前言
 
臥螺沉降離心機作為一種高效的固液分離設備被廣泛地應用于石油、建筑、化工等行業，利用固液兩相的密度差及離心作用力來實現固體與液體的分離。在離心脫水過程中，臥螺離心機的結構參數、操作參數以及物料性質都會對脫水效果造成影響^[1-3]。由于離心分離過程的復雜性、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性，給理論和試驗研究造成了極大的困難^[4]。對于物料性質來說，污泥的調質將會對后續的脫水工藝 
與設備產生較大影響，是污泥濃縮和脫水重要的前處理過程，其方法主要包括化學法、加熱法、淘洗法、冷凍法和加骨粒法等，新型調質技術主要有超聲、微波、熱水解、磁場、電滲透、生物絮凝等^[5-7]。
 
為進一步提高脫水效果，降低污泥的含水量，G內外學者進行了大量的理論和試驗研究^[8-9] 。
GRACE^[10]提出了離心機分離場中的回流現象，文獻[11]提出了 Taylo-Proudman 效應，LAUDER 等^[12]
 
檢驗了同一型號離心機有螺旋和沒有螺旋的主要區別，BATCHELOR^[13]比較詳盡地建立了臥螺離心機離心分離場運動方程。大量理論和試驗研究結果表明，可以從提高分離因數、增加機械擠壓和延長停留時間三個方面來改善脫水性能。但試驗研究因不能任意改變離心機的結構尺寸，不能同時針對多個工藝參數進行，不能系統考慮調質技術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，計算機技術與計算流體動力學
 
(Computational fluid dynamics，CFD)的發展為臥螺離心機流場的研究開辟了新的方向。德G學者
SCHMIDT 等^[14]應用CFD 軟件考察了微米級離心分
 
離過程中結構參數的變化對離心機內部流場的影響規律。FEMNÁNDEZ 等^[15-16]應用 CFD 軟件模擬了
 
工業廢水在轉鼓式離心機中的流動情況，模擬結果顯示軸向移動的流體在氣液邊界面存在一個邊界層，還進一步模擬了氣-液-固多相流在轉鼓式離心機中的流場，研究了內置徑向折流板對多相流流動的影響。
 
我G化工和機械*域內的學者已利用 CFD 軟件模擬了離心機轉鼓內部流速與壓力場的變化。黃志新等^[17]對沉降離心機圓形轉鼓內流體速度進行了數值模擬，研究發現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、液池深度和轉鼓轉速的共同影響。鄭勝飛等^[18-19]采用
 
CFD 軟件以兩種不同的懸浮液作為試驗物料模擬了離心機的內部流場，分析了影響離心機分離的因素。于萍等^[20]對臥螺離心機離心場中固體顆粒的運動狀態進行了仿真模擬，獲得了轉鼓轉動的角速度對分離效率的影響規律。
 
本研究結合污泥調質技術對臥螺離心機進行 CFD 模擬，旨在研究臥螺離心機的長徑比、螺旋及污泥黏度對分離性能的影響，同時考察不同粒徑的物料在不同轉速下的分離效率。
 
2 數值模擬方法
 
2.1 幾何模型和網格劃分
 
臥螺離心機中轉鼓和螺旋輸送器以一定的轉差運轉，以實現懸浮液的分離和沉渣的排出。模擬所用臥螺離心機的主要尺寸如下所述：轉鼓圓柱段外直徑 D=420 mm，圓錐段長度 L=325 mm，錐角
 
θ=8°，液層深度h=45 mm，進料管外直徑D0=60 mm，進料管長度 L0=1 200 mm。
 
目前 Gambit 尚無法直接建立對應的幾何模型，因此在模擬中shou先將各部分簡化，即不考慮螺旋的作用建立三維模型，然后讀入 Gambit 進行網格劃分，采用 T-Grid 方法創建非結構化網格如圖 1 所示，其中圖 1a 為所建模型的結構簡圖，圖 1b 所建流場整體網格劃，圖 1c 為 y=0 mm 處剖面的網格劃分。
 
考慮螺旋的情況下，先通過 NX6.0 建立螺旋輸送器的模型，用螺旋輸送器切轉鼓實體即可得到液
 
流區域，然后將模型轉換為 CAD 圖形，讀入 Fluent 進行模擬計算。
2.2 邊界條件和求解策略
 
計算所用液體密度為 1 015 kg/m³，液體黏度為 1.003×10^–3 Pa·s。進料管入口設為速度入口邊界，指
 
定入口處的液流速度為 0.5 m/s，入口湍流強度按經驗公式 I = u ¢/ u = 0.16(Re_DH )^{1/ 8} 來估算，u'為湍流脈
動速度的方均根，u 為平均速度，ReD_H  為按水力直
 
