水力旋流器內部流場及分選過程的研究進展

魏德洲 張彩娥 高淑玲 崔寶玉 劉文剛 沈巖柏 韓 聰

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

水力旋流器內部流場及分選過程的研究進展

魏德洲 張彩娥 高淑玲 崔寶玉 劉文剛 沈巖柏 韓 聰

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

論述了水力旋流器內部流場特性研究的發展歷程及研究現狀。詳細介紹了數值試驗方法在旋流器模型建立、內部流場特性描述、顆粒在其流場中的分離過程以及旋流器結構參數優化設計等方面的應用。在此基礎上，提出了今后的研究方向與重點，即對于軸向零速包絡面(LZVV)及空氣柱的特性仍需進一步研究；在高濃度礦漿中，顆粒形狀及顆粒與顆粒、顆粒與流體、顆粒與器壁之間相互作用對分離效率的影響仍是下一個時期的研究重點。

水力旋流器 流場 數值試驗 分選

水力旋流器是利用離心力場加速固體顆粒沉降和強化分離過程的有效設備，其結構簡單、維護費用低、處理量大，廣泛應用于造紙、石油、選礦、制藥、環保等行業[1-3]。在礦物加工領域，水力旋流器幾乎存在于每一個選礦廠中，廣泛用于分級、分選、濃縮、脫泥等作業。

固體物料旋流分離過程的實質是在復合力場中，在顆粒密度和粒度的共同影響下，不同性質顆粒的運動行為出現差異，從而實現分離。對于任一給定粒群的旋流分離作業，水力旋流器內部流場的特性對分離結果起決定性作用。盡管水力旋流器結構及操作簡單，但其內部流場非常復雜，自問世以來，一直是相關研究的重要課題之一。

自20世紀50年代開始，水力旋流器內部流場的研究就已成為一個熱點。早期學者在實驗研究的基礎上提出了很多經驗模型，用于水力旋流器的評價和設計。盡管經驗模型應用比較簡便，但受到推導公式時的實驗條件及采用的水力旋流器型號限制，不能對水力旋流器內部的流場特性進行定量描述。隨著實驗測試技術的發展，實驗測試法逐漸成為研究水力旋流器內部流場的重要手段。但在實踐中，實驗測試法受到模型尺寸、流場擾動及測量精度的限制，對于某些流場難以獲得詳細數據，此外，還受到經費投入的影響，目前多用于對數值試驗方法的驗證和修正。近年來，隨著數值試驗方法在水力旋流器內部流場研究中的應用，人們對水力旋流器內部流場特性有了更深刻的認識。通過模擬水力旋流器參數變化對流場特性及分離效果的影響，為高性能水力旋流器的設計提供了理論依據。

1 水力旋流器內部流場的研究方法及其特性

1.1 水力旋流器內部流場的研究方法

20世紀50年代以前，由于理論分析和計算上的困難以及測試手段的限制，人們把旋流器視為“黑箱”，基本不考慮其內部流場的流動狀態，僅通過改變結構參數及操作參數等外部條件來研究對應的分離效果。隨著流體力學和數學理論的不斷發展，人們逐漸意識到內部流場狀態才是決定水力旋流器分離效果的關鍵[4]。目前主要采用數學解析法、實驗測試法及數值試驗法來研究水力旋流器的內部流場特性。

數學解析法是早期水力旋流器內部流場研究的主要方法。數學解析法是利用納維爾(Navier)-斯托克斯(Stokes)方程及流體力學的相關方程求解水力旋流器內部單一流體介質的運動狀態。在應用這些方程時，因不同學者做了不同假設以簡化方程的形式，使得求得結果的可靠性和認知度較差，此外，對湍流的產生機理還不是很清晰。這些都嚴重制約了采用數值解析法研究水力旋流器內部流場的深入開展。

