1 前言

臥螺沉降離心機(jī)作為一種高效的固液分離設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于石油、建筑、化工等行業(yè)，利用固液兩相的密度差及離心作用力來實(shí)現(xiàn)固體與液體的分離。在離心脫水過程中，臥螺離心機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)以及物料性質(zhì)都會對脫水效果造成影響。由于離心分離過程的復(fù)雜性、懸浮液特性的易變性、特別是固相顆粒的形狀和粒徑分布的多態(tài)性，給理論和試驗(yàn)研究造成了極大的困難。對于物料性質(zhì)來說，污泥的調(diào)質(zhì)將會對后續(xù)的脫水工藝與設(shè)備產(chǎn)生較大影響，是污泥濃縮和脫水重要的前處理過程，其方法主要包括化學(xué)法、加熱法、淘洗法、冷凍法和加骨粒法等，新型調(diào)質(zhì)技術(shù)主要有超聲、微波、熱水解、磁場、電滲透、生物絮凝等。

為進(jìn)一步提高脫水效果，降低污泥的含水量，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究。大量理論和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，可以從提高分離因數(shù)、增加機(jī)械擠壓和延長停留時(shí)間三個(gè)方面來改善脫水性能。但試驗(yàn)研究因不能任意改變離心機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，不能同時(shí)針對多個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行，不能系統(tǒng)考慮調(diào)質(zhì)技術(shù)使用前后污泥脫水效率的變化而具有一定的局限性。

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展為臥螺離心機(jī)流場的研究開辟了新的方向。本研究結(jié)合污泥調(diào)質(zhì)技術(shù)對臥螺離心機(jī)進(jìn)行CFD模擬，旨在研究臥螺離心機(jī)的長徑比、螺旋及污泥黏度對分離性能的影響，同時(shí)考察不同粒徑的物料在不同轉(zhuǎn)速下的分離效率。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

臥螺離心機(jī)中轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器以一定的轉(zhuǎn)差運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)懸浮液的分離和沉渣的排出。模擬所用臥螺離心機(jī)的主要尺寸如下所述：轉(zhuǎn)鼓圓柱段外直徑420mm，圓錐段長度325mm，錐角8°，液層深度45mm，進(jìn)料管外直徑60mm，進(jìn)料管長度1200mm。考慮螺旋的情況下，先通過NX6.0建立螺旋輸送器的模型，用螺旋輸送器切轉(zhuǎn)鼓實(shí)體即可得到液流區(qū)域，然后將模型轉(zhuǎn)換為CAD圖形，讀入Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2 邊界條件和求解策略

計(jì)算所用液體密度為1015kg/m3，液體黏度為0.001003Pa·s。進(jìn)料管入口設(shè)為速度入口邊界，指定入口處的液流速度為0.5m/s，入口湍流強(qiáng)度按經(jīng)驗(yàn)公式來估算。臥螺離心機(jī)出口為溢流出口，設(shè)定出口為Outflow邊界條件。轉(zhuǎn)鼓外壁設(shè)定為無滑移固壁邊界條件，自由液面處壁面設(shè)定為滑移切應(yīng)力為0，給定臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動角速度設(shè)為30～50rad/s，轉(zhuǎn)差設(shè)置為2～5rad/s。

應(yīng)用控制容積積分法離散控制方程組，各方程對流項(xiàng)的離散采用精度較高的QUICK差分格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法。臥螺離心機(jī)內(nèi)部流場為較為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)占優(yōu)流動，因此選取精度較高的RSM湍流模型封閉控制方程組。模擬固體顆粒的運(yùn)動過程時(shí)選取DPM模型，考慮螺旋輸送器時(shí)選取滑移模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 整體流場

選取離心機(jī)長徑比為4，轉(zhuǎn)鼓角速度為50rad/s，做z=500mm和y=0mm兩處截面的靜壓分布。可以看出，靜壓沿徑向從中心向外逐漸增加，自由液面處靜壓小，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達(dá)到極值。由于入口與溢流口都與大氣相連，所以此兩處的靜壓接近于零值。

