跳汰机机体结构对脉动水流运动参数影响的模拟研究

2005/10/13 10:49:49

摘　要：跳汰机内部水流的运动与机体结构密切相关，用理论流体力学或实验流体力学的方法来研究相当困难。采用计算流体力学的方法对LTX-35型跳汰机的两种不同机体结构的流场进行了数值模拟研究，其结果表明弧形导流板更有利于流场的均匀分布，该结果与水电模拟结果比较吻合。
关键词：跳汰机；流场；数值模拟
文献标识码：A
文章编号：0253-2336(2000)02-0038-03

1　概　述

　　跳汰机中水流脉动的基本规律是研究和分析跳汰机工作的基础理论之一。跳汰机相当于一个不等断面的连通管，其内部流体的运动是周期性的非定常流，每个瞬时其值有不同的大小和方向。跳汰机内部水流的运动，与跳汰机的结构形式、空气室的位置等有关^［1］。在跳汰机筛板的上方，水流运动参数的分布均匀与否影响到跳汰机的分选效果。如何造成一良好的水动力学环境，是跳汰机的设计者和研究者都非常重视的问题。
　　跳汰机中脉动水流的运动情况非常复杂，用理论流体力学或实验流体力学的方法来研究都存在较大的困难。随着数值计算技术进步和计算流体力学的发展，为解决跳汰机内水流运动参数的分布提供了有力工具。在水电模拟的基础上，采用计算流体力学的方法，对国产LTX-35型跳汰机的流场进行了数值模拟研究，进一步证实该跳汰机的机体结构存在不足，并提出了改进意见，为该跳汰机的更新换代提供设计依据。

2　基本方程

　　图1为LTX-35型跳汰机的通流道，流体受压缩空气的作用在通流道中做周期性振荡。在图示二维流场中，根据粘性流体力学^［2］可知其质量守恒方程和动量平衡方程分别为：

　　(1）

　　(2）

式中　t——时间，s；
　　　ρ——流场中流体的密度，kg/m³；
　　　u——速度,m/s；
　　　g——单位质量力，N；
　　　P——压力,Pa；
　　　τ——切向应力,N/m²。

图1　LTX-35型跳汰机的通流道

3　流场的数值模拟

　　所谓流场的数值模拟是指采用数学方法对跳汰机的流场进行模拟计算，从而对那些无法或难以用试验手段测试的内部流场进行预报。为了使求解微分方程的程序能够通用化，以便给计算机程序的编制和计算工作带来较大的便利和简化，上述基本方程(1）、(2）均可以写成粘性流体力学的通式^［3］

　　(3)

式中　φ——因变量；
　Г、S——对应于的扩散系数和源项。
　　假设变量由X的多项式来表示

φ=a₀+a₁X+a₂X²+…+a_mX^m

　　用数值方法找出有限个系数，这使得可以用X的值以及所有a_i(i=0,1,2,…，m)的值代入上述方程，来假设任意X处的值。为了假设方便，构造若干个给定点的值作为原始未知数，即由节点上的值代替微分方程的严格解表示的连续的数据。可以预料，在节点数非常大的情况下，离散化非常解趋近于微分方程的严格解。
　　模拟工作采用的是英国的流体力学商用软件PHOENICS。根据上述粘性流体力学的通式(3），此软件通过设置统一性的变量得到所需的离散化方程组，同时补充各种计算模型所需的辅助方程，来满足方程组的封闭性，使计算结果更趋准确、合理。
3.1　模拟条件
　　主要研究跳汰机机体结构对脉动水流运动参数的影响，暂不考虑物料及床层阻力的作用。虽然跳汰机中的流体在压缩空气作用下，在通流道中做周期性振荡，但由于没有明显的分离现象和旋涡运动，如果略去物料的作用和上冲水的影响，在每一瞬时，可看做是二维定常势流。根据此前做的水电模拟试验，对于LTX-35型跳汰机，用弧形导流板取代原来的平直导流板可以使脉动水波均匀程度得到改善(图2）。对这两种机体结构的流场进行数值模拟，它们的初始条件相同，即：脉动水流的密度ρ=1?000?kg/m³，进口水速u =0.1 m/s，出口压力P=0。由于跳汰机流场的边界形状比较复杂，因此采用非正交网格。根据LTX-35型跳汰机的实际尺寸，空气室宽度为315 mm，跳汰室宽度为630 mm，总高度约为2 600 mm。网格剖分如图3所示，网格均为13×68个。

图2　水电模拟试验结果

图3　模拟区域网格剖分图

3.2　模拟结果及分析
　　为研究跳汰机机体结构对流场的影响，在此进行了平直导流板和弧形导流板两种不同结构对流场影响的数值模拟计算。其模拟结果见图4和图5。可看出，平直导流板内部流场的分布不及弧形导流板内部流场均匀，该结果与水电模拟结果比较吻合。特别是在流场的下部，平直导流板内部流场存在明显的分布不均，在最底部轴向速度很小，而在隔板下边缘轴向速度猛然增大。

图4　平直导流板流场的数值模拟

图5　弧形导流板流场的数值模拟

　　分析其原因，是因为在压缩空气的作用下空气室中的液流向下流动，并将其作用力传递给跳汰室中的液流，推动它们向上移动。作用力的方向在空气室的下端转换方向，由垂直向下变为垂直向上。在转换方向的通流区，平直导流板使液流流动方向改变比较突然，而弧形导流板能使流动方向平滑过渡，因此使流场的分布相对均匀一些。从图6可以看出，在转换方向的通流区，两种结构的轴向速度都在0.05 m/s左右，比入口速度0.1 m/s低一半，表明此处的通流截面较大，从结构紧凑角度考虑还存在潜力。

图6　两种不同结构流场的轴向速度沿截面分布的比较

4　结　论

　　采用计算流体力学的方法，对LTX-35型跳汰机流场进行了数值模拟研究。通过对不同机体结构的流场进行的数值模拟和对比分析，并与水电模拟结果进行比较，得到以下结论：
　　(1）采用计算流体力学的方法，可以比较方便地了解跳汰机内水流运动参数的分布，为开发和设计新型跳汰机提供了有力工具。
　　(2） PHOENICS是用于流场计算的大型通用软件，尽管跳汰机流场的几何边界比较复杂，但数值模拟结果与水电模拟结果比较吻合，表明该软件用于跳汰机流场的模拟计算是可行的，其计算结果是可信的。
　　(3）无论数值模拟还是水电模拟，其结果均表明LTX-35型跳汰机在结构上存在不足，若用弧形导流板取代平直导流板将使流场分布趋于均匀。

(责任编辑：崔兰秀)

作者简介：曾　鸣(1957-)，男，高级工程师，1988年硕士毕业后留校一直从事矿物加工的科研及教学工作，在有关刊物上发表文章10余篇。
作者单位：曾鸣（中国矿业大学(北京校区)，北京　100083）
　　　　　黄波（中国矿业大学(北京校区)，北京　100083）
　　　　　霍森（中国矿业大学(北京校区)，北京　100083）
　　　　　张荣曾（中国矿业大学(北京校区)，北京　100083）

参考文献：
［1］陈　迹.跳汰选煤的理论与实践［M］.北京：煤炭工业出版社，1988.
［2］潘文全.流体力学基础［M］.北京：机械工业出版社，1980.
［3］S. V. 帕坦卡.传热与流体流动的数值计算［M］.张政译.北京：科学出版社，1984.

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