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(lái)實(shí)現(xiàn)固體與液體的分離。在離心脫水過(guò)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(huì)對(duì)脫水效果造成影響^[1-3]。由于離心分離過(guò)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^[4]。對(duì)于物料性質(zhì)來(lái)說(shuō)，污泥的調(diào)質(zhì)將會(huì)對(duì)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(guò)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(chǎng)、電滲透、生物絮凝等^[5-7]。
 
為進(jìn)一步提高脫水效果，降低污泥的含水量，G內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究^[8-9] 。
GRACE^[10]提出了離心機(jī)分離場(chǎng)中的回流現(xiàn)象，文獻(xiàn)[11]提出了 Taylo-Proudman 效應(yīng)，LAUDER 等^[12]
 
檢驗(yàn)了同一型號(hào)離心機(jī)有螺旋和沒(méi)有螺旋的主要區(qū)別，BATCHELOR^[13]比較詳盡地建立了臥螺離心機(jī)離心分離場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方程。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(zhǎng)停留時(shí)間三個(gè)方面來(lái)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(duì)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(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)
 
(Computational fluid dynamics，CFD)的發(fā)展為臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的研究開辟了新的方向。德G學(xué)者
SCHMIDT 等^[14]應(yīng)用CFD 軟件考察了微米級(jí)離心分
 
離過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)離心機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律。FEMNÁNDEZ 等^[15-16]應(yīng)用 CFD 軟件模擬了
 
工業(yè)廢水在轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)中的流動(dòng)情況，模擬結(jié)果顯示軸向移動(dòng)的流體在氣液邊界面存在一個(gè)邊界層，還進(jìn)一步模擬了氣-液-固多相流在轉(zhuǎn)鼓式離心機(jī)中的流場(chǎng)，研究了內(nèi)置徑向折流板對(duì)多相流流動(dòng)的影響。
 
我G化工和機(jī)械*域內(nèi)的學(xué)者已利用 CFD 軟件模擬了離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部流速與壓力場(chǎng)的變化。黃志新等^[17]對(duì)沉降離心機(jī)圓形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體速度進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)自由液面周向速率滯后隨流
 
量和液池深度增大而增大，其軸向速率受流量、液池深度和轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的共同影響。鄭勝飛等^[18-19]采用
 
CFD 軟件以兩種不同的懸浮液作為試驗(yàn)物料模擬了離心機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)，分析了影響離心機(jī)分離的因素。于萍等^[20]對(duì)臥螺離心機(jī)離心場(chǎng)中固體顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真模擬，獲得了轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度對(duì)分離效率的影響規(guī)律。
 
本研究結(jié)合污泥調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)臥螺離心機(jī)進(jìn)行 CFD 模擬，旨在研究臥螺離心機(jī)的長(zhǎng)徑比、螺旋及污泥黏度對(duì)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 D=420 mm，圓錐段長(zhǎng)度 L=325 mm，錐角
 
θ=8°，液層深度h=45 mm，進(jìn)料管外直徑D0=60 mm，進(jìn)料管長(zhǎng)度 L0=1 200 mm。
 
目前 Gambit 尚無(wú)法直接建立對(duì)應(yīng)的幾何模型，因此在模擬中shou先將各部分簡(jiǎn)化，即不考慮螺旋的作用建立三維模型，然后讀入 Gambit 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用 T-Grid 方法創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖 1 所示，其中圖 1a 為所建模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖 1b 所建流場(chǎng)整體網(wǎng)格劃，圖 1c 為 y=0 mm 處剖面的網(wǎng)格劃分。
 
考慮螺旋的情況下，先通過(guò) 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 1 015 kg/m³，液體黏度為 1.003×10^–3 Pa·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 0.5 m/s，入口湍流強(qiáng)度按經(jīng)驗(yàn)公式 I = u ¢/ u = 0.16(Re_DH )^{1/ 8} 來(lái)估算，u'為湍流脈
動(dòng)速度的方均根，u 為平均速度，ReD_H  為按水力直
 
徑計(jì)算得到的雷諾數(shù)，水力直徑為入口管徑。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(wú)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(dòng)角速度設(shè)為 30～50 rad/s，轉(zhuǎn)差設(shè)置為
 
2～5 rad/s。
 
應(yīng)用控制容積積分法離散控制方程組，各方程對(duì)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(chǎng)為較為復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)占優(yōu)流動(dòng)，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(dòng)過(guò)程時(shí)選取 DPM 模型，考慮螺旋輸送器時(shí)選取滑移模型^[21]。
 