實驗測試是理論模型建立的依據，同時可以用來驗證和修正數值試驗方法。通過實驗測試，可以獲得水力旋流器內部流場及顆粒分離行為的詳細信息，并建立水力旋流器分離過程的物理模型。目前用于描述水力旋流器分離過程的理論模型主要有平衡軌道理論、停留時間理論、底流擁擠理論、兩相湍流理論、溢流分離理論、內旋流分離模型、錐段分離模型、非線性隨機理論等[5]。這些模型都是在特定條件或某些假設條件下針對特定結構的水力旋流器建立的，雖便于應用，但不具有普遍性。目前常用的實驗測試技術有：用于流場測試的激光多普勒測速儀(LDV)、粒子成像測速儀(PIV)、粒子動態分析儀(PDA)、正電子發射粒子跟蹤(PEPT)及用于高濃度礦漿測試的超聲斷層成像(UT)、電阻抗斷層成像技術(EIT)、高速動態分析儀(HSMA)、皮托管技術、多孔壓力探針等[6-7]。實驗測試方法由于實施困難、費用較高，目前多用于實驗室研究。

近年來，基于計算流體力學(CFD)的數值試驗方法被廣泛應用于水力旋流器內部流場的研究和顆粒分離行為的描述。數值試驗方法具有不需物理樣機、不需輔助設備、模擬結果清晰、參數信息全面等諸多優點。因在正常工況條件下，水力旋流器內部是固、液、氣三相共存的強湍流運動，使得旋流器的數值試驗方法測試結果與實際數值仍存在較大差距。但隨著計算流體力學理論和高速計算機技術的發展，數值試驗方法將成為研究水力旋流器內部流場及顆粒分離行為的主要方法。

1.2 水力旋流器的流場特性

1.2.1 流體運動的基本形式

研究水力旋流器內部流體運動基本形式對提高水力旋流器的分離精度及分離效率非常重要。水力旋流器內部流體運動的基本形式可分為外旋流和內旋流、短路流和循環流等。

1.2.1.1 外旋流和內旋流

外旋流和內旋流是水力旋流器中流體運動的基本形式。它們的旋轉方向相同，但其運動方向相反。軸向零速包絡面(LZVV)為外旋流和內旋流的分界線，同時也是循環流的中心線[8]。研究表明，LZVV對分離精確度有著重要影響，同時LZVV的位置受底流口直徑及錐角大小的影響。

1.2.1.2 短路流和循環流

短路流是由于器壁的摩擦阻力而形成的，分為蓋下短路流及側壁短路流。循環流是由于溢流管的直徑過小造成的。1959年，Brdley和Pulling用流動顯形法證明了水力旋流器內部短路流及循環流的存在，一般短路流量占到進料流量的10%～20%[9]。

短路流的存在使分離精度降低，能耗增加。為了降低短路流的不利影響，王志斌等[10]從優化水力旋流器結構、調整給料方式及降低入口器壁摩擦阻力等方面進行了相關研究，結果表明，適當的給料濃度及合理的給料位置能抑制短路流；另外，鄧麗君等[11]對水力旋流器溢流管結構進行了優化，研發出了下端增設套環的溢流管、外部增設環隙的溢流管、錐齒形溢流管、帶環路旁流的溢流管、弧形溢流管、螺旋溢流管、厚壁溢流管等，在一定程度上降低了短路流問題。目前，對于循環流的認識尚不統一，褚良銀等認為循環流的存在使內旋流中的粗顆粒有機會進行再次分選，從而提高了分離精度；龐學詩等則認為消除循環流有利于降低能耗并加速分離過程[12]。

1.2.1.3 空氣柱

空氣柱是開放式水力旋流器中一種獨特的現象，流體充滿整個水力旋流器空間是形成空氣柱的必要條件之一。1987年人們才認識到空氣柱的作用，目前關于空氣柱的研究主要集中在空氣柱的尺寸及形狀、空氣柱的形成機理及空氣柱的內部流場[13]。Binnie于1957年首先提出了空氣柱直徑的計算方法：

(1)

式中,Ra為空氣柱直徑；Vθu為半徑r=Ru處流場的切向速度；H為總揚程；Ru為底流口直徑。

考慮到流體黏度的影響，Davidson于1994年對方程進行了修正[14]：

(2)

式中，vs、vw分別為待測懸浮液及水的動力黏度。研究表明，空氣柱直徑與旋流器的錐角、底流口直徑、溢流口直徑以及給料壓強、介質黏度、流場隨機波動等因素有關。同時，空氣柱的直徑是預測底流排料形式及底流分流比的關鍵。Cullivan和崔寶玉分別研究了空氣柱的形成和發展機理，得出了傳遞驅動和壓力驅動2種不同的空氣柱形成機理[15-16]。

