臥螺離心機(jī)是一種臥式螺旋卸料、連續(xù)操作的沉降設(shè)備，廣泛用于礦業(yè)、石油、化工等行業(yè)。其外形尺寸一般為長(zhǎng)3.5～4.5m、寬1～1.2m、高1.2～1.5m，整機(jī)質(zhì)量為3～4t，處理能力高達(dá)45m3/h。目前對(duì)于臥螺離心機(jī)的研究基本上以數(shù)值模擬為主。楊釗等應(yīng)用SolidWorks對(duì)大長(zhǎng)徑比臥螺離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓-螺旋推料器進(jìn)行了三維建模，研究了導(dǎo)程、轉(zhuǎn)速、葉片厚度等參數(shù)變化對(duì)螺旋推料器應(yīng)力和變形的影響，以實(shí)現(xiàn)對(duì)離心機(jī)的優(yōu)化。于萍等對(duì)臥螺離心機(jī)的離心分離場(chǎng)速度進(jìn)行仿真分析，求解得出分離場(chǎng)軸向速度、周向速度、徑向速度與結(jié)構(gòu)特性參數(shù)之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上對(duì)離心場(chǎng)中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，得到其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。董連東等對(duì)臥螺離心機(jī)內(nèi)壓力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了應(yīng)力場(chǎng)分布隨轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系。付雙成等基于Euler多相流模型對(duì)臥螺離心機(jī)的速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，研究了轉(zhuǎn)鼓對(duì)沉降分離的作用。姜毓圣等研究了物性參數(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)分離性能的影響，對(duì)不同顆粒直徑、固相密度和液相黏度條件下離心機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算。何飄等從分離效率的角度對(duì)臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，通過(guò)定義沉降粒度和上浮臨界粒度，進(jìn)一步將分離能力計(jì)算與分離效率相關(guān)聯(lián)，使該方法更接近離心機(jī)分離工藝的實(shí)際情況。張雷基于離心分離理論，應(yīng)用有限元方法對(duì)轉(zhuǎn)鼓和螺旋推料器進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析和臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算，研究其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及運(yùn)行參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。荊寶德等采用Fluent軟件對(duì)臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓錐角結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化，得到了優(yōu)化的錐角參數(shù)隨物料參數(shù)的變化規(guī)律。
現(xiàn)有研究主要集中在臥螺離心機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及物料參數(shù)對(duì)分離效果的影響方面，對(duì)于臥螺離心機(jī)核心部件——轉(zhuǎn)鼓的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離性能影響的研究較少。本文以某洗煤廠臥螺離心機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比、半錐角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)煤泥分離性能的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。
1 臥螺離心機(jī)三維模型創(chuàng)建與網(wǎng)格劃分
待處理物料由進(jìn)料管引入螺旋推料器。轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器以一定的速度差同向高速旋轉(zhuǎn)，物料被加速后進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在離心力場(chǎng)的作用下，較重的固相物沉積在轉(zhuǎn)鼓壁上形成沉渣層。螺旋推料器將沉積的固相物連續(xù)不斷地推至轉(zhuǎn)鼓錐段，經(jīng)排渣口排出機(jī)外。較輕的液相物形成內(nèi)層液環(huán)，由轉(zhuǎn)鼓大端溢流口溢出轉(zhuǎn)鼓，經(jīng)排液口排出機(jī)外。
