臥螺離心機是一種通過轉鼓與螺旋輸送器進行同軸差速轉動、使物料完成固液分離的離心分離設備。由于具有可連續運行、處理量大、適用范圍廣、節能和生產現場環境好等優勢，臥螺離心機在很多行業中得到應用。臥螺離心機結構參數是影響臥螺離心機分離性能的重要因素之一。在操作參數與物性參數不變的情況下，如何通過改變臥螺離心機結構參數來提高出渣含固率與固相回收率一直是國內外學者的研究重點。

現有關于臥螺離心機結構參數的研究主要是通過調節轉鼓或螺旋輸送器結構參數改進臥螺離心機分離性能。代朝輝研究了轉鼓結構對臥螺離心機分離效率的影響；荊寶德等探究了轉鼓錐角結構對用于處理建筑水泥的大直徑臥螺離心機分離性能的影響，提出了一種雙錐角結構；邱發華等討論了進口入射角對內部流場的影響并選取了較佳進口入射角度；PEETERS等研究了液池深度對臥螺離心機分離性能的影響。

臥螺離心機的螺旋起到輸送沉渣與擠壓脫水的作用，螺旋結構參數關系到臥螺離心機分離性能的好壞，是臥螺離心機核心部件。目前關于臥螺離心機螺旋結構的研究主要以改善清液回流為目的，提出了一些新型螺旋結構。一些國內學者與工程技術人員為使清液快速流出，依據傳統的活塞式流動理論提出了鏤空式螺旋；為縮短清液回流路程，孫啟才等提出間斷式螺旋結構。本文針對文獻中提到的新型螺旋結構進行流場數值模擬研究。

1 計算模型與網格劃分

根據某廠家提供的LW-250型臥螺離心機結構數據為基礎，在不影響模擬結果的前提下對轉鼓小端的排渣機構做出適當簡化后建立模型。采用Solidworks軟件建立LW-250型臥螺離心機結構三維模型。建模結果如下：

 鏤空式螺旋結構提出的依據是傳統的活塞式流動理論（∑理論），該理論認為液體在轉鼓內的流動是活塞狀的。按照這個假設采用鏤空式的螺旋結構可使分離出的清液迅速流出，增加臥螺離心機的處理能力。

間斷式螺旋的設計目的是為了使分離后得到的清液沿較短流程流出，轉鼓沉降區的螺旋葉片采用了若干對錯式結構，每段結構的軸向長度Sd由該段螺旋的旋轉角度φd確定。本研究中分別將φd取值為1.5π，2π，2.5π和3π，即螺旋葉片每旋轉對應角度就設置一處斷開式結構，斷開間距取5mm。

研究使用Solidworks建立模型并導入ICEM中進行網格劃分。考慮到螺旋輸送器部分模型復雜的原因，網格采取分區建立的方法生成，轉鼓結構建立結構化網格，螺旋輸送器部分建立非結構化網格。

2 湍流模型與邊界條件

2.1 湍流模型與多相流模型

董連東等分析了現有湍流模型在臥螺離心機流場模擬中的準確性，發現在較高轉速下雷諾應力模型的數值模擬結果較接近實際情況。由于臥螺離心機內部流場流動復雜且存在高速旋流，因此在研究中使用雷諾應力模型。

在臥螺離心機脫水的實際應用中，轉鼓內物料的濃度變化范圍較大且變化速度較快，因此采用多相流模型進行數值模擬。由于Mixture模型中包含體積分數方程與滑移速度方程，能夠對臥螺離心機轉鼓內物料分離過程進行更好地描述，因此在研究中采用Mixture模型。

2.2 邊界條件與求解方法

模擬中進料管入口采用速度入口邊界，由處理量計算入口速度V0=1.2m/s，垂直于進料口進料，出口采用Outflow邊界，所有壁面都采用無滑移邊界和默認粗糙度。

模擬中固相顆粒設置為滑石粉。由Malvern激光粒度儀對實驗室現有滑石粉物料進行粒度測試，測得顆粒中徑為28.7μm，體積平均粒徑為32.6μm，取其平均值30μm作為模擬顆粒粒徑，入口固相體積分數設為30%。研究結果表明，盡管顆粒粒徑不同，但轉鼓內沉渣含濕量沿軸向呈現相同的變化規律，固相回收率也隨著顆粒粒徑的增大而增大。因此采取單一粒徑進行數值模擬的結果仍然可以為其他粒徑分離結果提供參考。模擬采用多重參考系模擬同軸差速轉動，轉鼓轉速為2520r/min，與螺旋輸送器之間的差轉速為20r/min。

