基于cfd的充填料漿攪拌流場(chǎng)仿真分析

基于cfd的充填料漿攪拌流場(chǎng)仿真分析

填液泵的攪拌是礦山填充工藝的重要組成部分。機(jī)械攪拌裝置中填充液的攪拌效果對(duì)管道的良好傳輸和保證填充體的填充強(qiáng)度非常重要。攪拌桶的混合效果主要受局部流場(chǎng)的影響,而攪拌槳作為攪拌設(shè)備內(nèi)重要部件,其性能直接影響到攪拌效率筆者采用多重參考系法對(duì)攪拌桶進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究依據(jù)目前國(guó)內(nèi)金屬礦山常規(guī)的充填攪拌工藝,并結(jié)合全尾砂高濃度充填的趨勢(shì),以全尾砂高濃度充填料漿為攪拌介質(zhì)。該料漿為非牛頓流體,基于COMSOL模擬軟件,對(duì)比分析單層葉片式攪拌槳和雙層葉片式攪拌槳在不同數(shù)量擋板情況下,料漿在攪拌桶內(nèi)的流場(chǎng)模擬情況,以期為全尾砂高濃度料漿高效活化攪拌參數(shù)的確定提供一定參考。1模擬內(nèi)容1.1攪拌桶、攪拌網(wǎng)的尺寸依據(jù)目前國(guó)內(nèi)金屬礦山充填站使用較多的攪拌桶,等比例縮小之后得到模擬模型,攪拌槳采用三葉片式攪拌槳。攪拌桶的直徑為0.5m,攪拌桶高度為0.5m,攪拌槳的直徑為0.2m,葉片傾角為45°,傳動(dòng)軸直徑為0.05m,擋板寬度為0.1m,高度為0.4m,擋板距攪拌桶頂?shù)?.05m,攪拌轉(zhuǎn)速為120r/min。國(guó)內(nèi)目前對(duì)攪拌桶內(nèi)流體的流動(dòng)情況已進(jìn)行了廣泛的模擬研究和數(shù)值模擬研究1.2全尾砂攪拌桶的設(shè)計(jì)及對(duì)比全尾砂高濃度料漿的攪拌為非牛頓流體的攪拌混合。在攪拌混合過程中,料漿會(huì)對(duì)靜止的攪拌桶壁面產(chǎn)生較大依附,并且其分子擴(kuò)散速率比較小,僅僅依靠流體質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用力很難帶動(dòng)全桶流體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。如果攪拌桶參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,會(huì)對(duì)料漿的攪拌效果造成不利影響。為對(duì)比分析全尾砂高濃度料漿在不同結(jié)構(gòu)攪拌桶內(nèi)的攪拌過程,進(jìn)行了模擬方案的設(shè)計(jì)。模擬方案如表1所列。2流量性質(zhì)和控制方程2.1料漿流體的特性模擬根據(jù)前期的流變性質(zhì)測(cè)試分析,全尾砂高濃度料漿為非牛頓流體,具有剪切變稀的特性。數(shù)值模擬加入了關(guān)于料漿密度、料漿屈服應(yīng)力以及料漿塑性黏度的UDF。全尾砂高濃度充填料漿參數(shù)如表2所列。2.2控制方程式參考文獻(xiàn)3結(jié)果和分析3.1攪拌流場(chǎng)分布單層槳葉和雙層槳葉(擋板數(shù)量同為2片)攪拌桶內(nèi)x=0處截面宏觀速度場(chǎng)如圖2所示。由圖2可以看出,葉片式攪拌槳攪拌桶內(nèi)產(chǎn)生的流場(chǎng)為徑向流場(chǎng)。料漿經(jīng)槳葉的高速剪切后呈射流狀徑向撞擊桶壁,經(jīng)筒體撞擊上下回流,在槳葉兩側(cè)形成較明顯的渦流,對(duì)于單層槳葉攪拌桶內(nèi)的循環(huán)渦流只是在靠近槳葉附近較為明顯,在液面附近的料漿幾乎沒有參與攪拌桶下部的渦流循環(huán);當(dāng)攪拌槳為雙層槳葉時(shí),在上、下兩層攪拌槳附近分別形成了循環(huán)渦流,且相互抑制較小。單層槳葉攪拌桶整體速度分布極不均勻,槳區(qū)速率較大。由于料漿具有觸變性及剪切變稀的特性,其動(dòng)能傳遞要弱于牛頓流體,使得槳葉產(chǎn)生的動(dòng)能向攪拌桶上部和桶壁方向迅速衰減。槳葉排出的流體尚未經(jīng)過攪拌桶上部就在槳葉附近返回槳葉區(qū),從而在槳葉區(qū)形成一個(gè)明顯的高速區(qū),而攪拌桶上部料漿回流速度較慢,導(dǎo)致在壁面處和上液面處形成攪拌死區(qū);雙層槳葉的料漿流動(dòng)高速區(qū)相比于單層槳葉更廣,攪拌桶整體速度分布也較均勻。原因是雙層槳葉作用于料漿增加了剪切區(qū)域,在帶動(dòng)攪拌桶內(nèi)料漿流場(chǎng)循環(huán)時(shí)對(duì)料漿的剪切作用增強(qiáng)。由模擬結(jié)果也可看出,在雙層槳葉攪拌時(shí),攪拌桶內(nèi)剪切速率的分布總體上相對(duì)均勻,對(duì)料漿的剪切作用主要集中在傳動(dòng)軸、攪拌葉片和擋板區(qū)域的大部分流動(dòng)區(qū)域,僅有液面附近及攪拌桶底等少數(shù)區(qū)域相對(duì)較小,充分的剪切作用使料漿更容易達(dá)到內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),從而使攪拌桶內(nèi)的流場(chǎng)分布更加均勻。