3 結(jié)果與分析
 
3.1 整體流場(chǎng)
 
選取離心機(jī)長(zhǎng)徑比為4、轉(zhuǎn)鼓角速度為50 rad/s，
 



明增加液環(huán)層的厚度靜壓力值會(huì)顯著增大。當(dāng)長(zhǎng)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(zhǎng)徑比的增大而減小，說(shuō)明此時(shí)增大長(zhǎng)徑比可以減小阻力損失。但是進(jìn)一步增大長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)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(zhǎng)徑比的增大而迅速增大，說(shuō)明此時(shí)增大長(zhǎng)徑比將增加阻力損失。從圖 4b 中截面平均壓力沿軸向的分布可以看出，同一長(zhǎng)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(zhǎng)徑比的變化較大，隨長(zhǎng)徑比壓力的變化與徑向分布規(guī)律類似。
3.2.2 長(zhǎng)徑比對(duì)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(dòng)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(guò)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(guò)大又會(huì)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(dòng)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(dòng)帶動(dòng)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^[17]。根據(jù)分離液基本運(yùn)動(dòng)方程和邊界條件總結(jié)出液層任意位置處角速度與半徑的關(guān)系式為

	w = w	é	æ	w¢ ö k -2				-1ù
		ê1	- ç 1-	w		÷	0	ú
	0	ê	è		0	ø	k -2	-1ú
		ë						û
式中 k0	——液面任意處的湍動(dòng)能；
k	——轉(zhuǎn)鼓一定轉(zhuǎn)速時(shí)的**大湍動(dòng)能；
ω′	——自由液面處角速度；
ω0	——轉(zhuǎn)鼓角速度。

 
在液層深度為30 mm、轉(zhuǎn)鼓角速度ω0=50 rad/s、入口速度為 0.5 m/s 的情況下 ω/ω0 的模擬值與計(jì)算值進(jìn)行比較，如表 1 所示。
 
表 1  模擬值與計(jì)算值的比較
 

長(zhǎng)徑比	模擬值	計(jì)算值	相對(duì)誤差(%)
2.5	0.630 9	0.567 3	11.21
3.0	0.631 1	0.567 3	11.25
3.5	0.630 1	0.567 3	11.07
4.0	0.630 4	0.567 3	11.12

 
從表 1 中可以看出，無(wú)論是模擬結(jié)果還是計(jì)算值都表明在液層深度、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和入口流速不變的情況下，長(zhǎng)徑比變化對(duì)切向速度影響不大，說(shuō)明長(zhǎng)徑比對(duì)切向速度滯后系數(shù)的影響不明顯。然而，長(zhǎng)徑比增大會(huì)使分離空間增大，從而促進(jìn)固-液分離，
 
因此增大長(zhǎng)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(zhǎng)徑比會(huì)使阻力損失顯著升高，因此選擇長(zhǎng)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(duì)臥螺離心機(jī)流場(chǎng)的影響
 
3.3.1 黏度對(duì)壓力分布的影響
 
黏度變化對(duì)流場(chǎng)靜壓分布的影響如圖 5 所示。在黏度分別為 1.003 mPa·s、1.143 mPa·s、1.243 mPa·s、1.423 mPa·s、1.563 mPa·s，z=500 mm
且長(zhǎng)徑比為 3.5 的條件下，靜壓力沿半徑方向的分布圖。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 5  不同黏度下靜壓力的徑向分布
 
由圖 5 可知，黏度升高對(duì)自由液面附近的靜壓力基本沒(méi)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(duì)阻力損失的影響不大。
3.3.2 黏度對(duì)切向速度分布的影響
 
因切向速度是影響分離效果的重要因素，研究不同黏度對(duì)切向速度的影響是必要的。圖 6 給出了長(zhǎng)徑比為 3.5，徑向坐標(biāo)為 190 mm 處黏度分別為
 
1.003 mPa·s、1.143 mPa·s、1.243 mPa·s、1.423 mPa·s、1.563 mPa·s 以及 2 mPa·s 的情況下切向速度沿徑向的分布情況。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 6  不同黏度下切向速度沿徑向分布圖
 