徑計算得到的雷諾數，水力直徑為入口管徑。臥螺離心機出口為溢流出口，設定出口為 Outflow 邊界條件。轉鼓外壁設定為無滑移固壁邊界條件，自由液面處壁面設定為滑移切應力為 0，給定臥螺離心機轉鼓的轉動角速度設為 30～50 rad/s，轉差設置為
 
2～5 rad/s。
 
應用控制容積積分法離散控制方程組，各方程對流項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。臥螺離心機內部流場為較為復雜的旋轉占優流動，因此選取精度較高的 RSM 湍流模型封閉控制方程組。模擬固
 
體顆粒的運動過程時選取 DPM 模型，考慮螺旋輸送器時選取滑移模型^[21]。
 
3 結果與分析
 
3.1 整體流場
 
選取離心機長徑比為4、轉鼓角速度為50 rad/s，
 



明增加液環層的厚度靜壓力值會顯著增大。當長徑比從 2.5 增大到 3.5 時，同一徑向位置處的靜壓隨著長徑比的增大而減小，說明此時增大長徑比可以減小阻力損失。但是進一步增大長徑比，即長徑比由 3.5 增大到 4.0 時，同一徑向位置處的靜壓隨著長徑比的增大而迅速增大，說明此時增大長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徑比的變化較大，隨長徑比壓力的變化與徑向分布規律類似。
3.2.2 長徑比對切向速度分布的影響
 
臥螺離心機轉鼓內液流的流動方向可以分為軸向、切向和徑向三個方向，其中軸向速度和切向速度可以表征離心機分離過程的效果。軸向速度是表征臥螺離心機生產能力的一個物理參量，軸向流速越大，表示生產能力越強，但軸向速度過大又會導致脫水效果下降，致使沉渣含濕率上升。
 
臥螺離心機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動并產生分離，切向速度是分離液中固-液發生分離的關鍵，在研究臥螺離心機時一般采用旋轉角速度進行分析。轉鼓的轉動帶動液層一起旋轉，但液體的旋轉和轉鼓的旋轉并不一致，存在滯后現象^[17]。根據分離液基本運動方程和邊界條件總結出液層任意位置處角速度與半徑的關系式為

	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	——液面任意處的湍動能；
k	——轉鼓一定轉速時的**大湍動能；
ω′	——自由液面處角速度；
ω0	——轉鼓角速度。

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

長徑比	模擬值	計算值	相對誤差(%)
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，無論是模擬結果還是計算值都表明在液層深度、轉鼓轉速和入口流速不變的情況下，長徑比變化對切向速度影響不大，說明長徑比對切向速度滯后系數的影響不明顯。然而，長徑比增大會使分離空間增大，從而促進固-液分離，
 
因此增大長徑比有利于提高臥螺離心機的分離性能。與靜壓分布的研究相結合，繼續增大長徑比會使阻力損失顯著升高，因此選擇長徑比時應綜合考慮分離性能和阻力損失兩方面的因素。
3.3 黏度對臥螺離心機流場的影響
 
3.3.1 黏度對壓力分布的影響
 
黏度變化對流場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，黏度升高對自由液面附近的靜壓力基本沒有影響，在轉鼓近壁面附近靜壓力隨黏度的升高而有一定的升高，本文考察的范圍內黏度對阻力損失的影響不大。
3.3.2 黏度對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，研究不同黏度對切向速度的影響是必要的。圖 6 給出了長徑比為 3.5，徑向坐標為 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，在黏度變化相對較小時切向速度變化也較小，隨著黏度的增大切向速度逐漸降低，因此流體的黏度對切向速度有一定影響。當黏度大時切向速度相應較小，而較低的切向速度對于分離過程是不利的，因此降低流體黏度更有利于固-液分離。
3.4 污泥調質對脫水特性的影響
 
目前已有多種調質技術，使用調質技術如熱水解、超聲與微波等可以使污泥的特性如黏度與粒度等發生改變。下面將對有螺旋和無螺旋兩種情況進行對比下，結合污泥的調質分析懸浮液黏度、顆粒的粒徑分布及離心機中螺旋對分離效率的影響。
3.4.1 懸浮液黏度對脫水特性的影響
 
