溢流管偏移对水力旋流器分离性能的影响

《Powder Technology》：Effect of vortex finder deviation on the separation performance of hydrocyclone

　　当旋流器溢流管偏离进料蜗壳时，总压降降低。当发生径向偏离时，底流中细颗粒的回收率增加。随着旋流器溢流管偏离的增加，分离精度降低。X轴正方向偏离的影响大于X轴负方向偏离的影响。引言水力旋流器依靠离心力场有效地分离具有密度差异或粒径差异的多相流。水力旋流器已被广泛应用于石油、化工、矿产和污水处理等多个领域[1, 2, 3]。对水力旋流器内流体运动形式和分离原理的分析表明，溢流管外壁沿程的短路流和循环流通常是不可避免的[4, 5, 6]。本应进入外涡流并从底流排出的粗颗粒反而进入溢流，从而降低了水力旋流器的分离精度[7, 8, 9]。为了改善水力旋流器的分离性能，许多学者研究了结构创新和操作参数优化方法[10, 11, 12]。Tan等[13]研究了溢流管外径与筒体直径之比对水力旋流器分离性能和流动特性的影响，发现微调溢流管壁厚度可以稳定流场，降低能耗，提高分离效率。Chen等[14]提出了一种溢流管的二次分离结构，该结构能够显著增强窄分级分离能力，并最大限度地减少水力旋流器溢流中粗颗粒的不匹配现象。Ye等[15]提出了一种基于锥段截面形状的弧形进料口，可以增强水力旋流器的预分级效果。Kumar[16]报道了一种逐渐扩大的溢流管可以降低湍流强度、切向速度和压降，从而降低水力旋流器的能耗。Li[17]设计了一种弧形溢流管以解决溢流中粗颗粒夹带的问题。通过扩大溢流管底部的入口，短路流被引导回外涡流参与分离，25 μm颗粒的分级效率提高了5.41%。Hwang等[18]和Vakamalla等[19]提出了一种锥形溢流管，其功能与弧形溢流管相似。将溢流管的外壁改为张开的锥形，提高了水力旋流器的分级效率，并减少了溢流中粗颗粒的含量。上述研究表明，进料体和溢流管显著影响水力旋流器的分离性能，许多研究者致力于提高水力旋流器的分离性能[20, 21, 22]。然而，在实际工程应用中，经水力旋流器处理的物料通常含有一定量的固体。特别是在磨矿和分级领域，进料中的固体浓度可超过40%。在高含固量的高速流体作用下，水力旋流器的溢流管容易磨损[23, 24, 25]。为降低经济成本，当水力旋流器的溢流管磨损时，通常只更换溢流管而不更换整个水力旋流器。由于生产现场条件的限制，新溢流管在进料体上的安装精度往往难以保证，偏差不可避免。Cocco等[26]发现溢流管的偏移布置会破坏流场的均匀性，而将溢流管轴心定位在水力旋流器中心可以显著提高细颗粒的收集效率，同时保持压降。Liu等[27]发现圆柱段和锥段之间的转折点会加剧分离能耗和结构磨损，并提出了一种曲线过渡锥形旋流器，实现了更好的流场稳定性和更高的分离性能。基于溢流管和进料体在水力旋流器中的重要作用，有必要研究它们的相对偏差对水力旋流器分离性能的影响。数值模拟、流场测试和性能测试已被广泛用于研究水力旋流器的内部流场和分离性能[28, 29, 30]。选择合理的湍流模型和多相流模型进行水力旋流器的计算流体动力学（CFD）数值模拟，是近年来研究人员最广泛采用和认可的方法[31, 32]。Hou等[33]使用雷诺应力模型（RSM）和两流体模型（TFM）模拟了整柱水力旋流器，确定了溢流管结构对抑制短路流和循环流的影响。Li等[34]通过RSM + VOF模型研究了具有曲线进料体的水力旋流器内部流场，并应用RSM + Mixture模型确定颗粒相的分离性能，该结果经过实验验证。E等[35]通过CFD数值模拟方法编制了水力旋流器分离性能数据集，并基于数据集优化的联合卷积神经网络（CNN）-长短期记忆（LSTM）模型预测了水力旋流器内部的流场。Dulyapat[36]进行了CFD数值模拟，研究了水力旋流器对聚苯乙烯（PS）和聚酯（PET）微塑料的分离性能，并探讨了进料速率、溢流管直径和锥底直径等各种参数对微塑料回收的影响规律。Mei[37]使用RSM和DPM模型研究了具有空间螺旋进料的旋流器，报道了CFD模拟结果与实验数据吻合良好，优化后的进料结构显著提高了流场均匀度，降低了湍流强度，改善了分离性能。因此，本研究采用数值模拟方法，全面调查溢流管轴相对于进料体的径向偏差对内部流场和分离性能的影响，从而为水力旋流器的工业应用提供有价值的指导。章节摘要几何结构为研究溢流管轴相对于进料体的径向偏差对水力旋流器流场和分离性能的影响，建立了Φ75 mm水力旋流器模型，如图1所示。详细的结构参数见表1。在常规水力旋流器的数值模拟研究中，除了专门针对进料体结构优化的研究外，大多数学者采用切向进料结构来简化模型，流型为分析溢流管径向偏差对流场分布的影响，选取了四个特征位置，即锥段下方（Z = 75 mm）、锥段中部（Z = 125 mm）、锥段上方（Z = 175 mm）以及圆柱段（Z = 220 mm）。结论水力旋流器的内部流场具有高度对称性，这是高效分离的基本前提。作为内部涡流的出口，溢流管的偏离将显著影响内部涡流的上行运动，进而影响进入溢流的颗粒分离过程。随着溢流管偏离的增加，内部涡流的流场逐渐变得扭曲。CRediT作者贡献声明刘沛坤：写作 – 审阅与编辑，方法论，资金获取，概念设计。陈博：写作 – 原稿撰写，软件，数据整理。姜蓝月：监督，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。刘培远：监督，软件，调查研究。张越康：监督，形式化分析。张玉龙：监督，资金获取。利益冲突声明作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。致谢本研究得到了中国煤炭重大专项（2026ZD1701800）和中国山东省自然科学基金（ZR2023QE121）的支持。刘沛坤 | 陈博 | 姜蓝月 | 刘培远 | 张越康 | 张玉龙