不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

袁惠新，吕　浪，殷伟伟，未莉莉

（常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016）

不同入口形式的固液分离旋流器壁面磨损研究

袁惠新，吕浪，殷伟伟，未莉莉

（常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016）

基于计算流体力学（CFD）软件Fluent中的颗粒随机轨道模型（DPM），对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行数值模拟的比较，结果表明：单入口式固液分离旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°～210°，环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和190°，底流口附近壁面?最大磨损在周向方向180°的底流口上方1～2mm位置；双入口式旋流器的壁面磨损呈对称分布，最大磨损在底流口位置，顶板壁面最大磨损在两个入口区域，顶板外层最大磨损位于方位角80°～110°和260°～290°，环形空间壁面最大磨损位于方位角120°和300°；相同条件下，双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损；而对于底流口附近的壁面磨损，双入口式固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损略大。

旋流器；数值模拟；分离；入口；磨损

在工业生产中，固液分离旋流器是将有密度差的固液两相混合物在离心力的作用下进行分离［1-2］，而其中重分散相固体颗粒在分离过程中会对旋流器壁面造成磨损，影响了固液分离旋流器的发展。目前研究颗粒对壁面磨损的文献很多，如金有海、赵新学等［3-5］研究了固体颗粒对旋风分离器壁面磨损的影响，李昳、朱祖超等［6］分析了离心泵内部固液两相流动对磨损规律的影响，林哲、阮晓东等［7］基于数值模拟方法对闸阀内部颗粒碰撞磨损以及磨损改进设计开展了系统的研究，杨建胜、罗坤等［8］探讨了不同粒度的煤灰颗粒对管束和槽道壁面磨损的影响，但关于固液分离旋流器壁面磨损的研究报道很少。本文采用Fluent中的DPM模型对两种入口形式的固液分离旋流器的壁面磨损进行实验研究以及与数值模拟的比较。

1　计算模型

1.1磨损计算方程

磨损速率的定义是单位时间内，壁面每一个计算单元中颗粒对壁面材料磨损的质量，公式定义为式（1）［9-13］。

式中，Np为颗粒数；pm˙为颗粒的质量流率；C（dp）为颗粒直径的函数；f（α）为侵入角的函数；α为颗粒对壁面的冲击角；b（v）为相对速度的函数；v为颗粒相对于壁面的速度；Aface为颗粒在壁面上的投影面积。若需计算总的材料质量损失，在整个壁面上对Rerosion进行积分；壁面厚度损失率用Rerosion与材料密度的商求得，壁面厚度损失率可直接计算出旋流器的使用寿命。

1.2物理模型及网格划分

试验和计算中采用的物理模型如图1所示，结构参数如表1所示。利用Gambit软件创建模型并划分网格，采用六面体结构化网格划分，首先对不同网格数（6.8万、10万、20万、30万、100万）的单入口固液分离旋流器压降、分流比以及壁面磨损率进行了数值模拟，对旋流器网格进行了整体的加密，计算所得结果的变化误差值在2%范围内波动。结果表明，不同网格数目下，旋流器的压降、分流比和壁面磨损率的变化很小，可以忽略，满足无关性的验证。本论文研究所采用的网格数为6.8万，网格划分见图2所示。

图1　固液旋流器结构图

表1　固液旋流器结构尺寸

图2　物理模型的网格划分

.3 边界条件的设置

采用Fluent程序中的压力基准算法隐式求解器，控制方程中的压力-速度耦合项应用协调一致的implec算法和Quick差分格式。进料口设置为速度入口；底流口和溢流口设置为Outflow；固液旋流器壁面的位置不同，选取的壁面的碰撞恢复系数也不同。颗粒相入口的射流源设为面源，速度与液相速度相同，颗粒材料与试验中相同，选取密度700kg/m3的铝粉颗粒，粒径满足Rossin-Rammler分布，中位粒径13.5μm，分布指数为2.82；溢流口设为完全逃逸，底流口设为捕捉。

.4 模拟可靠性验证

为评估数值模拟是否可靠，通过单入口固液分离旋流器的压力降、颗粒质量流率的试验对比来验证。图3、图4为试验中所用旋流器平台及单入口式固液分离旋流器，图5中的压力降表示入口和底流口的静压损失，随着处理量的增大，旋流器的底流压降也逐渐增大。底流口颗粒质量流率可直接反映底流口流出颗粒的多少。图6可以看出，固液分离旋流器底流口颗粒的质量流率随着处理量的增大，总体呈上升趋势；在控制底流分率一定的情况下，重分散相颗粒在分离过程中，底流口质量流率越大，说明底流口流出的固体颗粒也越多，其分离效率越高。同时固体颗粒增多，使得颗粒对旋流器壁面造成冲蚀磨损的机率大大增加，旋流器壁面磨损也会更加严重。图5、图6中的模拟和实验结果吻合较好，证明了数值模拟的可靠性。