選取離心機(jī)長徑比為4，入口速度升為0.5m/s，做整體速度場在截面y=0mm上的流場速度云圖，轉(zhuǎn)鼓軸向方向z=900mm截面的等速度線圖。可以看出，流體以一定的速度進(jìn)入臥螺離心機(jī)，由于分料作用在分料口速度降低，然后隨高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓的帶動進(jìn)入分離場，在接近轉(zhuǎn)鼓處速度開始升高，當(dāng)流體到達(dá)分離場中部時(shí)流場中心位置處的速度梯度小；流體接近溢流口處，流場中心近壁面的速度降低但速度梯度增大，由此可知此時(shí)固液仍可進(jìn)行分離過程，這表明增加轉(zhuǎn)鼓長度的重要性。如果轉(zhuǎn)鼓長度不足，將嚴(yán)重影響分離過程的進(jìn)行，甚至不能完成分離過程。因此，大長徑比有利于離心機(jī)的固液分離。

3.2 長徑比對臥螺離心機(jī)流場的影響

3.2.1 長徑比對流場壓力分布的影響

從靜壓力的徑向分布可以看出，不同長徑比下靜壓沿徑向的分布規(guī)律基本一致，即靜壓力沿徑向從中心向外逐漸增加，基本呈線性分布，自由液面處靜壓小，在轉(zhuǎn)鼓壁面處達(dá)到極值，說明增加液環(huán)層的厚度靜壓力值會顯著增大。當(dāng)長徑比從2.5增大到3.5時(shí)，同一徑向位置處的靜壓隨著長徑比的增大而減小，說明此時(shí)增大長徑比可以減小阻力損失。但是進(jìn)一步增大長徑比，即長徑比由3.5增大到4.0時(shí)，同一徑向位置處的靜壓隨著長徑比的增大而迅速增大，說明此時(shí)增大長徑比將增加阻力損失。

從截面平均壓力沿軸向的分布可以看出，同一長徑比下截面平均壓力沿軸向的變化不大，但是同一軸向位置處截面平均壓力隨長徑比的變化較大，隨長徑比壓力的變化與徑向分布規(guī)律類似。

3.2.2 長徑比對切向速度分布的影響

臥螺離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)液流的流動方向可以分為軸向、切向和徑向三個(gè)方向，其中軸向速度和切向速度可以表征離心機(jī)分離過程的效果。軸向速度是表征臥螺離心機(jī)生產(chǎn)能力的一個(gè)物理參量，軸向流速越大，表示生產(chǎn)能力越強(qiáng)，但軸向速度過大又會導(dǎo)致脫水效果下降，致使沉渣含濕率上升。

臥螺離心機(jī)的工作原理使分離液中的固體顆粒在離心力的作用下沿徑向向外運(yùn)動并產(chǎn)生分離，切向速度是分離液中固液發(fā)生分離的關(guān)鍵，在研究臥螺離心機(jī)時(shí)一般采用旋轉(zhuǎn)角速度進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)動帶動液層一起旋轉(zhuǎn)，但液體的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)并不一致，存在滯后現(xiàn)象。

經(jīng)過模擬，結(jié)果顯示在液層深度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和入口流速不變的情況下，長徑比變化對切向速度影響不大，說明長徑比對切向速度滯后系數(shù)的影響不明顯。然而，長徑比增大會使分離空間增大，從而促進(jìn)固液分離，因此增大長徑比有利于提高臥螺離心機(jī)的分離性能。與靜壓分布的研究相結(jié)合，繼續(xù)增大長徑比會使阻力損失顯著升高，因此選擇長徑比時(shí)應(yīng)綜合考慮分離性能和阻力損失兩方面的因素。

3.3 黏度對臥螺離心機(jī)流場的影響

3.3.1 黏度對壓力分布的影響

黏度升高對自由液面附近的靜壓力基本沒有影響，在轉(zhuǎn)鼓近壁面附近靜壓力隨黏度的升高而有一定的升高，本文考察的范圍內(nèi)黏度對阻力損失的影響不大。

3.3.2 黏度對切向速度分布的影響

在黏度變化相對較小時(shí)切向速度變化也較小，隨著黏度的增大，切向速度逐漸降低，因此流體的黏度對切向速度有一定影響。當(dāng)黏度大時(shí)切向速度相應(yīng)較小，而較低的切向速度對于分離過程是不利的，因此降低流體黏度更有利于固液分離。