目前褚良銀等大部分學者認為空氣柱的存在對水力旋流器分離效果提高沒有好處，只是消耗能量，且空氣柱周圍的強湍流使分離結果不穩定，因此開展了取消或限制空氣柱的研究。

1.2.2 速度分布

組合螺旋渦運動是水力旋流器分離過程中流體運動的基本類型。流體在運動過程中形成旋渦的內在原因是黏性和壓差。因此，速度分布是水力旋流器流場特性研究的重點。

在水力旋流器內，流體呈三維流動。1963年，D.F.Kelsall通過測定透明水力旋流器中鋁粉的運動速度，得出了三維速度分布模型，觀察到了最大切向速度軌跡面及零軸速包絡面，發現切向速度分布遵從組合渦運動規律，得到的切向速度(vθ)表達式為[9]：

在自由渦區域

(3)

在強制渦區域

(4)

式中，r為待測點處的旋轉半徑；n為指數，一般0.4

隨著激光多普勒測速儀的出現，1988年Hsieh&Rajamani對水力旋流器內切向速度和軸向速度的分布做了更精準的測量。由于湍流脈動速度的數量級與徑向速度的相同，很難用實驗測量，而是采用連續性方程進行計算。研究表明，在給料區域軸向速度呈現不對稱性，而在溢流管以下，則逐漸呈現對稱性。1989年Quian也測試了傳統水力旋流器內的速度分布和空氣柱直徑[9]，證實了Kesall所提出切向速度表達式的正確性，并給出了n值及k值，獲得的徑向速度分布與Hsieh和Rajamani推得的結果相同，并給出了軸向速度(vz)的表達式：

(5)

式中,vz為軸向速度；a,b為常數，與被測點的軸向位置及旋流器的操作、結構條件有關；r為旋流器中運動流體的旋轉半徑。

考察旋流器內部流場的速度分布，對于優化水力旋流器參數配置，提高分級效率具有重要意義。近年來，一些研究者對旋流器內的三維速度場進行了系統分析及測定，如梁政確定了水力旋流器內部流場速度分布與其自身幾何結構參數之間的定量函數關系[4]。

1.2.3 壓強分布

水力旋流器內的壓強分布包括壓強沿徑向的分布與沿軸向的分布。由于在旋流器內，重力的影響可忽略不計，因此研究重點在于壓強沿徑向的分布規律。分析旋流器內部流場的徑向壓強分布，有助于分析旋流器內部的能量損失問題[12]。

從描述水力旋流器內部流體運動的N-S方程，可得徑向壓強梯度的表達式。由于表達式過于復雜，對于不可壓縮流體，當不計黏性力且忽略徑向流動時，壓強梯度表達式可簡化為[11]

(6)

式中，r為待測點處的旋轉半徑；p為待測點處的壓強；ρ為水的密度；uθ為待測點處的切向速度。

將式(6)積分得到旋流器中自由渦范圍內任意半徑r處的壓強分布：

(7)

式中，pR為r=R(筒體壁)時的壓強；n為指數，一般0.4

由式(7)可得，隨流動半徑的減小，壓強降低，當r減小到某值時，p值為零，當r繼續減小時，r處的壓強就變為負值，即旋流器軸心為低壓區，并通過試驗得到了驗證。

當忽略黏性力的影響，但考慮徑向速度的影響時，壓強梯度表達式可簡化為

(8)

式中，ur為待測點處的徑向速度。

將式(8)積分得到某一軸向位置截面上壓強隨半徑的變化關系式：

(9)

式中，C、m、k為常數，與工況及旋流器內軸向位置有關；p1為積分常數，如果所選任一點壓強已知，則p1已知。如：當r=r0時，p=p0,則

(10)

式(7)、式(9)為計算壓強分布的通式，根據需要選擇合適的表達式進行計算。比較式(7)、式(9)可得，徑向速度的考慮使壓強梯度增大?？疾煨髌鲀鹊膹较驂簭姺植加兄诜治鏊π髌鲀炔磕芰繐p失大小及能量損失在旋流器內不同區域的分配問題[4]。