图3　试验中旋流器平台

图4　试验中固液分离旋流器

图5　处理量与压力降的关系

图6　处理量对底流口颗粒质量流率的影响

2　计算结果分析

在进行数值模拟时，两种固液分离旋流器流体和颗粒入口速度为5.6m/s，底流分率、颗粒和流体的物性参数、入口面积和其他结构参数都保持一致。

2.1固液分离旋流器顶板的壁面磨损

在固液分离旋流器的入口区域，重分散相颗粒受流体的影响较大，特别是粒径较小的颗粒伴随着流体一起运动，同时在环形空间内圈的外侧区域存在着向上的轴向速度，带动一些较小的颗粒产生向上运动的趋势，从而使得颗粒在这一时刻受到一个方向向上的力，当此力大于重力时，颗粒在轴向方向上会向上运动；当此力等于重力时，颗粒在轴向方向上不发生运动。这两种情况都会导致一些小粒径的颗粒在入口环形区域漂浮或贴着旋流器顶板运动，形成了灰顶环，对固液分离旋流器的顶板造成壁面磨损。从图7可以看出，两种固液分离旋流器顶板的壁面磨损在径向方向的分布较为均匀，壁面磨损总体上随着径向位置的增大而增大，最大磨损都出现在顶板的外层。但顶板的磨损在周向方向上的分布并不均匀，单入口式旋流器的壁面磨损主要在方位角90°～280°范围之间，磨损峰值处于方位角140°～210°左右，最大磨损峰值为9.6×10-7kg/（m2·s）。在磨损峰值之前，顶板的磨损随着方位角的增大而增大；在磨损峰值以后，其磨损随着方位角的增大而减小；双入口式旋流器顶板的磨损呈对称分布，在两个入口区域磨损最为严重，而顶板外层的磨损峰值处于方位角80°～110°和260°～290°的位置，双入口式固液分离旋流器顶板的壁面磨损峰值远小于单入口式旋流器顶板的壁面磨损峰值，磨损峰值只有3.0×10-7kg/（m2·s）。

图7　单入口、双入口固液分离旋流器顶板壁面磨损云图

图8　单入口、双入口固液分离旋流器入口环形空间壁面磨损云图

2.2固液分离旋流器入口环形空间的壁面磨损

在固液分离旋流器入口处环形空间的液固两相流会有一个直线运动变为圆周运动的过程，这一过程导致其壁面发生磨损，液相的流速在入口处较大，重分散相颗粒受到离心力和惯性作用后，脱离流体运动的轨迹，以一定的速度撞击旋流器环形空间的内壁面；同时环形空间液固两相流速度较大使得流场较为紊乱，重分散相颗粒并不能沉积在内壁面上，与内壁的作用以瞬间冲击为主，因此在固液分离旋流器入口处环形空间内，颗粒与内壁的磨损主要是冲击磨损。从图8可以看出，单入口和双入口固液分离旋流器入口环形空间壁面磨损分布以局部磨损为主，单入口固液分离旋流器环形空间的壁面磨损严重部位在方位角120°和190°左右的位置；双入口固液分离旋流器环形空间壁面的磨损呈轴对称分布，最大磨损部位在方位角120°和300°左右的位置。从图9可知，在其他参数一定的情况下，单入口固液分离旋流器环形空间的壁面磨损远大于双入口固液分离旋流器环形空间的壁面磨损。单入口式旋流器入口环形空间壁面磨损率的峰值为1.2×10-6kg/（m2·s）；双入口式旋流器入口环形空间壁面磨损率的峰值只有6.6×10-7kg/（m2·s）。这是因为单入口固液分离旋流器在入口到环形空间的阶段，流体运动空间变化较小，对固液两相流的运动速度影响不大；双入口固液分离旋流器在入口到环形空间的阶段，流体运动空间变化较大（从小空间到大空间），使得固液两相流的运动速度衰减。因此，单入口式旋流器环形空间内的颗粒具备较高的动量，对壁面造成更大更多的冲击磨损，从而导致单入口式旋流器入口环形空间的壁面磨损更严重。

