碟式離心機具有處理量大、分離精度高等優點，被廣泛應用于石油化工、醫藥、藥學及食品等行業的分離及澄清等工藝中。碟式離心機雖然已經有很多年的發展歷史，但是近些年國內外對碟式離心機的研究報道不多，可見報道中大部分是關于轉鼓的應力分析與動平衡方面的研究，及一些分離性能數據的測試。碟式離心機是一種典型的流體機械，流體的流動規律對其分離性能及運行有重大的影響，可是由于內部碟片的高速運行導致內部流場很難直接測試，因此數值模擬就成了研究碟式離心機內部流場的重要手段。現有研究報道中有關流場動力學分析的內容主要體現在流體和固相粒子的受力、速度場、流場壓力降以及采用的數學模型等方面。這些對流場的分析研究都基于直線型筋條徑向排列、周向均布且關于中性孔對稱分布，較少考慮筋條在周向上對流場的影響，存在一定的局限性。然而筋條作為碟式離心機的碟片上的重要結構，設計參數的變化將會直接影響到碟片間薄層流場的分布，從而決定了整個碟式離心機的分離效率的高低。

本工作通過對徑向排列、周向均布且關于中性孔對稱的傳統直線型筋條（簡稱直均筋條）的流場分析，了解物料在進入碟片間隙后的流向及分布規律，從而提出了對筋條的優化方案。

1 直均筋條碟片建模與數值模擬

1.1 建模與網格劃分

以DHC603-MK型碟式離心機為研究對象。模擬所采用的幾何模型為相鄰兩碟片之間的流場區域，采用Gambit前處理軟件進行等比建模。對流場區域進行結構化網格劃分，網格總數為102232。

1.2 模擬方法

因為碟式離心機流場具有強旋流、高速旋轉的特點，所以選用Eulerian多相流模型和RNG k-e湍流模型。Eulerian多相流模型可模擬多相的流動及相間的相互作用。這種模型的特點是各相共享單一的壓力場，對每一相都求解動量和連續性方程，粒子相可以根據顆粒動力學理論計算顆粒擬溫度、粒子相剪切和體積黏性、摩擦黏性；所有的k-e湍流模型都是有效的，可以用于所有各相或混合物。RNG k-e模型是對瞬時的Navier-Stokes方程用重整化群的數學方法推導出來的模型。模型中的常數與標準k-e模型不同，同時增加了一些修正參數，這些參數使得RNG k-e模型相比于標準k-e模型對瞬變流和流線彎曲的影響能做出更好的反映。可以計算低雷諾湍流，考慮到旋轉效應，對強旋流計算精度也有出色的表現。

采用ANSYS Fluent19.0模擬軟件進行非穩態模擬計算。物料為2.5%（φ）的Ca(OH)₂乳濁液，設置水為主相，液相密度為1000kg/m3；均一粒度5μm的Ca(OH)₂為第二相，固相密度為2240kg/m3；模擬轉速范圍為7500～11000r/min；旋向為逆時針方向（俯視）。邊界條件設置：入口類型為velocity-inlet，速率0.1m/s；出口類型為pressure-outlet，初始壓力0.13MPa；Cell Zone Condition為Frame Motion；壁面為動壁面，轉速與流場區域轉速一致，摩擦值為0.5。動量方程、湍動能方程及湍流擴散率方程均采用對流項二次迎風差值格式進行離散。殘差值為10^-3，模擬時長設為6s，所用的步長和步數分別設為0.002s和3000步。

2 結果與討論

2.1 直均筋條的流場分析

2.1.1 壓力場

流場的壓力從轉鼓周邊到碟片小端輕相出口逐漸減小；同一徑向位置處壓力基本相等，這符合流場的壓力分布由周邊向中心遞減的規律。但值得注意的是，中性孔左右兩側壓力分布不均，靠近前側（與旋轉方向一致）筋條的壓力偏小，靠近后側筋條的壓力偏大。這是因為物料由中心孔進入碟片間隙，由于受物料的黏性影響，旋轉速度在中性孔與筋條之間形成了滯后區，發生在中性孔后側，這也是此區域壓力值較大的原因。當中性孔兩側的壓力相差較大時可能產生渦流。

