基于动量传递的轴向速度缓变区分离作用及其调控研究

When the liquid-solid two-phase flow is fed into the hydrocyclone under a certain pressure, the mixed solid particles exhibit distinct motion behaviors due to different forces. At the junctions of the internal and external swirl flow, the particles undergo a certain relaxation process and then are discharged with overflow or underflow to achieve separation. Axial velocity wave zone is a special form of internal and external swirl interface in the main separation zone. Its spatial distribution and the momentum transfer between the internal liquid and solid phases affect the relaxation process as well as the separation performance of hydrocyclone. Based on the principle of liquid-solid two-phase momentum transfer and the validation of LDA, PIV and high-speed camera test and the actual cyclone separation results, the CFD method and CFD-DEM coupled method are used to investigate the characteristics of the AVWZ and the internal particle movement. The systematic study reveals the relaxation laws of different particles in the AVWZ, and the influence laws of different flow field characteristics and different particle properties on the liquid-solid two-phase momentum transfer and separation performance. The correlation model and regulation mechanism between the AVWZ characteristics and the separation performance could be established to provide the scientific basis for the production control of the hydrocyclone and the development of the new cyclone.

液-固两相流在一定压力作用下给入水力旋流器后，混杂的固相颗粒由于受力差异而呈现出不同的运动行为，在内外旋流间经过一定的弛豫过程，分别随溢流和沉砂排出，从而实现分离。轴向速度缓变区是内外旋流分界面在主分离区中的特殊存在形式，其空间分布和内部液-固两相间的动量传递影响着弛豫过程的进行，进而影响水力旋流器的分离性能。本研究基于液-固两相动量传递原理，在LDA、PIV和高速摄像机测试结果以及实际旋流分离结果的基础上，借助CFD方法和CFD-DEM耦合计算方法对轴向速度缓变区特性和颗粒在其中的运动特性进行系统研究，揭示轴向速度缓变区内不同性质颗粒的弛豫规律以及不同流场特性、不同颗粒性质对液-固两相动量传递及分离性能的影响规律，建立轴向速度缓变区特性与分离性能的相关性模型和调控机制，为水力旋流器生产调控和新型旋流器的开发提供科学依据。

水力旋流器的分离性能与其内部多相流体运动行为密切相关。轴向速度缓变区（AVWZ）是内外旋流分界面在分离空间的特殊存在形式，该区域内液相和固相之间的动量传递影响颗粒的弛豫过程，进而影响水力旋流器的分离性能。本研究基于液-固两相动量传递原理，结合物理测试和数值模拟方法对AVWZ的空间分布、流场特性及其内部颗粒运动特性进行系统研究，旨在进一步揭示水力旋流器的分离机制。针对水力旋流器内部多相流运动特性，系统考查了LES和RSM湍流模型以及VOF、ASM、TFM多相流模型的适用性，并通过物理试验数据优化并验证了数值试验模型。基于流场的物理测试结果，采用数值试验方法系统研究了AVWZ内部平均流场特性和瞬时流场特性，并提出了AVWZ空间分布的界定方法。在固定工艺参数条件下，系统考查了不同性质颗粒在AVWZ中的动态受力、运动行为和空间分布规律，揭示了水力旋流器分离精度受限的根本原因。在固定粒度组成条件下，系统考查了操作参数和结构参数对AVWZ内部流场特性和颗粒分布特性以及最终分离结果的影响，确立了操作参数、AVWZ特性和分离性能之间的影响机制和调控机制。基于AVWZ特性与分离性能的联系，分别对水力旋流器进料体结构、锥体结构和溢流管结构进行了优化设计，为水力旋流器分离性能的提高提供有效途径。最后，针对特定给料和分离目的，以AVWZ特性为基础，精确调控了水力旋流器的工艺参数，并通过工业试验证明了数值试验方法用于解决生产实际问题的可行性。