结构优化型水力旋流器的数值模拟和实验研究

摘要

本文结合课题组现有研究成果，提出了两种结构优化型的水力旋流器。类型-1将旋流器溢流管横截面的外边缘由圆形改进为六边形，相比于传统水力旋流器，该类型分离效率可以提升18.1%。类型-3将旋流器锥部区域横截面的内边缘改进为六边形，通过测试最多可节约49.7%的能耗。类型-2为用作对照的标准结构水力旋流器。使用Fluent流体力学软件，对这三种不同结构水力旋流器的内部流场变化进行了模拟，用以解释结构改进后性能提升原因。 关于流场分布，本文以切向速度、轴向速度、径向速度、压力分布等为对象，着重分析了它们的影响。针对不同速度分布与标准结构旋流器相对比，得出了结论，径向速度同分离效率有着更紧密的联系。溢流管改进可使径向速度值增大，强制涡区域增加；锥部结构改进可以有效降低旋流器内部压力的大小。同时，本文提出了基于优化结果的水力旋流器结构的分离机制。作为水力旋流器独具的流动现象，本研究采用高速摄像技术拍摄到了旋流器内部的空气柱形态，并针对结构参数、操作参数的变化对空气柱的影响进行了分析。另外，本文还提出了一种新的流动现象，当物料进入旋流器内部，并在溢流管周围出现大量肉眼不可区分的小气泡时，该区域可被命名为烟雾区域。烟雾区域的存在对分离效率和能量传递均会产生负面影响，未来应注重考虑如何抑制旋流器内部烟雾区域的形成。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 水力旋流器结构和工作原理

1.2 水力旋流器优缺点及工业应用领域

1.2.1 选矿冶金

1.2.2 污水处理

1.2.3 食品

1.2.4 造纸

1.2.5 石油化工

1.3 国内外研究前沿

1.4 研究方法

1.4.1 理论研究

1.4.2 数学方法

1.4.3 实验研究

1.4.4 数值模拟

1.5 本文研究重点、意义

1.6 本章小结

第2章 实验方法与评价参数

2.1 模型确立

2.2 实验物料、设备、计量模块

实验物料

实验设备

设备型号

计量单元

2.3 实验平台搭建

2.4 实验流程

2.5 评价指标

2.5.1 分离效率

2.5.2 压力降

2.5.3 压力与磨损

2.6 流体流动现象

2.6.1 高速摄像技术

2.6.2 空气柱及烟雾区域

2.7 本章小结

第3章 数值模拟模型建立与结果验证

3.1 CFD及Fluent软件介绍

3.2 数值模拟的优点

3.3 流体力学的两种模拟方法

3.4 模拟流程

3.4.1 准备工作

3.4.2 建模过程

3.5 控制参数设定

3.6模拟结果验证

3.7 本章小结

第4章 水力旋流器的性能对比与流场分析

4.1 分离效率

4.2 压降的影响

4.3 压力分布

4.4 流场的影响

4.5 切向速度分析

4.6 径向速度分析

4.7 轴向速度分析

4.8 流型的影响

4.9 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