微型水力旋流器涡流探测器长度的优化及其分离性能影响机制

本研究针对微型水力旋流器（mini-hydrocyclone）在化工领域中因涡流探测器（vortex finder）长度未明确优化而影响分离性能的问题，通过实验与数值模拟相结合的方法，揭示了涡流探测器长度与入口高度比（ho/b）对压降、总分离效率及分级效率的影响规律，发现最优比值为1。研究首次阐明了涡流探测器长度通过调控零垂直速度轨迹（LZVV）和次级涡流（secondary vortex）扩展的机制，为工业应用中微型水力旋流器的性能提升提供了理论依据。

　　

微型水力旋流器作为一种高效分离设备，在化工、环保等领域发挥着重要作用，但其分离精度受限于湍流扩散和低径向迁移速度，实际工程中最小分离精度仅3?μm。涡流探测器作为核心部件，其长度直接影响短流抑制和分离时间，但现有研究对其优化机制存在争议，且未形成统一规律。例如，Martinez等提出最优长度为旋流器总长的10%，而He等认为与名义直径（D）的比值应为1。这种分歧源于以往研究未充分考虑涡流探测器长度与流体流动的直接关联，尤其是其对预分离区（pre-separation zone）和主分离区（main separation zone）的差异化影响。

为解决这一问题，中国的研究团队通过实验与计算流体动力学（CFD）模拟，系统研究了涡流探测器长度与入口高度比（h_o/b）对分离性能的影响。研究发现，当h_o/b=1时，总分离效率最高，压降最小。数值模拟进一步揭示，h_o/b<1时，流体在圆柱段（cylindrical section）受不对称扰动（asymmetric perturbation）导致颗粒径向迁移至内涡流；而h_o/b>1时，零垂直速度轨迹（Locus of Zero Vertical Velocity, LZVV）向底流口扩展，干扰颗粒富集区（particle enriching zone）。这些发现发表于《Powder Technology》，为微型水力旋流器的工业设计提供了明确指导。

研究采用激光粒度仪（BT9300ST）分析石英砂颗粒分布，结合粒子图像测速技术（PIV）和差分进化算法（DE）优化参数。实验选用两种石英砂（Sand-A/Sand-B）验证不同尺寸旋流器（Hydrocyclone-A/B）的性能，CFD模拟则通过雷诺应力模型（RSM）解析流场结构。

研究结果

1. h_o/b对总分离效率的影响：总效率随入口流量增加而提升，h_o/b=1时达到峰值。效率先增后降的趋势与Martinez等观察一致，但本研究首次关联了LZVV动态扩展与效率变化的机制。
2. 流场结构分析：短涡流探测器（h_o/b<1）引发入口流体直接扰动，而长探测器（h_o/b>1）导致次级涡流扩张至圆锥段（conical section），降低主分离区切向速度。
3. 颗粒迁移行为：h_o/b=1时，预分离区颗粒径向迁移最优，短流（short circuit flow）最少。

结论与意义
研究明确了h_o/b=1为涡流探测器最优比例，揭示了其通过调控LZVV和次级涡流影响分离效率的双重机制。该成果不仅解决了工业设计中参数优化的难题，还为微型水力旋流器在微塑料分离（microplastic separation）、重金属土壤修复等领域的应用提供了理论支撑。作者Tao Li和Bi Su等强调，未来研究可结合智能算法进一步优化几何参数，以突破3?μm的分离极限。