基于cfd的充填料浆搅拌流场仿真分析

基于cfd的充填料浆搅拌流场仿真分析

填液泵的搅拌是矿山填充工艺的重要组成部分。机械搅拌装置中填充液的搅拌效果对管道的良好传输和保证填充体的填充强度非常重要。搅拌桶的混合效果主要受局部流场的影响,而搅拌桨作为搅拌设备内重要部件,其性能直接影响到搅拌效率笔者采用多重参考系法对搅拌桶进行数值模拟研究。研究依据目前国内金属矿山常规的充填搅拌工艺,并结合全尾砂高浓度充填的趋势,以全尾砂高浓度充填料浆为搅拌介质。该料浆为非牛顿流体,基于COMSOL模拟软件,对比分析单层叶片式搅拌桨和双层叶片式搅拌桨在不同数量挡板情况下,料浆在搅拌桶内的流场模拟情况,以期为全尾砂高浓度料浆高效活化搅拌参数的确定提供一定参考。1模拟内容1.1搅拌桶、搅拌网的尺寸依据目前国内金属矿山充填站使用较多的搅拌桶,等比例缩小之后得到模拟模型,搅拌桨采用三叶片式搅拌桨。搅拌桶的直径为0.5m,搅拌桶高度为0.5m,搅拌桨的直径为0.2m,叶片倾角为45°,传动轴直径为0.05m,挡板宽度为0.1m,高度为0.4m,挡板距搅拌桶顶底0.05m,搅拌转速为120r/min。国内目前对搅拌桶内流体的流动情况已进行了广泛的模拟研究和数值模拟研究1.2全尾砂搅拌桶的设计及对比全尾砂高浓度料浆的搅拌为非牛顿流体的搅拌混合。在搅拌混合过程中,料浆会对静止的搅拌桶壁面产生较大依附,并且其分子扩散速率比较小,仅仅依靠流体质点之间的相互作用力很难带动全桶流体进行运动。如果搅拌桶参数设计不合理,会对料浆的搅拌效果造成不利影响。为对比分析全尾砂高浓度料浆在不同结构搅拌桶内的搅拌过程,进行了模拟方案的设计。模拟方案如表1所列。2流量性质和控制方程2.1料浆流体的特性模拟根据前期的流变性质测试分析,全尾砂高浓度料浆为非牛顿流体,具有剪切变稀的特性。数值模拟加入了关于料浆密度、料浆屈服应力以及料浆塑性黏度的UDF。全尾砂高浓度充填料浆参数如表2所列。2.2控制方程式参考文献3结果和分析3.1搅拌流场分布单层桨叶和双层桨叶(挡板数量同为2片)搅拌桶内x=0处截面宏观速度场如图2所示。由图2可以看出,叶片式搅拌桨搅拌桶内产生的流场为径向流场。料浆经桨叶的高速剪切后呈射流状径向撞击桶壁,经筒体撞击上下回流,在桨叶两侧形成较明显的涡流,对于单层桨叶搅拌桶内的循环涡流只是在靠近桨叶附近较为明显,在液面附近的料浆几乎没有参与搅拌桶下部的涡流循环;当搅拌桨为双层桨叶时,在上、下两层搅拌桨附近分别形成了循环涡流,且相互抑制较小。单层桨叶搅拌桶整体速度分布极不均匀,桨区速率较大。由于料浆具有触变性及剪切变稀的特性,其动能传递要弱于牛顿流体,使得桨叶产生的动能向搅拌桶上部和桶壁方向迅速衰减。桨叶排出的流体尚未经过搅拌桶上部就在桨叶附近返回桨叶区,从而在桨叶区形成一个明显的高速区,而搅拌桶上部料浆回流速度较慢,导致在壁面处和上液面处形成搅拌死区;双层桨叶的料浆流动高速区相比于单层桨叶更广,搅拌桶整体速度分布也较均匀。原因是双层桨叶作用于料浆增加了剪切区域,在带动搅拌桶内料浆流场循环时对料浆的剪切作用增强。由模拟结果也可看出,在双层桨叶搅拌时,搅拌桶内剪切速率的分布总体上相对均匀,对料浆的剪切作用主要集中在传动轴、搅拌叶片和挡板区域的大部分流动区域,仅有液面附近及搅拌桶底等少数区域相对较小,充分的剪切作用使料浆更容易达到内部结构破坏与恢复的动态平衡状态,从而使搅拌桶内的流场分布更加均匀。