2 數值試驗方法在水力旋流器研究中的應用

隨著計算機技術和數值算法的迅速發展，數值試驗方法在水力旋流器的研究中發揮著越來越重要的作用。

2.1 水力旋流器數學模型的建立

數值試驗方法可以對水力旋流器內部流場實現全景式定量顯示，其中最關鍵的步驟是合理湍流模型的選擇及網格劃分。

2.1.1 湍流模型的選擇

水力旋流器內部是一個充分發育的湍流場，湍流計算是水力旋流器內部流場模擬的基礎。水力旋流器計算的湍流模型有直接數值試驗方法(DNS)、雷諾平均模擬(RANS) 、大渦模擬(LES)等。

DNS方法雖然可以模擬流場中各種尺度的脈動，但由于計算量太大且耗時很長，僅限于模擬流體在低雷諾數時的流動，朱國鋒曾采用DNS方法對微型水力旋流器內部流場及顆粒的分離行為進行了考察[17]。

RANS方法包括渦黏模型(標準k-ε模型、RNGk-ε模型等)和雷諾應力模型(RSM)。其中，k-ε模型假定湍流各向同性，不適合對水力旋流器內部流場的模擬；RNGk-ε模型在對空氣柱的模擬方面誤差較大；RSM模型具有較高精度，能模擬各向異性的湍流，捕捉到湍流的脈動，在一定程度上解決了使用k-ε模型時的問題。Swain的研究表明，在給料速度比較低的情況下，k-ε模型和RSM模型預測結果相近，兩者之間的差異主要體現在對靠近器壁區域流場速度分布的預測方面[18]。

與RSM模型相比，LES模型對速度分布及分離效率能給出更好的預測，但計算量較大。LES模型能模擬湍流流場中的大尺度脈動及小尺度脈動，成為目前研究水力旋流器內部流場非常有用的工具，但由于湍流邊界有很多小尺度渦，因而計算量仍較大，無法在工程中廣泛使用[19]。

ASM模型是一種簡化的RSM模型，計算量較小，但精度較低。而DSM模型較RSM模型對壓力-應力項的處理具有更高階的精度，同時計算量不是很大[20]。此外，結合LES和RANS建立的分離渦模擬方法(DES)，既提高了計算精度，又降低了計算機資源和計算時間[21]。

2.1.2 多相流模型的選擇

水力旋流器在正常的工況條件下，是典型的氣、液、固三相流體系統，對于這樣的多相流描述方法主要有宏觀水平的連續方法和微觀水平的離散元法(DEM)。前者實際上就是多相流體模型(TFM/MFM)，主要包括VOF、Mixture及Euler模型；而后者則主要包括DPM和DDPM。此外，還有直接模擬法(DNS)及基于分子動力學的格子Boltzmann方法(LBM)。其中，DNS又分為任意拉格朗日歐拉法(ALE)和分布式拉格朗日法(DLM)。

VOF多用于氣液界面的描述，如Delgadillo采用VOF算法計算了空氣柱的位置[22]；Mixture模型是一種簡化的多相流模型，適合描述低濃度礦漿系統，也有學者用于描述空氣柱；Euler模型適用于高濃度礦漿的模擬，如Swain采用Eulerian-Eulerian多相流模型對水封型固液分離水力旋流器內流場進行了模擬[18]。

DEM雖然對顆粒的運動情況及顆粒與流場之間的相互作用進行了描述，但由于計算量太大而未考慮顆粒自旋轉的影響，還不能用來對實際生產中的水力旋流器進行模擬計算。其中的DPM模型適宜粒徑分布范圍較寬、系統體積分數較小的分散體系；DDPM模型適合于分散相體積分數較高的系統，但不適合較小粒徑的顆粒體系的計算。目前常用拉格朗日顆粒隨機追蹤模型(LPT)追蹤顆粒的運動，它是一種簡化的DEM模型，適合描述低濃度給料時的工況[23]。

由于目前的研究主要集中在低濃度礦漿，且大部分模擬工作對入口區域的幾何模型進行了簡化，因而需要更高精度、適宜更高濃度礦漿的模型及更精確的實驗驗證手段來描述水力旋流器內部復雜的物理現象。此外，由于細?！棒~鉤”效應的影響還沒有系統的解釋，因此需要一個附加的理論來描述“魚鉤”效應[24]。