臥螺離心機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較長(zhǎng)。為減少網(wǎng)格數(shù)量、縮短數(shù)值模擬時(shí)間，對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將螺旋推料器的葉片作為無(wú)厚度的片體處理。
網(wǎng)格劃分可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上相當(dāng)于矩形域內(nèi)的均勻網(wǎng)格，其節(jié)點(diǎn)定義在每一層的網(wǎng)格線上，且每一層節(jié)點(diǎn)數(shù)相等，在處理邊界問(wèn)題時(shí)更加準(zhǔn)確，但對(duì)于具有復(fù)雜外形的貼體，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成比較困難。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格沒(méi)有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布較隨意，網(wǎng)格劃分更加靈活，但其計(jì)算時(shí)需要占用較多的計(jì)算機(jī)資源。數(shù)值模擬的精度主要取決于網(wǎng)格質(zhì)量，并不取決于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。本文研究的臥螺離心機(jī)的螺旋推料器具有很多螺旋葉片，難以劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，因此采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。
為提高計(jì)算精度，對(duì)主要的計(jì)算區(qū)域——物料進(jìn)、出口及螺旋葉片網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。劃分好網(wǎng)格后，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求即可將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，選擇湍流模型，求解，進(jìn)行數(shù)值模擬。
2 數(shù)值模擬
在臥螺離心機(jī)數(shù)值模擬過(guò)程中，假設(shè)：①臥螺離心機(jī)內(nèi)部流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②內(nèi)部流體為不可壓流體；③不考慮離心機(jī)內(nèi)部的熱量傳遞，忽略因旋轉(zhuǎn)、碰撞產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的溫度變化；④煤泥漿中的煤顆粒均為球形，且在煤泥漿中均勻分布。
臥螺離心機(jī)內(nèi)部是高速旋轉(zhuǎn)的湍流流場(chǎng)，各向異性效應(yīng)和旋轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，所以本文采用雷諾應(yīng)力模型計(jì)算連續(xù)相，采用離散相模型處理多相流，將離散相與連續(xù)相進(jìn)行耦合計(jì)算，并利用隨機(jī)軌道模型模擬顆粒在臥螺離心機(jī)中的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到顆粒出口、轉(zhuǎn)鼓壁面及顆粒側(cè)擋板時(shí)，認(rèn)為顆粒被捕集，作為沉渣從排渣口排出；當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到液相出口時(shí)，認(rèn)為顆粒逸散。顆粒密度為1300kg/m3，顆粒直徑為20,40,60,80μm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為25%。
進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，選用壓力耦合方程的半隱算法求解壓力和速度場(chǎng)。由于臥螺離心機(jī)模型采用四面體網(wǎng)格，而壓力插值格式適用于四邊形或六面體網(wǎng)格，所以本文選擇Standard壓力插值格式，其余的離散化方式均選擇二階迎風(fēng)格式。
數(shù)值模擬計(jì)算步驟：①利用單相流模型，求出清水的穩(wěn)定流場(chǎng)；②采用DPM，在清水流場(chǎng)的基礎(chǔ)上向流場(chǎng)中加入固相顆粒，對(duì)離散相與連續(xù)相進(jìn)行耦合計(jì)算，利用隨機(jī)軌道模型求出顆粒在臥螺離心機(jī)內(nèi)部的分布情況。然后對(duì)臥螺離心機(jī)內(nèi)固液兩相流場(chǎng)的速度、壓力及湍流動(dòng)能進(jìn)行分析，得到速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及湍流分布規(guī)律，并分析其流場(chǎng)和分離性能之間的關(guān)系；③以相同方式研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)分離性能的影響。
