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水力旋流器的锥段结构与分离性能

2014-8-8 11:19:52

    一般情况下，水力旋流器的锥段为直锥，而且锥段器壁的内表面为光滑状，即为连续性无奇异点的内表面。但是，近来出现了一些与上述传统模式相差甚远的旋流器锥段器壁结构。为了更好地促进水力旋流器的技术发展和应用，本文将采用五种旋流器锥段器壁结构，即抛物线型、双曲线型、螺旋型、圆环型和光滑直锥型，就水力旋流器锥段器壁结构对其处理能力、分离修正总效率、分离粒度、分级效率曲线和分离精度以及分流比等分离性能指标的影响进行系统研究，并探讨锥段体积对分离性能的影响。

    水力旋流器锥段器壁结构对其处理能力的影响如图2所示,图中符号意义同文献[4](下同)。结果表明,与普通旋流器所用光滑直锥型锥段器壁结构相比,采用螺旋型锥段结构和抛物线型锥段结构时旋流器处理能力均比普通光滑直锥结构时提高较多;而采用双曲线型锥和圆环型锥结构时则亦使水力旋流器处理能力稍微上升。螺旋型锥段内壁具有使旋流器内螺旋流强制定向作用,在一定程度上减少湍动能耗,从而使旋流器内能耗降低、处理能力上升。采用螺旋型锥段结构时旋流器处理能力最高,而采用普通光滑直锥型锥段器壁结构时旋流器处理能力最低。

    分离修正总效率

    水力旋流器锥段器壁结构对其分离修正总效率的影响如图3所示。从图3可以看出,在锥段结构中,同普通的20°光滑直锥型锥段结构相比,采用抛物线型锥段结构会使水力旋流器分离修正总效率提高14%,螺旋型锥段结构使水力旋流器分离修正总效率提高13%;然而,双曲线型锥段结构却使旋流器分离修正总效率降低11%,圆环型锥段结构使旋流器分离修正总效率降低4%,主要是因为后两种结构将更多的两相流体导向内旋流,从而使更多两相流进入溢流的结果。采用抛物线型锥段结构时水力旋流器分离修正总效率最高,而采用双曲线型锥段结构时旋流器分离修正总效率最低。

    修正分离粒度

    水力旋流器锥段器壁结构对其修正分离粒度的影响如图4所示。在所选锥段器壁结构中,采用普通型光滑直锥时水力旋流器分离粒度最小。与光滑直锥结构相比,抛物线型锥段结构使旋流器修正分离粒度d50C增大8%,双曲线型锥段结构使水力旋流器分离粒度d50C增大19%,螺旋型锥壁结构使旋流器分离粒度d50C增大2%,圆环型锥壁结构使旋流器分离粒度d50C增大29%。结果表明,锥段内壁设置圆环型凸起,可以有效地破坏锥壁附近流体边界层对细小颗粒的屏蔽作用,减少底流中细颗粒的混杂,从而使分离粒度有所增大。

    分级效率曲线及分离精度

    水力旋流器锥段器壁结构对级效率曲线模型系数A值(即分离精度)的影响如图5所示。在所选锥段器壁结构中,与普通的光滑直锥型结构相比,所采取的四种异形锥结构均能使分离精度A值有不同程度的增大:抛物线型锥结构使分离精度A值增大19%,双曲线型锥结构使分离精度A值增大11%,螺旋型锥壁结构使分离精度A值增大6%,圆环型锥壁结构使分离精度A值增大17%。采用光滑直锥型结构时水力旋流器分离精度最低,而采用抛物线型锥结构时旋流器分离精度最高。

    分流比

    水力旋流器锥段器壁结构对其分流比的影响如图6所示。结果表明,在所选锥段器壁结构中,与传统的光滑直锥型结构相比,抛物线型锥结构使水力旋流器分流比降低30%,使更多的流体进入了溢流;而其它三种锥段结构则均使水力旋流器分流比增大,即双曲线型锥结构使旋流器分流比增大64%,螺旋型锥壁结构使水力旋流器分流比上升8%,圆环型锥壁结构使旋流器分流比增大44%。采用抛物线型锥结构时水力旋流器分流比最小,而采用双曲线型锥结构时旋流器分流比最大。

    锥段体积对分离性能的影响

    将光滑直锥型结构、抛物线型锥结构和双曲线型锥结构这三种具有光滑内壁结构的锥段体积进行计算,探讨锥段体积对分离性能的影响,研究结果如图7所示。从图7可以看出,随着锥段体积的增大,水力旋流器分离修正总效率呈线性提高,而旋流器分流比则呈线性下降。这表明,与普通光滑直锥型旋流器相比,抛物线型锥结构使旋流器分离效率上升而分流比下降,双曲线型锥结构却使旋流器分离效率下降而分流比上升。

    采用螺旋型锥段结构时水力旋流器处理能力最高;采用抛物线型锥段结构时水力旋流器分离修正总效率最高、分离精度最高、分流比最小;采用普通型光滑直锥时水力旋流器分离粒度最小;采用双曲线型锥结构时旋流器分流比最大。随着光滑内壁型锥段体积的增大,水力旋流器分离修正总效率呈线性提高,而旋流器分流比则呈线性下降。