于溢流管插入深度。给料压力的升高，会使旋流器内的切向速度和轴向速度增大，湍流强度升高，空气柱的形成时间缩短；溢流管直径的增大，会使旋流器内的压力降低，切向速度减小，轴向速度增大，空气柱直径增大；溢流管插入深度的增大，会使旋流器内的切向速度和轴向速度增大，压力先降低再升高，空气柱的形成时间变长。
　　在流场研究的基础上，对旋流器内的颗粒运动行为进行模拟研究，进一步揭示三锥旋流器的分选原理。首先，对三锥旋流器内不同性质的单个颗粒进行研究，模拟结果显示颗粒主要是在旋流器的锥体部分实现分选，且发生分选的位置位于与颗粒密度相近的密度层。三锥旋流器对于1mm粒度的煤颗粒具有较好的分选效果，经过分选，低密度颗粒从溢流口排出，高密度颗粒从底流口排出，随着颗粒密度的增大，分选所用的时间先增大后减小；三锥旋流器对于1450kg/m3颗粒的分选效果受粒度影响较大，经过分选，中细粒级颗粒从溢流口排出，粗粒级颗粒从底流口排出，粒度过细会造成颗粒分选的随机性增加，粒度过粗则容易造成颗粒发生错配现象，而对于中间粒级颗粒的分选效果则相对较好。然后，对三锥旋流器和单锥旋流器内的颗粒群进行模拟分选试验，并与实验室分选试验进行对比验证，两种试验的结果均表明：相比于单锥旋流器，三锥旋流器具有更好的分选效果，其溢流灰分更低、分选精度更高。
　　通过本课题的研究，揭示了三锥旋流器提升粗煤泥分选效果的机理，完善了三锥旋流器的分选原理，为三锥旋流器结构参数和操作参数的选择、优化提供了一定的理论依据，也为后续更加深入的研究奠定了基础。

目录

声明

1 绪论

1.1水力旋流器结构及工作原理

1.2水力旋流器内流体的运动行为

1.3水力旋流器研究方法及研究进展

1.4课题研究意义及内容

2 三锥旋流器及其CFD模型构建

2.1三锥旋流器分选系统

2.2三维模型建立及网格划分

2.3湍流模型及多相流模型选择

2.4控制方程离散与求解

2.5边界条件及初始条件设定

2.6小结

3三锥旋流器内部流场数值模拟

3.1旋流器CFD模型验证

3.2压力分布

3.3速度分布

3.4空气柱

3.5湍流强度分布

3.6密度分布

3.7小结

4三锥旋流器参数变化对流场的影响

4.1给料压力对流场的影响

4.2溢流管直径对流场的影响

4.3溢流管插入深度对流场的影响

4.4小结

5三锥旋流器内颗粒运动行为模拟

5.1颗粒在流场中的受力分析

5.2单个颗粒运动特性模拟

5.3三锥和单锥旋流器模拟分选试验

5.4三锥和单锥旋流器实验室分选试验

5.5小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致谢