攪拌桶內(nèi)壁表面壓力分布的特點(diǎn)為:最大表面壓力值都出現(xiàn)在靠近桶底的槳葉正表面上,最小表面壓力出現(xiàn)在靠近料漿液面擋板上。其原因是槳葉主要使料漿產(chǎn)生徑向射流,受力主要集中在葉片上表面,同時(shí),料漿的自重力與黏滯力共同作用使得其受到的壓力更大,所對(duì)應(yīng)的的阻力分別為壓差阻力和黏性阻力。單層渦輪槳葉主要是產(chǎn)生徑向射流,即只能使料漿在其附近徑向來回碰撞形成循環(huán)渦流,在軸向上不存在壓差,或者軸向的壓差很小,不能發(fā)生軸向上的傳輸,使得料漿的輸送作用僅局限于水平切向上,無法使流體產(chǎn)生明顯的軸向運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致在攪拌非牛頓料漿時(shí)混合效果不佳,并且攪拌功率消耗較大;雙層槳葉在一定程度上解決了軸向傳輸問題,可以明顯改善攪拌效果。3.2攪拌流場(chǎng)分布目前認(rèn)為擋板的作用主要是將液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改為垂直翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)改善所施加功率的有效利用率。擋板的存在使攪拌槳葉排出的流體和擋板產(chǎn)生碰撞,限制了液體的切向速度,增加了軸向和徑向速度分量,提高了料漿效率。標(biāo)準(zhǔn)擋板(通常采用垂直于桶壁且4塊寬度為攪拌桶直徑1/12~1/10的擋板)可以使攪拌桶功率飽和且消除旋渦。但標(biāo)準(zhǔn)擋板并非最優(yōu)化結(jié)構(gòu),對(duì)于不同型式的槳葉,擋板影響也不同,擋板系數(shù)對(duì)產(chǎn)生徑向流的渦輪槳影響較大。根據(jù)模擬數(shù)據(jù),單層槳葉不同擋板數(shù)量時(shí)的最大內(nèi)壁表面壓力分別為p采用單層葉片式攪拌槳時(shí),攪拌桶內(nèi)料漿的攪拌效率較低。單層槳葉攪拌桶h=0.1m橫截面切向速度云圖如圖3所示。由圖3可知,隨著擋板數(shù)量的增加,在h=0.1m處的流動(dòng)速度有小幅增大,切向速度分布也更加均勻,說明擋板對(duì)于單層葉片式攪拌槳攪拌桶的攪拌效率有一定的促進(jìn)作用。雙層槳葉攪拌時(shí)不同數(shù)量擋板的橫截面矢量速度云圖差別不明顯。在攪拌桶高度方向(z方向)取AB直線數(shù)據(jù)集,分析攪拌桶內(nèi)料漿流速分布,A點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0.13,0),B點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0.13,0.5)。料漿在z方向的速度分布曲線如圖4所示。由圖4可知,單層槳葉時(shí),從攪拌桶底部到液面,料漿流速呈先增大后減小的趨勢(shì),槳葉附近料漿的流速最高,而當(dāng)液位高度≥0.2m時(shí),料漿流速就幾乎趨近于零了,同時(shí),擋板數(shù)量不同時(shí),料漿在攪拌桶內(nèi)的流速分布基本一致,看出擋板數(shù)量的增加對(duì)單層葉片式攪拌槳的攪拌效果有所改善,但效果并不顯著。雙層槳葉時(shí),從攪拌桶底部到液面,料漿流速同樣呈先增大后減小的趨勢(shì),在下層槳葉位置附近料漿流速的有一個(gè)增幅,到上層槳葉位置時(shí)達(dá)到峰值,到液面附近位置急劇減小?？傮w而言,雙層槳葉在擋板數(shù)量不同時(shí)的速度分布較單層槳葉更均勻,且整體循環(huán)流動(dòng)速度高。雙層槳葉攪拌低速區(qū)段(0.4~0.5m)明顯小于單層槳葉低速區(qū)段(0.2~0.5m)。由此可以看出,雙層槳葉的攪拌效率要優(yōu)于單層槳葉,但擋板數(shù)量的變化對(duì)攪拌效率的改善并不明顯。4攪拌流場(chǎng)模擬以全尾砂高濃度料漿為攪拌介質(zhì),通過COM-SOL模擬攪拌機(jī)攪拌過程,對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)攪拌機(jī)的攪拌效率,得到如下結(jié)論。(1)與單層葉片式攪拌槳相比,雙層葉片式攪拌槳攪拌時(shí)流體流動(dòng)速度、剪切速率分布、渦流大小、壓力大小分布都更有利于料漿的充分?jǐn)嚢?說明雙層葉片式攪拌槳的攪拌效率要優(yōu)于單層葉片式攪拌槳。(2)擋板的存在能在一定程度上降低葉片表面壓力。(3)對(duì)于單層葉片式攪拌槳攪拌桶,擋板的存在有助于提高攪拌效率,單層槳葉攪拌時(shí)可配合使用擋板;雙層槳葉時(shí)擋板的促進(jìn)效果不顯著。(1)連續(xù)方程式中:ρ為密度,kg/m(2)動(dòng)量方程、能量方程及紊流方程采用統(tǒng)一的輸運(yùn)方程形式,即由時(shí)間項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)組成。對(duì)于變量k,其輸運(yùn)