2.1.3 網格劃分

網格的尺寸和形狀對模擬的成功與否至關重要。郭廣東考察了3種不同網格(結構網格、非結構網格、混合網格)對油-水分離旋流器數值試驗方法的影響[25]。結果表明，結構網格的精度較高，但對復雜結構的旋流器網格劃分比較困難；非結構網格可以針對復雜結構生成網格，但非結構網格的數量大，需要的運算量也比較大；混合網格整合了結構網格和非結構網格的優點，并克服了他們的缺點，但兩種網格交接處需要特殊處理。此外，為了減少數值計算中偽擴散的影響，最好將網格沿流體流動方向排列。

2.2 數值試驗方法在水力旋流器研究中的應用

2.2.1 在研究內部流場特征中的應用

為考察流場變化對水力旋流器分離效果的影響，多年來許多學者基于CFD技術研究了旋流器內部流場的運動情況。

1991年，Hsieh和Rajamani通過求解湍流擴散方程，采用改進的Prandtl混合長度模型，對水力旋流器內不可壓縮流體的恒定流動進行了二維模擬[22]。由于二維模擬只能近似描述水力旋流器的流場特性，同時對分離效率的預測條件不夠充分，因此，許多學者開展了水力旋流器內部流場的三維模擬研究。

許研霞、Murthy及高淑玲等系統研究了改變水力旋流器結構參數及操作參數對內部流場特性的影響[26-28]，發現增大給料管直徑會降低切向速度，使最大切向速度位置沿徑向逐漸向中心移動；隨著溢流管直徑增大，LZVV外移，壓強降低，最大切向速度降低，圓柱段內旋流的軸向速度增加，分流比減小，空氣柱直徑增大，穩定性增強；柱段長度增加，壓力降減??；底流管直徑增大，流速降低，LZVV向上收縮，錐角較小時，這種影響也較??；錐角增大，LZVV向上收縮。因此可見，旋流器結構參數和工藝操作參數的優化匹配是獲得穩定流場的關鍵。

基于CFD技術，Delgadillo研究了單一水相時的速度分布特性，捕捉到了短路流及循環流等流場特性[29]；岑卓倫考察了入料速度及溢流管直徑對水力旋流器內旋流的影響。結果表明，過大的入料速度或太小的溢流管直徑均會導致水力旋流器頂部出現返混現象，從而影響分流比及分離效率[30]；劉曉明模擬了水力旋流器內部牛頓流體及非牛頓流體的流場分布，發現2種流體的流場分布規律大致相同，但在相同位置處，非牛頓流體的切向速度較低，從而導致非牛頓流體較難分離[31]。

水力旋流器內空氣柱的模擬主要集中在空氣柱的形成和發展過程以及空氣柱的直徑等方面。崔寶玉及Eldin等對空氣柱的形成和發展過程進行的模擬結果表明[15,32]，空氣柱呈絞繩狀，結構不穩定，并伴有強烈的振動及旋轉，空氣從底流口吸入，從溢流口排出，在溢流管中心處存在空氣回流。許妍霞的研究結果表明[26]，液體充滿整個空間是空氣柱形成的必要條件，且空氣柱內流體呈非恒定流動。Rakesh[13]采用數值模擬的方法考察了空氣柱的直徑大小及影響因素，并結合ERT技術對模擬結果進行了驗證，結果表明，空氣柱直徑與底流口直徑及給料壓強有關，隨著底流口直徑的增加，空氣柱直徑增大；隨著給料壓強的增加，空氣柱直徑先增大后減小。Sripriya研究了水力旋流器內部有空氣柱和有內嵌金屬棒時的流場差異，發現內嵌金屬棒有助于提高旋流器的分離效率[33]。

2.2.2 在顆粒分離機理研究中的應用

為了提高水力旋流器的分離效率，研究人員采用數值試驗方法，考察了水力旋流器的物性參數、操作參數及結構參數對分離效率的影響，為進一步研究分離機理、優化結構提供了理論指導。

