水力旋流器内液固两相流流场及分离机制研究开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1 选题的目的及意义

水力旋流器又称为旋液分离器[1],是利用离心场实现非均相液体混合物高效分离的设备,也可用于浓缩、脱水,其工作原理是:混合物从进料口沿切线方向进入水力旋流器,在旋流器内部形成由上而下的旋转流,基于混合物中不同组分的密度和粒度不同,水力旋流器内部的旋转运动分为:外旋流和内旋流运动。混合物中密度较大的组分在离心力的作用下,沿径向向壁面方向运动,同时向下运动,形成外旋流,并在此过程中与混合物中的密度较小的轻组分分离,流经锥体结构后由底流出口排出。混合物中密度较小的轻组分逐渐脱离外旋流向中心位置迁移,而且越接近底流出口迁移量越大,从而使得轻组分无法从底流口排出,轻组分在流体推动和低压区的双重作用下形成向上的旋转运动,形成内旋流,最终从溢流出口排出。水力旋流器具有构造简单,操作方便、无动部件、占地面积小、处理量大、分离效率高等优点,但流体间的高度剪切、颗粒的成层分布、多相间的相互作用等使得旋流器内部的多相流动十分复杂,广泛应用于选煤、石油和化工领域[2-7]

水力旋流器的流动过程和分离性能与分离机制密切相关,对分离机制的研究有利于深化认识分离过程和优化结构设计。由于水力旋流器内的多相相互作用极其复杂,对分离机制的认识仍不清楚[8]。在过去的多年时间里,许多学者提出了不同的理论模型来解释旋流器的分离过程,例如平衡轨道模型[9,10]、停留时间模型[11]和拥挤模型[12]。但是,这些模型都提出了各种各样的假设,不能准确反映各种参数对分离性能的综合影响,与实际的分离过程有一定差距。随着计算流体力学 (CFD)的发展,这一情况得到改善,我们可以相对准确地模拟出旋流器内部流场各点参数(如速度,压力,浓度分布等),可以弥补理论模型的不足,进而可以对流场特性进行分析,研究其分离机制,得到可能改进水力旋流器的方案,为其研发制造提供参考。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1国外研究现状分析

国内外近年来对水力旋流器的大部分的研究基本都集中在工业用途方面,如已经投入使用的帮助黄河水沙分离以及油田固液分离用的水力旋流器等。随着科学技术的迅猛发展,学术界对旋流分离理论的研究渐趋成熟,对水力旋流器的研究开始转向实际应用。

在国外,Wills[13]的研究认为旋流运动的阻力较大部分来自于在旋流器中高浓度的料浆,这种阻力降低了有效的压力降,从而提高了分级粒度,从而得出分级精度随给矿浓度的增大而降低的结论。

Wu Chen等[14]通过研究人们常用的几种旋流器模型在实际应用中不同的应用结论证明每种模型都可以解释某一种情形下的旋流器性能。

S.Schuetz等[15]通过采用 Fluent软件对水力旋流器的分离效果进行数值模拟,并结合实验进行对比,结果表明,数值模拟结果与实验结果吻合。

M.Narasimha 等[16]通过研究显示,增加水力旋流器进料流量和降低套管直径,可以提高旋风分离度。

B.Wang 等[17]对不同结构参数下水力旋流器的固液分离进行了数值模拟研究,结果表明,不同的结构尺寸,旋流器产生的性能也不同,并对模型做了实验验证,模拟结果与实验在数据上具有极大的相似度。

Kanchana Saengchan等[18]开发一种新的水力旋流器设计,使其在木薯淀粉生产过程的每个精制阶段都能达到预期的容量和淀粉性能。将设计的旋流器的圆锥长(Lcy/Lco比,0.00-0.14)和下溢直径(Du/Do比0.25-0.67)进行调适,得到了更好的淀粉杂质分离效果。

Yanne Novais Kyriakidis等[19]研究新型水力旋流器中两个变量的相互作用对分离的影响:下流道孔口直径和涡流探测仪长度。

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