2.1.2 速度場

物料由中性孔進入碟片間隙后產生順時針渦流，首先朝著與轉速相反的方向（左側）運動，然后順時針旋轉到中心孔右側，這個渦流的中心與中性孔不重合，位置在中性孔的左上方。在運動過程中，從碟片間隙進入中性孔的流體只有少部分直接流向轉鼓沉渣腔，大部分流體向碟片小端流動，隨著渦流從中性孔右側向下運動并從碟片大端排出。

2.1.3 濃度場

在每一扇形區內（兩筋條之間的區域），固相在中性孔與前側（與旋向同向為前側）筋條之間濃度較高，輕相出口附近流體含固相較少。造成中性孔與前側筋條間固相濃度高的原因是大部分流體及顆粒在該處產生渦流。固相在碟片的下表面受到流體Magnus力和Saffman力明顯，這將導致已分離固相重新被帶到碟片輕相出口，不利于固相的分離。由于流體在中性孔上方產生順時針渦流的作用，中性孔與前側筋條之間為主要分離區，可以通過調整筋條結構來優化這個主要分離區的面積實現提高分離效率的目的。

2.2 實驗測試

為了驗證模擬方法的準確性以及結構優化的正確性，在實驗室對帶有直均筋條碟片的碟式離心機進行了分離性能實驗。Ca(OH)₂漿液存放在儲液罐中，經過進料泵進入碟式離心機，經離心分離后，澄清液由轉鼓上端的輕相出口排出。沉渣則堆積在離心機轉鼓壁面，時間達到排渣周期后，通過間歇排渣口排出。

分離效率的實驗值與模擬值都隨著轉速的增大而增加，且增幅隨著轉速的增大逐漸減小。模擬值與實驗值結果相差3.2%，說明數值模擬計算方法具有較高的準確性。

2.3 筋條的優化

兩個筋條間碟片下表面區域的流場會出現渦流，由此導致了流體將帶動沉渣順時針渦流流動，并從中性孔右側排到轉鼓區域，因此在中性孔右側向下流動的區域就成了有效沉降區域。因此，可從兩個方面入手來提高顆粒的沉降和分離效率：

（1）增大渦流右側分離區域，增加有效沉降面積，可通過筋條整體順時針旋轉（俯視）一定角度的方法來實現。

（2）在渦流左側改變流體的速度方向，通過筋條向右傾斜一定角度的方式阻擋流體徑向運動，促使其旋轉到渦流右側，有利于分離。

根據多次數值模擬計算確定了優化的筋條結構，在中性孔中心的平面上，筋條與前側中性孔夾角為14°，筋條右側偏角為15°。該筋條呈斜線狀，簡稱斜筋條。

數值模擬方法和邊界條件設置同前，斜筋條碟片中物料在進入中性孔之后擴散得更快，固體顆粒的沉降面積也更大，固相濃集區域明顯從中性孔的前側上方下移到中性孔的前側下方，這對于分離非常有利。

對同一種結構的碟片，數值模擬計算得到的分離效率略高于實驗值；數值模擬計算得到的分離效率略高于實驗值；數值模擬和實驗結果對比均顯示斜筋條碟片的分離效率高于直均筋條碟片的分離效率。從兩組實驗值來看，當轉速達到7500r/min時，斜筋條碟片分離效率達到82.2%左右，比直均筋條碟片分離效率提高6%。分離效率隨著轉速的增加逐漸提高，當轉速達到10000r/min后，分離效率的增幅變小。

由此可見，斜筋條對比傳統的直均筋條能增加固體顆粒有效沉降面積，進而達到提高分離效率的目的。

3 結論

（1）通過數值模擬發現每兩個筋條間的流域內中性孔兩側流體非對稱分布，在中性孔上方存在明顯渦流現象，固相高濃度區域集中在中性孔前側上方。

（2）基于直均筋條的流場特征優化了筋條結構和安裝位置，從數值模擬結果可以看出，斜筋條碟片間的固相高濃度區域下移到中性孔前側下方，更有利于分離。

（3）數值模擬和實驗結果均表明，斜筋條碟片與傳統直均筋條碟片相比能夠提高碟式離心機的分離效率。

（4）本工作優化結構是建立在Ca(OH)₂溶液分離工藝基礎上的，由于碟式離心機內流體流動規律受到結構參數、操作參數、物性參數的影響都很大，不同工況條件下的結構優化結構會有所不同，但優化手法仍然適用。