針對顆粒的密度、粒度對水力旋流器分離效率的影響，Chu的研究結果表明，在重介質旋流器中，隨著顆粒密度的增加，切向速度降低，導致壓強降低，分級效率下降[34]；蔡圃通過研究固體顆粒在不同方向上的受力情況發現，不同粒度的顆粒，所受的壓強梯度力及離心慣性力基本不變，但隨著顆粒粒度的減小，顆粒所受的流體阻力呈指數增長且隨機性增加[35]。

關于給料濃度、礦漿黏度、給料壓強、給料流量等對旋流器分離效果的影響，Kuang的研究結果表明，隨著給料濃度的增加，分離粒度增大，分離效率降低，底流分流比先增加后降低，壓降先降低后增加[36]；Minkov的研究結果也表明，給料濃度影響“魚鉤”效應的數量級[37]；Bhaskar通過系統的模擬研究發現，隨給料濃度增加，礦漿黏度增大，導致切向速度減小，壓降降低，空氣柱直徑減小，分離粒度增大[38]；Kraipech的研究結果表明，隨著給料壓強的增大，分離粒度減小，“魚鉤”效應的影響增強，而給料流量的增加則會導致壓降增大[39]。

與此同時，Cilliers的研究結果表明，隨著礦漿溫度升高，分離粒度減小[40]；而許研霞的研究結果表明，隨著環境壓強的降低，旋流器消耗的能量增加，細粒級的分離效率下降[41]。此外，Narasimha利用CFD技術模擬了φ75 mm水力旋流器內顆粒的粒度分布，并依據模擬結果對旋流器的分離粒度進行了較為準確的預測[42]。

針對給料方向、給料管尺寸、溢流管和底流口直徑以及圓柱段、圓錐段尺寸等旋流器結構參數對分離效果的影響，Zhang對阿基米德螺旋入料和切向入料的水力旋流器進行了數值試驗研究[43]，結果表明，采用阿基米德螺旋入料時，水力旋流器內的壓力場分布均勻，流場穩定，短路流量減少，分離效率提高；而Romanus和Hwang的研究結果則表明，增加入料口個數及減小入料口尺寸都能獲得更小的分離粒度及更高的分離效率，同時安裝圓錐形頂板能明顯提高細粒級的分離效率[44-45]。

由于溢流管的結構對短路流、循環流的存在及水力旋流器的能量消耗均有影響，因此，Ghodrat及楊強考察了溢流管直徑、形狀及插入深度對水力旋流器分離效率的影響，研究發現，與圓柱形及圓錐形溢流管相比，反錐形溢流管的分離效率最佳；隨著溢流管直徑增大，分離作用逐漸減弱；此外，溢流管長度對分離效率的影響較小，在不同給料濃度時呈現出不同的趨勢[46-47]；郭雪巖在流場模擬的基礎上，通過增加溢流管壁厚、增大溢流管的插入深度、適當增加圓柱部分筒體的高度，提高了內部流場的穩定性及固液分離的分離效率[48]。

Noroozi考察了4種不同入料腔結構(指數型、圓錐形、二次方型及標準型)對脫油用水力旋流器分離效率的影響，發現指數型入料腔具有較高的切向速度、較低的能量消耗，并且能消除循環流的不利影響，從而獲得較高的分離效率[49]。M.Ghodrat在給料濃度為4%～30%的范圍內，考察了圓柱段直徑和底流口直徑對旋流器內部流場特性及分離效率的影響，發現小直徑旋流器具有相對較小的壓降及較高的分離效率，而且當給料濃度比較高時，呈現為繩狀排料；過大或過小的底流口直徑均會導致分離效率降低，最佳底流口直徑與給料濃度密切相關；給料濃度越低流場越穩定[50]。

Ghodrat在給料固體體積分數為4%～30%的范圍內，模擬研究了圓錐段的長度及形狀對分離效率的影響，發現在不同的給料濃度下，隨著錐段長度增加，壓降及分離粒度均降低；與凹形錐相比，凸型錐的壓降更小[51]。王立陽的模擬研究結果則表明，液固分離主要發生在圓錐段，在一定程度上增加圓錐段高度能提高分級效率[52]。崔瑞通過模擬研究發現，與長錐旋流器相比，上部采用大錐角、下部采用小錐角的變錐角水力旋流器具有更高的最大切向速度和更穩定的軸向及徑向流速分布，分離粒度也會相應下降[53]。此外，董連平就旋流器圓錐段結構對分離效果的影響，開展了較為系統的研究，結果表明，與傳統的選煤用旋流器相比，具有復雜圓錐結構(兩段負錐中間結合一段正錐)的旋流器(CCS)對粗粒煤泥具有更高的分離效率[54]，這再次證明，旋流器的錐角對分選效果具有重要影響。

