基于cfd的充填料漿攪拌流場仿真分析

基于cfd的充填料漿攪拌流場仿真分析

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攪拌桶進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究依據(jù)目前國內(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,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。國內(nèi)目前對攪拌桶內(nèi)流體的流動情況已進(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,料漿會對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全桶流體進(jìn)行運(yùn)動。如果攪拌桶參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,會對料漿的攪拌效果造成不利影響。為對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)生的流場為徑向流場。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,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,其動能傳遞要弱于牛頓流體,使得槳葉產(chǎn)生的動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,在帶動攪拌桶內(nèi)料漿流場循環(huán)時對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,攪拌桶內(nèi)剪切速率的分布總體上相對均勻,對料漿的剪切作用主要集中在傳動軸、攪拌葉片和擋板區(qū)域的大部分流動區(qū)域,僅有液面附近及攪拌桶底等少數(shù)區(qū)域相對較小,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)的動態(tài)平衡狀態(tài),從而使攪拌桶內(nèi)的流場分布更加均勻。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,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,從而導(dǎo)致在攪拌非牛頓料漿時混合效果不佳,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)動改為垂直翻轉(zhuǎn)運(yùn)動,同時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),對于不同型式的槳葉,擋板影響也不同,擋板系數(shù)對產(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,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處的流動速度有小幅增大,切向速度分布也更加均勻,說明擋板對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,從攪拌桶底部到液面,料漿流速呈先增大后減小的趨勢,槳葉附近料漿的流速最高,而當(dāng)液位高度≥0.2m時,料漿流速就幾乎趨近于零了,同時,擋板數(shù)量不同時,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,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,在下層槳葉位置附近料漿流速的有一個增幅,到上層槳葉位置時達(dá)到峰值,到液面附近位置急劇減小。總體而言,雙層槳葉在擋板數(shù)量不同時的速度分布較單層槳葉更均勻,且整體循環(huán)流動速度高。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)量的變化對攪拌效率的改善并不明顯。4攪拌流場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流體流動速度、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,單層槳葉攪拌時可配合使用擋板;雙層槳葉時擋板的促進(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,即由時間項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)組成。對于變量k,其輸運(yùn)