大直径重介质旋流器内部多相流场及颗粒运动的研究

随着技术和生产的发展，重介质旋流器越来越趋向大型化。本项目利用计算流体力学技术研究大直径重介质旋流器内部气液固多相流场及颗粒运动。首先针对旋流器内流体的非牛顿特性，建立数学模型。利用实验和工业数据对模型进行验证和改进。接着从微观动力学的角度，分析气体、液体和颗粒之间的相互作用。着重研究由于空气柱和悬浮液之间的作用，造成的流场不稳定性，以及从颗粒受力的角度，分析重介质旋流器的分离机理。最后利用该模型系统研究关键参数对旋流器性能的影响，并总结为经验公式，对设计和生产优化进行指导。

本项目利用计算流体力学技术研究大直径重介质旋流器内部气液固多相流场及颗粒运动。主要研究内容包括建立数学模型，利用实验和工业数据对模型进行验证和改进，然后利用该模型系统研究关键参数对旋流器性能的影响，对设计和生产优化进行指导。首先研究了不同湍流模型、离散化方式、压力插值方式和精度对重介质旋流器内流场预测的准确性。对比发现，Reynolds Stress模型、SIMPLEC算法为最合适的压力-速度耦合方式、Second order upwind离散化方式、PRESTO插值方法对已知的旋流器进行模拟能够与实验数据值吻合最好。选择计算量较少的Mixture模型作为多相流模型。建立了数学模型之后，本工作分别从重介质旋流器分离性能，操作压头、分流比、介质密度差、分离曲线与数学模型所得数据进行验证对比，计算结果与实验结果较为吻合。然后系统研究了内部几何参数，包括底流口直径、筒体长度、锥体长度、入口大小、溢流口直径、溢流管长度和厚度，对重介质旋流器性能的影响，利用CFD数学模型来量化不同几何尺寸的重介质旋流器内流体和颗粒的运动。研究结果归纳如下：1.随着底流口直径的增加，操作压头和分流比急剧下降。密度差前期阶段快速下降，达到一个最小值后，缓慢上升。偏移量和Ep随着底流口直径的增加而增长。2.随着筒体长度的增加，操作压头下降，分流比和密度差大致保持不变。对于较粗颗粒，偏移量随着筒体长度的增加而增加，然而对于较细的颗粒，偏移量反而减小。3.随着锥体长度的增加，操作压头和分流比略微下降，介质的密度差上升。对于所有粒径的颗粒，偏移量和Ep减小随着锥体长度的上升。4.入口大小对重介质旋流器性能的影响起了显著的作用。随着入口大小的增加，操作压头、介质的密度差和分离比急剧下降。5.随着溢流口直径的增加，操作压头和分流比急剧下降。密度差和分流比快速上升。偏移量随着溢流口直径的增加而增长，同时Ep减小。6.随着溢流管长度的增加，操作压头，分流比和密度差都呈现前期上升，达到一个最大值后，缓慢下降的趋势。对于较重较细的煤粉颗粒，减小溢流管长度，可以明显增加分离效率。对于其他颗粒，溢流管长度对分离效率的影响不明显。7.溢流管的厚度，对于所有性能参数的影响均不明显。本研究将对下一步重介质旋流选煤的优化设计、参数调控提供理论依据。