2.2.3 在水力旋流器結構優化研究中的應用

為了提高水力旋流器的分離效率，降低能耗，擴大水力旋流器的應用范圍，近年來，一些研究者基于CFD的模擬計算結果，對水力旋流器的結構參數進行了優化。

楊強基于CFD技術設計的微型水力旋流器，提高了細粒級顆粒的分離效率，進一步的研究發現，入口處顆粒所處位置對顆粒運動軌跡有重要影響[55]。蔡圃在對水力旋流器內部流場分布特征及顆粒受力空間分布的模擬基礎上，在內部放置了一套減阻葉片，4個相互垂直的減阻葉片位于錐段，并固定在中心桿上，從而在保持分離效率的同時降低了能耗[35]。

吳磊基于數值模擬結果設計了一臺新型水力旋流器[56]，其給料方向與水平方向呈10°夾角、溢流管內壁鑲嵌6個梯形木板、錐段中心插入固體棒，這些特殊結構降低了中心空氣柱的不利影響，使內部流場的湍流程度降低，流場更加穩定，提高了旋流器的分離效率和處理能力。

此外，趙立新在對流場特性模擬分析基礎上，通過在底部增設錐形結構，研制出了一種用于氣液分離的水力旋流器，使氣液分離的技術指標得到了明顯改善[57]。

3 結 語

(1)過去幾年間，隨著CFD軟件的不斷完善及湍流模型的改進，數值試驗方法在水力旋流器內部流場特性研究方面發揮的作用越來越重要。目前，對于壓強、切向速度及軸向速度的分布規律及其影響因素的研究已經比較成熟，但對于徑向速度的研究尚有待進一步加強；關于軸向零速包絡面(LZVV)的大小及形狀的數字化表征，不同學者的觀點仍未統一；對于空氣柱的大小、形狀及形成過程雖然開展了一些數值試驗研究，但獲得的認識遠未達到可以用于指導生產的水平。

(2)在旋流器分離機理的數值試驗研究方面，盡管就待分選物料的性質、操作參數及結構參數對水力旋流器分離效率及分離粒度的影響，已經開展了大量的研究工作，但這些研究主要是在低濃度礦漿中針對牛頓流體、球形顆粒開展的，并沒有考慮顆粒形狀及顆粒與顆粒、顆粒與器壁之間相互作用對分離效率的影響，這些方面應該是今后一個時期的研究工作重點。

(3)關于水力旋流器的數值試驗研究亟需建立一套系統的工作模式，確定適用于旋流器內各向異性湍流流場和高濃度礦漿流場的計算模型，以便使相應的數值試驗結果更符合生產實際，為高效能旋流器的設計和應用提供理論支持。

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(責任編輯 王亞琴)

Research Progress on Internal Flow Field and Separation of Hydrocyclone

Wei Dezhou Zhang Caie Gao Shuling Cui Baoyu Liu Wengang Shen Yanbai Han Cong

(CollegeofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China)

The inner flow field of hydrocyclone plays an essential role for the separation of a given particle group.The development of internal flow field and the research status of flow field characteristics for hydrocyclone are reviewed.The application of numerical simulation in the establish of hydrocyclone mathematical model,characterization of internal flow field,separation process of solid particles,and optimization design of structural parameters for hydrocyclones are introduced in detailed.Based on these analysis,further investigation on the features of the envelope of zero vertical velocity(LZVV) and an air core will be required.The influence of particle shape,as well as the particle-particle,particle-fluid,and particle-wall interactions on the separation efficiency in high concentration slurry will be the focused on.

Hydrocyclone,Flow Field,Numerical simulation,Separation

2014-11-21

國家自然科學基金項目(編號：51474054，51104035，50974033)。

魏德洲(1956—)，男，教授，博士生導師。通訊作者 高淑玲(1980—)，女，副教授，博士。

TD922

A

1001-1250(2015)-02-012-08