懸浮液的黏度主要取決于液相的黏度和懸浮液的濃度，通過理論分析和單相流場模擬可知，黏度對離心機分離效率有影響。現選取本課題組污泥
調質特性研究測得的污泥黏度作為模擬數據，分析調質技術對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，經過微波調質后污泥的黏度發生變化。
 
表 2  微波調質后的污泥黏度
 

	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 DPM 模型、對不同長徑比下轉鼓角速度為 50 rad/s、入口速度為 0.5 m/s 時臥螺離心機內的固-液分離過程進行模擬，模擬得到的不同工況下的分離效率如表 3 所示。

		表 3			不同長徑比下黏度對分離效率的影響							%
黏度/(mPa·s)	長徑比為 2.5				長徑比為 3.0			長徑比為 3.5			長徑比為 4.0
	無螺旋	有螺旋			無螺旋	有螺旋		無螺旋	有螺旋		無螺旋	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，在無螺旋情況下，隨著黏度的增大，離心機分離效率略有降低，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，分離效率隨著長徑比的增大而增大，說明大長徑比有利于固-液分離，上述結果與單相流場的模擬結果以及理論分析結果相符合。而在有螺旋情況下，隨著黏度的增大離心機分離效率有增有減，這是由于黏度的變化幅度不大，而且在螺旋的作用下流場內湍流變化明顯，與層流理論不相符合。但在相同黏度下，分離效率隨長徑比增大而增大，說明即使在有螺旋的情況下大長徑比離心機也利于固-液分離。有螺旋與無螺旋這兩種情況相比，由于螺旋的推進作用有促使顆粒向離心機圓錐段運動，其次螺旋還可阻擋部分回流的固體顆粒，因此離心機中的螺旋設計促進了固-液兩相的有效分離。
3.4.2 粒徑分布對脫水效果的影響
 
粒徑分布是影響固-液分離的重要因素之一，相同體積分數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-液分離時的**佳粒徑分布及離心機中螺旋對分離效率的影響，指導污泥的調質改性方向，采用 DPM 模型、滑移網格對不同粒徑下固體顆粒的運動過程進行模擬仿真，從長徑比為4.0、入口速度為 0.5 m/s 時各轉速條件下顆粒的分離效率出發，對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 是無螺旋時粒徑為 80 μm
 
的顆粒的運動跡線圖，圖 7b 是有螺旋時顆粒運動跡線圖。圖 7a 中顆粒的運動軌跡明顯比圖 7b 中稀疏，且顆粒的運動軌跡并非為規則的螺旋運動，不利于固-液的分離，而圖 7b 中顆粒的運動軌跡密集及運動軌跡長且大部分做螺旋運動，可知圖 7b 中顆粒在離心機中的停留時間足夠長且做螺旋運動，這都有利于固-液的分離。

 
 
 
 
 
 
 
(b) 有螺旋時顆粒
 
圖 7  顆粒運動跡線圖
 
表 4 是轉鼓各轉速條件下不同粒徑物料的分離效率。表 4 可以看出，隨著轉鼓轉速的增加，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。 設計的機型，在降低離心機能耗的同時，也能保持根據粒徑分布來選擇合適的轉鼓轉速并選用有螺旋 臥螺離心機分離效率維持在較合理的水平。
 
 
4 結論
 
本文采用流體力學軟件 FLUENT，將離心機三大基本方程與 CFD 仿真軟件有效結合，分析了理論和試驗中尚難以處理的結構復雜的臥螺離心機旋轉流場。研究了流場速度和壓力分布的變化規律，并有針對性地得到了部分操作參數對分離場的影響規律。
 
(1) 在單相無螺旋流場中，隨著長徑比的增大，轉鼓內壁處**大壓力值先變小后增大，因此就本研
 
究的研究范圍來看，大長徑比有利于固-液分離，但過大會使阻力損失顯著升高，長徑比為 3.5 為較佳選擇。
 
(2) 黏度的增加不利于離心機分離效率提高，在本文考察范圍內由于污泥黏度較低且變化不大對分離效果總體影響不大。相同黏度下，分離效率隨長徑比增大而增大，說明大長徑比利于固-液分離。
 
(3) 離心機中螺旋的設計使得流場內層流理論發生變化，模擬結果表明離心機的螺旋設計使分離
 
效率明顯優于無螺旋情況，因此螺旋的存在有利于固-液分離。