固液分离过滤器流场的数值模拟与分析

　　0 引言

　　固液分离技术广泛应用于各个行业,如选矿、造纸、医药卫生、环境保护、食品等.过滤是传统的固液分离技术中的一种,是借助粒状材料或多孔介质截除水中悬浮固体的过程.目前过滤器的种类繁多,过滤效率不同.本文所分析的是一种高精度的超声波反冲洗过滤器,其罐体是圆柱形,罐体内设有一层分隔板,上部是清液,下部是浊液,过滤元件是一组滤柱.本文采用计算流体动力学(简称CFD)对过滤单元即滤柱内的流场进行分析,因为理论研究不能让人直观的看到滤柱内流体流动状况,所以本文采用进行数值模拟,使研究结果可视、直观化,从而指导用户进行过滤器的优化设计.

　　1 分析模型建立

　　1.1 模型网格划分及边界条件

　　过滤器内部设有8根滤柱,划分网格时,为了减少网格数量并尽可能划分出规则网格,根据流场和几何形状的复杂程度,取流场情况比较复杂的一根靠近罐体出口的滤柱进行分析,又因为其滤柱是轴对称的,所以取一半进行研究,全部网格采用四边形单元,共划分3万网格,建立如图1所示的有限元模型.

　　1.2 假设条件

　　过滤器内流场复杂,在建模时需要作以下假设:1)假设流体作定常流动;2)整个流动过程为等温过程[1].

　　1.3 边界条件[2]

　　模型边界条件设置如下:流体进口速度(包括连续相和颗粒)为22 m/s,流体出口压力为大气压,颗粒流量为13 kg/s,粒径为0. 6~1mm,滤芯设置为多孔介质,渗透率为2X109m2.粒子到达滤芯后静止,停止轨道计算.

　　1.4 物理模型

　　入口处水中颗粒的含量为小于等于100mg/L,远远小于体积含量的10%,故选择拉格朗日离散相模型.连续相与离散相之间采用耦合计算,当颗粒穿过每个FLUENT模型的控制体时,通过计算颗粒的动量变化和质量变化求解连续相传递给离散相的动量和质量值.连续相计算时采用标准k-E湍流方程(1)、(2)[3-4]:

　　其中,Gk是由于平均速度梯度引起的湍流能k的产生项;Gb是由于浮力引起的湍流能k的产生项;YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献,对于不可压流体,Gb=YM=0;C1E、C2E、C3E、Rk和RE为经验常数,C1E=1.44,C2E=1.92,C3E=0.09,Rk=1.0,RE=1.3;Q为流体密度;k为湍流脉动动能;E是湍流脉动动能的耗散率;u为流体相对速度;L为流体动力粘度.

　　离散相颗粒的轨迹通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解.颗粒在流场中的受力比较复杂,主要有粘性阻力、重力,Magnus力、Saffman力、Basset力、热泳力.

　　颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式(X方向)为:

　　式中,u是流体相速度;up是颗粒速度;L为流体动力粘度;Q为流体密度;Qp为颗粒密度;dp为颗粒直径;Re为相对雷诺数(颗粒雷诺数),其定义为: