第一章 绪论

1。1 研究背景和意义

水力旋流器是一种是利用两相介质或多相介质间的密度差以及液流在高速旋转 时产生的离心力，实现两相或者多相介质的分离的设备。水力旋流器最早出现在 1891 年美国人 E．BretIlev 申请的一篇专利中，随后被广泛应用于澄清、选矿、固液分离 等行业[1]。1980 年 M．T．Thew 针对油水分离发明的新型水力旋流器将水力旋流器 的应用拓展到液液分离的领域[1]。1980 年至 2000 年，英国 BHRA 流体工程中心先后 组织召开了六次水力旋流器国际学术研讨会,关于水力旋流器的最新研究成果得以交 流,由此将水力旋流器的研究推上了一个更高的层次[1]。

与其他传统的分离设备相比，水力旋流器结构简单紧凑，质量轻体积小，易于设 计和安装，且所需系统配件少维修费用低；同时，在工作过程中易于控制和调节，能 够满足较宽的工作范围。到目前为止，水力旋流器已经在各国国民经济的许多行业如 化工、冶金、建材、石油、环保、矿业、电力、卫生及粮食加工等得到了广泛的应用， 收到良好的经济效益。

水力旋流器经历了 100 多年的发展，表现出无运动部件、结构简单、操作方便、 适应范围广、分离效率高等诸多优点，但也有许多不足之处，如操作参数的不稳定对 分离性能的影响比较严重、分离效率无法满足精细处理的要求、所能处理的流量范围 不够理想、由于入口来料物理化学参数的不稳定导致磨损比较严重。为了获得更好的 分离效果，研究人员不断地通过实验的手段来优化其结构参数，进一步挖掘水力旋流 器的潜力。同时，使用计算流体力学（CFD）软件对水力旋流器的实际工况进行模拟， 分析流场特点，可达到预测分离性能，优化结构设计的目标。随着研究的深入，水力 旋流器会在更多行业得以应用。

采用传统的切向入口给矿方式的水力旋流器配置方便、结构简单，但物料进入旋 流器时突然发散产生紊流，沿程阻力损失较大，引起进料口磨损和工作状态不稳定。 为了解决这一问题，采用蜗壳式切向入口取代传统的切向入口，大大降低旋流器内部 流体的紊流，使流动更接近层流，具有增加处理量、提高分离效率、降低工作压力、 增加旋流器工作寿命和减少给矿能耗的效果。将这一改进应用于实际生产过程对于降

低能生产成本和提高生产效率有重要意义。 同时，随着计算流体力学的发展以及计算流体力学软件的逐步完善，利用计算流

体力学（CFD）软件 FLUENT 完成对蜗壳式切向入口旋流器的数值模拟，获得旋流 器内部流场相关变量的分布以及旋流器相关性能参数，相较于传统的实验研究方法， 有效地缩短了研究周期、降低了研究成本，对旋流器设计的改进和完善有重要意义。 1。2 国内外研究现状

进入 21 世纪以来，随着旋流器分离理论逐渐趋于稳定和科技水平的提高，水力 旋流器的研究逐渐趋于实用。综合目前国内外水力旋流器的研究现状可将其概括为以 下三个方面[1]。

1。2。1 结构参数的优化

通常所说的水力旋流器主要结构参数包括溢流管形式、入口形式、锥段长度和锥 角等。由于到目前为止对于水力旋流器的分离过程没有形成统一的数学模型，结构参 数与分离性能的关系只能定性地或者在特定的条件下使用。为了不断提高水力旋流器 的分离性能，相关研究人员不断地通过实验等方法来优化其结构参数，进一步挖掘水 力旋流器的潜力。

蒋明虎等[2]的研究表明对称切向双入口形式能够很好地保证流场的对称性，同时， 采用截面呈蜗线形的入口形式有利于使进入旋流腔的混合液迅速地形成稳定液流，从 而降低由于流场的不稳定而引起的能耗。