3.4 污泥調(diào)質(zhì)對脫水特性的影響

目前已有多種調(diào)質(zhì)技術(shù)，使用調(diào)質(zhì)技術(shù)如熱水解、超聲與微波等可以使污泥的特性如黏度與粒度等發(fā)生改變。下面將對有螺旋和無螺旋兩種情況進(jìn)行對比，結(jié)合污泥的調(diào)質(zhì)分析懸浮液黏度、顆粒的粒徑分布及離心機(jī)中螺旋對分離效率的影響。

3.4.1 懸浮液黏度對脫水特性的影響

懸浮液的黏度主要取決于液相的黏度和懸浮液的濃度，通過理論分析和單相流場模擬可知，黏度對離心機(jī)分離效率有影響。現(xiàn)選取本課題組污泥調(diào)質(zhì)特性研究測得的污泥黏度作為模擬數(shù)據(jù)，分析調(diào)質(zhì)技術(shù)對污泥脫水效率的影響。

從結(jié)果可以看出，在無螺旋情況下，隨著黏度的增大，離心機(jī)分離效率略有降低，由于黏度變化值較小，所以分離效率的變化幅度不是很明顯。相同黏度下，分離效率隨著長徑比的增大而增大，說明大長徑比有利于固液分離，上述結(jié)果與單相流場的模擬結(jié)果以及理論分析結(jié)果相符合。而在有螺旋情況下，隨著黏度的增大離心機(jī)分離效率有增有減，這是由于黏度的變化幅度不大，而且在螺旋的作用下流場內(nèi)湍流變化明顯，與層流理論不相符合。但在相同黏度下，分離效率隨長徑比增大而增大，說明即使在有螺旋的情況下，大長徑比離心機(jī)也利于固液分離。有螺旋與無螺旋這兩種情況相比，由于螺旋的推進(jìn)作用有促使顆粒向離心機(jī)圓錐段運(yùn)動，其次螺旋還可阻擋部分回流的固體顆粒，因此離心機(jī)中的螺旋設(shè)計(jì)促進(jìn)了固液兩相的有效分離。

3.4.2 粒徑分布對脫水效果的影響

粒徑分布是影響固液分離的重要因素之一，相同體積分?jǐn)?shù)下不同粒徑分布的污泥其脫水效率也有所不同。為了研究固液分離時(shí)的較佳粒徑分布及離心機(jī)中螺旋對分離效率的影響，指導(dǎo)污泥的調(diào)質(zhì)改性方向，采用DPM模型、滑移網(wǎng)格對不同粒徑下固體顆粒的運(yùn)動過程進(jìn)行模擬仿真，從長徑比為4.0、入口速度為0.5m/s時(shí)各轉(zhuǎn)速條件下顆粒的分離效率出發(fā)，對于懸浮液中不同的固相粒度分布得出不同的分離效率。

從結(jié)果可以看出，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加，分離效率隨之增大，而懸浮液中顆粒粒徑越大，其分離效率越高，反之越低。這是由于轉(zhuǎn)速越大、顆粒粒徑越大，顆粒所受離心力越大，越有利于固液分離。根據(jù)粒徑分布來選擇合適的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速并選用有螺旋設(shè)計(jì)的機(jī)型，在降低離心機(jī)能耗的同時(shí)，也能保持臥螺離心機(jī)分離效率維持在較合理的水平。

4 結(jié)論

本文采用流體力學(xué)軟件FLUENT，將離心機(jī)三大基本方程與CFD仿真軟件有效結(jié)合，分析了理論和試驗(yàn)中尚難以處理的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的臥螺離心機(jī)旋轉(zhuǎn)流場。研究了流場速度和壓力分布的變化規(guī)律，并有針對性地得到了部分操作參數(shù)對分離場的影響規(guī)律。

（1）在單相無螺旋流場中，隨著長徑比的增大，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁處壓力值先變小后增大，因此就本研究的研究范圍來看，大長徑比有利于固液分離，但過大會使阻力損失顯著升高，長徑比為3.5為較佳選擇。

（2）黏度的增加不利于離心機(jī)分離效率提高，在本文考察范圍內(nèi)由于污泥黏度較低且變化不大對分離效果總體影響不大。相同黏度下，分離效率隨長徑比增大而增大，說明大長徑比利于固液分離。

（3）離心機(jī)中螺旋的設(shè)計(jì)使得流場內(nèi)層流理論發(fā)生變化，模擬結(jié)果表明離心機(jī)的螺旋設(shè)計(jì)使分離效率明顯優(yōu)于無螺旋情況，因此螺旋的存在有利于固液分離。