3 模擬結(jié)果分析
3.1 轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比對(duì)分離性能的影響
轉(zhuǎn)鼓包括錐段和柱段，其半錐角為θ。本文通過(guò)改變柱段長(zhǎng)度來(lái)改變轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)度，從而改變長(zhǎng)徑比。
為分析不同長(zhǎng)徑比對(duì)離心機(jī)分離性能的影響，對(duì)煤泥漿從分料口（選取分料口截面中心點(diǎn)）進(jìn)入螺旋流道的入射速度隨長(zhǎng)徑比的增大而降低。長(zhǎng)徑比為3.8時(shí)，入射速度為40.20m/s；長(zhǎng)徑比增大到4.5時(shí)，入射速度降低為38.30m/s?？梢姡L(zhǎng)徑比的增大不僅可以從距離上延長(zhǎng)煤泥漿在離心機(jī)的停留時(shí)間，也可以從速度上延長(zhǎng)煤泥漿的停留時(shí)間，有利于提高離心機(jī)的分離效果，降低排渣的含水率。隨著長(zhǎng)徑比的增大，錐段參考點(diǎn)壓力先增大后減小，在長(zhǎng)徑比為4.3時(shí)，壓力較大，為1.45MPa，此時(shí)對(duì)煤泥漿的擠壓作用較強(qiáng)，排渣含水率較低。
不同長(zhǎng)徑比情況下 ，當(dāng)長(zhǎng)徑比為4.3時(shí)，離心機(jī)分離效果較好，且分離效率較高。但較大的長(zhǎng)徑比會(huì)影響生產(chǎn)成本、能耗等，因此在實(shí)際選用時(shí)應(yīng)綜合考慮各種因素，以獲得較大經(jīng)濟(jì)效益。
3.2 轉(zhuǎn)鼓半錐角對(duì)分離性能的影響
待分離物料進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)分離后，物料在螺旋推料器的作用下，被推往錐段進(jìn)行擠壓脫水排渣，固體渣在錐段仍含有大量水分，所以在錐段需要進(jìn)一步擠壓脫水。半錐角大小直接影響排渣含水率。半錐角過(guò)小，對(duì)于煤泥漿達(dá)不到很好的擠壓脫水效果；半錐角越大，對(duì)煤泥漿的擠壓效果越明顯。但半錐角過(guò)大會(huì)影響渣順利排出，從而影響離心機(jī)的處理能力，甚至造成渣堵塞現(xiàn)象，使離心機(jī)無(wú)法正常工作。
在其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，選取半錐角為6,7.5,9，12°，分析半錐角變化對(duì)離心機(jī)分離性能的影響。煤泥漿進(jìn)入螺旋流道的入射速度和壓力如下：
半錐角（°） | 入射速度（m/s） | 壓力（MPa） |
6 | 39.14 | 1.37 |
7.5 | 38.50 | 1.13 |
9 | 38.94 | 1.45 |
12 | 39.14 | 1.36 |
從上表可以看出，隨著半錐角增大，煤泥漿進(jìn)入螺旋流道的入射速度先減小后增大，在半錐角為7.5°時(shí)較小，為38.50m/s，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力較小，煤泥漿脫水后含水率較高。半錐角為9°時(shí)，煤泥漿進(jìn)入螺旋流道的入射速度較低，與半錐角為7.5°時(shí)相差不大，此時(shí)錐段參考點(diǎn)壓力較大，對(duì)煤泥漿的擠壓作用更強(qiáng)，有利于煤泥漿脫水。
不同半錐角情況下臥螺離心機(jī)分離效率為：錐角從6°增大到12°時(shí)，分離效率先增大后減小，當(dāng)錐角為9°時(shí)，分離效率較高。
4 結(jié)論
（1）煤泥漿進(jìn)入螺旋流道的入射速度隨轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比增大而降低，而錐段參考點(diǎn)壓力隨轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)。在長(zhǎng)徑比為4.3時(shí)壓力較大，為1.45MPa，此時(shí)對(duì)煤泥漿的擠壓作用較強(qiáng)，排渣含水率較低；在長(zhǎng)徑比為4.0,4.3時(shí)，臥螺離心機(jī)分離效率較高，達(dá)0.98以上。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)鼓長(zhǎng)徑比為4.3時(shí)，離心機(jī)分離效果較好，且分離效率較高。
（2）在轉(zhuǎn)鼓半錐角為9°時(shí)，煤泥漿進(jìn)入螺旋流道的入射速度較低，錐段參考點(diǎn)壓力較大，對(duì)煤泥漿的擠壓作用較強(qiáng)，有利于煤泥漿脫水，且此時(shí)臥螺離心機(jī)的分離效率較高。