由圖 6 可以看出，在黏度變化相對(duì)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(duì)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(duì)于分離過(guò)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(duì)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(duì)有螺旋和無(wú)螺旋兩種情況進(jìn)行對(duì)比下，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(duì)分離效率的影響。
3.4.1 懸浮液黏度對(duì)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(guò)理論分析和單相流場(chǎng)模擬可知，黏度對(duì)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(cè)得的污泥黏度作為模擬數(shù)據(jù)，分析調(diào)質(zhì)技術(shù)對(duì)污泥脫水效率的影響，不同微波條件處理后的污泥黏度如表 2 所示，經(jīng)過(guò)微波調(diào)質(zhì)后污泥的黏度發(fā)生變化。
 
表 2  微波調(diào)質(zhì)后的污泥黏度
 

	微波溫度/℃	黏度/(mPa·s)
	20	12.880
	50	13.982
	60	14.836
	70	11.270
	80	12.938

 
研究中通過(guò) DPM 模型、對(duì)不同長(zhǎng)徑比下轉(zhuǎn)鼓角速度為 50 rad/s、入口速度為 0.5 m/s 時(shí)臥螺離心機(jī)內(nèi)的固-液分離過(guò)程進(jìn)行模擬，模擬得到的不同工況下的分離效率如表 3 所示。

		表 3			不同長(zhǎng)徑比下黏度對(duì)分離效率的影響							%
黏度/(mPa·s)	長(zhǎng)徑比為 2.5				長(zhǎng)徑比為 3.0			長(zhǎng)徑比為 3.5			長(zhǎng)徑比為 4.0
	無(wú)螺旋	有螺旋			無(wú)螺旋	有螺旋		無(wú)螺旋	有螺旋		無(wú)螺旋	有螺旋
11.270	83.33	89.63			86.44	91.04	90.14		93.41	94.91		96.45
14.836	83.23	89.23			86.35	90.13	90.07		93.78	94.87		96.27

由表 3 可以看出，在無(wú)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(zhǎng)徑比的增大而增大，說(shuō)明大長(zhǎng)徑比有利于固-液分離，上述結(jié)果與單相流場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)徑比增大而增大，說(shuō)明即使在有螺旋的情況下大長(zhǎng)徑比離心機(jī)也利于固-液分離。有螺旋與無(wú)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(dòng)，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(duì)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**佳粒徑分布及離心機(jī)中螺旋對(duì)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(duì)不同粒徑下固體顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，從長(zhǎng)徑比為4.0、入口速度為 0.5 m/s 時(shí)各轉(zhuǎn)速條件下顆粒的分離效率出發(fā)，對(duì)于懸浮液中不同的固相粒度分布得出不同的分離效率。圖 7a 是無(wú)螺旋時(shí)粒徑為 80 μm
 
的顆粒的運(yùn)動(dòng)跡線圖，圖 7b 是有螺旋時(shí)顆粒運(yùn)動(dòng)跡線圖。圖 7a 中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡明顯比圖 7b 中稀疏，且顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡并非為規(guī)則的螺旋運(yùn)動(dòng)，不利于固-液的分離，而圖 7b 中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡密集及運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)且大部分做螺旋運(yùn)動(dòng)，可知圖 7b 中顆粒在離心機(jī)中的停留時(shí)間足夠長(zhǎng)且做螺旋運(yùn)動(dòng)，這都有利于固-液的分離。

 
 
 
 
 
 
 
(b) 有螺旋時(shí)顆粒
 
圖 7  顆粒運(yùn)動(dòng)跡線圖
 
表 4 是轉(zhuǎn)鼓各轉(zhuǎn)速條件下不同粒徑物料的分離效率。表 4 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。 設(shè)計(jì)的機(jī)型，在降低離心機(jī)能耗的同時(shí)，也能保持根據(jù)粒徑分布來(lái)選擇合適的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速并選用有螺旋 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(chǎng)。研究了流場(chǎng)速度和壓力分布的變化規(guī)律，并有針對(duì)性地得到了部分操作參數(shù)對(duì)分離場(chǎng)的影響規(guī)律。
 
(1) 在單相無(wú)螺旋流場(chǎng)中，隨著長(zhǎng)徑比的增大，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁處**大壓力值先變小后增大，因此就本研
 
究的研究范圍來(lái)看，大長(zhǎng)徑比有利于固-液分離，但過(guò)大會(huì)使阻力損失顯著升高，長(zhǎng)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(duì)分離效果總體影響不大。相同黏度下，分離效率隨長(zhǎng)徑比增大而增大，說(shuō)明大長(zhǎng)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(chǎng)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(wú)螺旋情況，因此螺旋的存在有利于固-液分離。