搅拌桶内壁表面压力分布的特点为:最大表面压力值都出现在靠近桶底的桨叶正表面上,最小表面压力出现在靠近料浆液面挡板上。其原因是桨叶主要使料浆产生径向射流,受力主要集中在叶片上表面,同时,料浆的自重力与黏滞力共同作用使得其受到的压力更大,所对应的的阻力分别为压差阻力和黏性阻力。单层涡轮桨叶主要是产生径向射流,即只能使料浆在其附近径向来回碰撞形成循环涡流,在轴向上不存在压差,或者轴向的压差很小,不能发生轴向上的传输,使得料浆的输送作用仅局限于水平切向上,无法使流体产生明显的轴向运动,从而导致在搅拌非牛顿料浆时混合效果不佳,并且搅拌功率消耗较大;双层桨叶在一定程度上解决了轴向传输问题,可以明显改善搅拌效果。3.2搅拌流场分布目前认为挡板的作用主要是将液体的旋转运动改为垂直翻转运动,同时改善所施加功率的有效利用率。挡板的存在使搅拌桨叶排出的流体和挡板产生碰撞,限制了液体的切向速度,增加了轴向和径向速度分量,提高了料浆效率。标准挡板(通常采用垂直于桶壁且4块宽度为搅拌桶直径1/12~1/10的挡板)可以使搅拌桶功率饱和且消除旋涡。但标准挡板并非最优化结构,对于不同型式的桨叶,挡板影响也不同,挡板系数对产生径向流的涡轮桨影响较大。根据模拟数据,单层桨叶不同挡板数量时的最大内壁表面压力分别为p采用单层叶片式搅拌桨时,搅拌桶内料浆的搅拌效率较低。单层桨叶搅拌桶h=0.1m横截面切向速度云图如图3所示。由图3可知,随着挡板数量的增加,在h=0.1m处的流动速度有小幅增大,切向速度分布也更加均匀,说明挡板对于单层叶片式搅拌桨搅拌桶的搅拌效率有一定的促进作用。双层桨叶搅拌时不同数量挡板的横截面矢量速度云图差别不明显。在搅拌桶高度方向(z方向)取AB直线数据集,分析搅拌桶内料浆流速分布,A点坐标为(0,0.13,0),B点坐标为(0,0.13,0.5)。料浆在z方向的速度分布曲线如图4所示。由图4可知,单层桨叶时,从搅拌桶底部到液面,料浆流速呈先增大后减小的趋势,桨叶附近料浆的流速最高,而当液位高度≥0.2m时,料浆流速就几乎趋近于零了,同时,挡板数量不同时,料浆在搅拌桶内的流速分布基本一致,看出挡板数量的增加对单层叶片式搅拌桨的搅拌效果有所改善,但效果并不显著。双层桨叶时,从搅拌桶底部到液面,料浆流速同样呈先增大后减小的趋势,在下层桨叶位置附近料浆流速的有一个增幅,到上层桨叶位置时达到峰值,到液面附近位置急剧减小。总体而言,双层桨叶在挡板数量不同时的速度分布较单层桨叶更均匀,且整体循环流动速度高。双层桨叶搅拌低速区段(0.4~0.5m)明显小于单层桨叶低速区段(0.2~0.5m)。由此可以看出,双层桨叶的搅拌效率要优于单层桨叶,但挡板数量的变化对搅拌效率的改善并不明显。4搅拌流场模拟以全尾砂高浓度料浆为搅拌介质,通过COM-SOL模拟搅拌机搅拌过程,对比分析了不同结构搅拌机的搅拌效率,得到如下结论。(1)与单层叶片式搅拌桨相比,双层叶片式搅拌桨搅拌时流体流动速度、剪切速率分布、涡流大小、压力大小分布都更有利于料浆的充分搅拌,说明双层叶片式搅拌桨的搅拌效率要优于单层叶片式搅拌桨。(2)挡板的存在能在一定程度上降低叶片表面压力。(3)对于单层叶片式搅拌桨搅拌桶,挡板的存在有助于提高搅拌效率,单层桨叶搅拌时可配合使用挡板;双层桨叶时挡板的促进效果不显著。(1)连续方程式中:ρ为密度,kg/m(2)动量方程、能量方程及紊流方程采用统一的输运方程形式,即由时间项、对流项、扩散项和源项组成。对于变量k,其输运