文章中的求解方法采用分離、隱式算法。采用SIMPLE算法耦合壓力與速度模型，壓力離散格式采用PRESTO，其余則采用精度較高的QUICK格式。

3 計算結果與分析

為評價臥螺離心機的分離性能，引入出渣含固率W、固相回收率E與含濕率F作為評價指標。根據螺旋輸送器設計理論，螺旋葉片的主要作用是對沉渣進行進一步的擠壓脫水與輸送沉渣，同時螺旋葉片也為轉鼓內液體與顆粒的流動提供穩定的旋流邊界。螺旋葉片的形式對轉鼓內沉渣的分離與輸送都有著重要的影響，此時幾種螺旋對分離的影響可分析如下。

3.1 常規螺旋臥螺離心機的流場

常規螺旋臥螺離心機由于螺旋葉片的存在，沉降至轉鼓壁面的沉渣都被螺旋葉片輸送至轉鼓錐段進行進一步的擠壓脫水，因此沉渣在轉鼓內的堆積高度與濃度都隨著錐段直徑的縮小而增大。在轉鼓沉降區，沉渣在單個螺旋導程內都呈現弧形凸起狀的分布。同時，轉鼓內分離完成的清液會沿沉渣內側的螺旋通道回流至轉鼓大端，而后從溢流口排出。轉鼓內固相與液相的變化規律與波爾茨利用偏振光法測定各項變化規律相同。

在轉鼓沉降區脫水速度極快，沉渣內的大部分水分在很短的軸向距離內就被脫去。沉渣進入過渡區時含濕量已經處在較低的水平，脫水速度比較緩慢。此時含濕量的迅速穩定可以代表沉渣的脫水過程在過渡區就已經基本完成。轉鼓內沉渣含濕量的變化規律與波爾茨用放射性同位素標記的測量結果以及工業應用中的實際情況基本一致。

3.2 鏤空式螺旋臥螺離心機的流場

對鏤空式螺旋來說，由于柱段螺旋鏤空的原因，轉鼓柱段已經不存在傳統的螺旋型流道結構。鏤空式螺旋流場內的軸向速度在轉鼓橫、縱截面均有規律可循，鏤空區域交替分布著不連續的、軸向速度相反的兩種旋流。此時，轉鼓柱段的旋流可分為3層，外側沉渣所在區域的旋流、中部剩余螺旋所維持的旋流以及內側鏤空區產生的交錯旋流。

然而由于活塞式流動理論過于粗糙，與實際的流動情況差別很大，特別是對于柱-錐型轉鼓結構，離心機內的流動應存在多個速度分量，清液的排出并不是完全軸向的。在目前更被認可的層流流動理論的假設條件下，鏤空螺旋產生的實際作用應有不同。由于轉鼓柱段沉降區的流場已經遭到破壞，顆粒雖能沉降但無法順利輸運，只能堆積在轉鼓兩端，轉鼓中心則堆積大量清液，葉片去除高度越高，清液堆積越多，此時，雖然轉鼓錐段的螺旋仍起作用，但影響相當有限，分離效果并不理想。不僅如此，鏤空式結構還會導致葉片剛性下降，因此在實際中使用不多。

3.3 間斷式螺旋臥螺離心機的流場

采用間斷式螺旋時，轉鼓內的軸向速度分布比較合理，但在間斷處也會產生局部擾動。由于擾動具有局限性，可以發現改變間隔距離不會對轉鼓內的固相分布產生很大影響。轉鼓錐段采用了傳統螺旋，因此軸向速度變化不大。

采用幾種不同螺旋結構可以發現，采用鏤空式螺旋的臥螺離心機分離性能較差，固相回收率與出渣含固率均低于常規螺旋；間斷式螺旋與常規螺旋分離效果相差不大，同時考慮到間斷式螺旋制造麻煩，且強度較低，因此在設計中應當慎重采用。

4 結論

采用Mixture多相流模型、雷諾應力湍流模型對臥螺離心機應用中的常規螺旋、鏤空式螺旋和間斷式螺旋進行三維數值模擬，分析了不同螺旋葉片結構對臥螺離心機內部流場分布特性與分離性能的影響，得出如下結論：

（1）使用常規螺旋時，臥螺離心機內沉渣在螺旋輸送器的作用下輸送至轉鼓小端由排渣口排出，清液回流至轉鼓大端由溢流口排出，沉渣在轉鼓內的堆積高度與濃度都隨著錐段直徑的縮小而增大，沉渣在沉降區脫水速度極快，進入過渡區后脫水速度下降至穩定狀態，脫水過程基本完成。

（2）使用鏤空式螺旋時，鏤空區域形成了交替分布且軸向速度相反的流動狀態，固相向轉鼓兩段堆積而清液向轉鼓中段流動，由于活塞流動理論這一假設并不符合實際流動狀態，鏤空螺旋并沒有達到提升分離性能的目的，分離性能下降。

（3）使用間斷式螺旋時，轉鼓內軸向速度分布比較合理，僅在螺旋間斷處產生局部擾動，改變間隔距離對轉鼓固相體積分數分布影響較小，與常規螺旋的分離性能相差不大，但制造麻煩，強度較低，不建議選用。