2.3固液分离旋流器底流口附近的壁面磨损

工业中，固液分离旋流器最先磨穿的部位是靠近底流口处的位置。磨损严重的原因有4种：一是液固两相流向底流口运动，大量的颗粒沉积在壁面上，在接近底流口位置，颗粒浓度达到最大值，对壁面造成的磨损也将最严重；二是底流口处流体的湍动程度急剧上升，颗粒与壁面的碰撞次数逐渐增加，碰撞次数的增多使得底流口附近壁面磨损的严重程度增大；三是固液分离旋流器圆锥体壁面末端受到旋进涡核不稳定性的影响，加剧旋流器底流口附近的磨损；四是重分散相颗粒对旋流器底流口附近壁面的主要磨损是磨削磨损，半径减小，颗粒切向速度（旋转速度）加快，固体颗粒对旋流器壁面的作用力增大，使得运动中的颗粒对壁面的磨削磨损也明显增强。由图10、图11看出，单入口和双入口固液分离旋流器壁面最严重的磨损部位都是在底流口附近，底流口附近磨损分布均匀有层次，越接近底流口，壁面磨损率越高。由于单入口固液分离旋流器底流口附近的壁面受到旋进涡核不稳定性的影响较大，最大磨损部位一般在周向方向180°左右的底流口上方1～2mm位置；而双入口固液分离旋流器内部流场相对较稳定，底流口附近的壁面受到旋进涡核不稳定性的影响较小，其最大磨损部位在底流口位置，且磨损呈轴对称形式分布。由图12可以看出，单入口式固液分离旋流器壁面磨损率的峰值为4.2×10-5kg/（m2·s）；双入口式旋流器壁面磨损率的峰值为5.7×10-5kg/（m2·s）；双入口式旋流器底流口区域的流场相对单入口式旋流器底流口区域的流场更稳定，更多的颗粒沉积于底流口壁面运动，造成对底流口壁面的磨削磨损；而单入口式固液分离旋流器底流口区域的流场较为紊乱，少部分已经沉积于底流口壁面的颗粒受流场影响，发生返混的现象，难于对旋流器底流口壁面造成磨削磨损，壁面磨损相应减弱。所以双入口固液分离旋流器壁面的磨损率略大于单入口固液分离旋流器壁面的磨损率，同时旋流器底流口壁面的磨损分布也发生了改变。

图9　z=58mm和z=59mm位置方位角与旋流器入口环形空间壁面磨损率的关系

图10　单入口、双入口固液分离旋流器底流口附近壁面磨损云图

图11　方位角与旋流器底流口附近壁面磨损率的关系

图12　轴向位置与旋流器底流口附近壁面磨损率的关系

3　结 论

本文基于CFD软件Fluent研究了相同条件下的单入口式和双入口式固液分离旋流器壁面磨损情况，通过分析得到以下结论。

（1）固液分离旋流器顶板的壁面磨损随着径向位置的增大而增大。周向方向上，单入口式旋流器顶板的最大磨损位于方位角140°～210°；双入口式旋流器顶板的磨损呈对称分布，两个入口区域的壁面磨损最严重，顶板外层的最大磨损位于方位角80°～110°和260°～290°。

（2）固液分离旋流器入口环形空间壁面磨损分布以局部磨损为主，双入口式旋流器环形空间的壁面磨损呈轴对称分布，最大磨损位于方位角120°和300°；单入口式旋流器环形空间的壁面最大磨损位于方位角120°和190°。

（3）固液分离旋流器壁面磨损最严重的部位在底流口附近，磨损以整体磨损为主。单入口式旋流器最大磨损在周向方向180°的底流口上方1～2mm位置；双入口式旋流器底流口附近壁面磨损呈对称分布，最大磨损在底流口位置。

（4）当固液分离旋流器的入口形式发生改变时，旋流器壁面磨损和最大磨损部位在周向方向上发生很大的变化，在轴向方向上的变化较小。双入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损小于单入口式旋流器顶板和环形空间的壁面磨损；而对于底流口附近的壁面磨损，双入口式旋流器的磨损较大一些。

影响固液分离旋流器壁面磨损的因素很多，通过数值模拟可直观地反映出旋流器各个部分壁面磨损分布情况和变化趋势，为固液分离旋流器的工程设计提供参考。

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Numerical simulation of the wall attrition in solid-liquid separation cyclone with different inlet forms

YUAN Huixin，LÜ Lang，YIN Weiwei，WEI Lili
（School of Mechanical Engineering，Changzhou University，Changzhou 213016，Jiangsu，China）

This paper compared the wall attrition of solid-liquid separation cyclone with the two inlet forms using particle stochastic trajectory model（DPM） of the computational fluid dynamics（CFD）software. The simulation results showed that for the solid-liquid separation cyclone with the single inlet，the most severe attrition part of the roof wall was located between the azimuth angle 140° to 210° and for the annular space wall，it was at the azimuth angle 120° and 190°；the most severe wall attrition part of the underflow port was distributed in the position of 1—2mm above the underflow port in the circumferential direction of 180°. For the solid-liquid separation cyclone with the double inlet，the attrition distribution on the wall was symmetrical；the most severe wall attrition was distributed in the underflow port；the most severe attrition of the roof wall appeared in the area of the two inlets；the azimuth angle of the most severe attrition of the roof’s outer layer ranges from 80° to 110° and 260° to 290°. As for the annular space wall，the most severe attrition was at the azimuth angle 120° and 300°. In the same conditions， the wall attrition of the separation cyclone’s roof wall and annular space with the double inlet was less severe but the wall attrition of the underflow port is more severe.

the separation cyclone；numerical simulation；separation；inlet；attrition

TQ 051.8

A

1000-6613（2015）10-3583-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.10.010

2015-04-24；修改稿日期：2015-05-25。

及联系人：袁惠新（1957—），博士，教授，博士生导师，主要研究方向为多相流与机械分离净化技术与设备。E-mail yuanhuixin2000@126.com。