固液混合物振动筛分机理研究.pdf
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1、1958西南石油大学学报(自然科学版)2024 年 4 月 第 46 卷 第 2 期Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition)Vol.46 No.2 Apr.2024DOI:10.11885/j.issn.1674 5086.2021.08.18.01文章编号:1674 5086(2024)02 0164 12中图分类号:TE925;TQ022.4;TQ028.5文献标志码:A固液混合物振动筛分机理研究方 潘1,2,3*,陆小刚1,2,石双全1,2,彭 欢1,2,侯勇俊1,21.西南石油大学机电工程
2、学院,四川 成都 6105002.石油天然气装备教育部重点实验室,四川 成都 6105003.油气藏地质及开发工程全国重点实验室 西南石油大学,四川 成都 6105004.石油天然气装备技术四川省科技资源共享服务平台,四川 成都 610500摘要:振动筛分技术是固液混合物分离的一种手段,被广泛应用于钻井液固相控制、河道淤泥处理和煤矿脱水等领域。现有研究对固液混合物的振动筛分机理缺乏认识,限制了振动设备筛分效率的提升空间。针对这一问题,采用计算流体力学与离散单元耦合法(CFD DEM)研究了固液混合物振动筛分机理。首先,利用 Hertz-Mindlin JKR Cohesion接触模型引入湿颗粒
3、之间的碰撞行为;其次,应用多孔介质描述了筛网的细孔特征;然后,运用动网格模拟了筛网的直线振动轨迹;最后,分析了固相颗粒物料的动力学特性和液相流动特性,并对比研究了振动系统的振幅和振动频率对固液混合物筛分效率的影响。研究结果表明,增加振幅和振动频率可提高固液混合物筛分效率,但当振幅大于 3.0 mm和频率大于 22.3 Hz 时,振动筛对固液混合物的筛分效率影响的敏感性减弱;振幅小于或等于 3.0 mm 和频率小于或等于 22.3 Hz 时,固液混合物振动筛分效率对振幅的变化最敏感,振动频率次之;固液混合物的透筛区域集中在筛网长度比小于 20%的区域。关键词:计算流体力学;多孔介质;筛分机理;数
4、值模拟;颗粒物料;振动筛分Screening Mechanism of the Solid-liquid Mixture Vibration ScreenFANG Pan1,2,3*,LU Xiaogang1,2,SHI Shuangquan1,2,PENG Huan1,2,HOU Yongjun1,21.School of Mechanical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China2.MOE Key Laboratory of Oil&National Gas Equipment,Sou
5、thwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China3.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China4.Sichuan Science and Technology Resource Sharing Service Platform of Oil and Gas Equipment Technology,Chengd
6、u,Sichuan 610500,ChinaAbstract:Vibration screening technology is a means for the separation of solid-liquid mixture,which is widely used in solidphasecontrol of drilling fluid,river mudtreatmentanddehydration ofcoal mine.However,theexistingresearch lackssufficientcomprehension for the vibration scre
7、ening mechanism of solid-liquid mixture,which limits the improvement of screening effi-ciencyofvibrationequipment.Inordertosolvethisproblem,theCFD-DEM(ComputationalFluidDynamics-DiscreteElementMethod)coupling method is used to study the screening mechanism of solid-liquid mixture vibration screen.Fi
8、rstly,Hertz-Mindlin with JKR Cohesion model is used to simulate the collision characteristics between wet particles.Secondly,porousmedia is used to describe the hole characteristics of screen.Then the linear vibration trajectory of the screen is simulated byusing dynamic mesh.Finally,dynamic charact
9、eristics of granular materials and flow characteristics of liquid are analyzed,andthe effect of vibration frequency and amplitude on the screening efficiency of solid-liquid mixture are compared.The resultsshowthatscreeningefficiencyofsolid-liquidmixturecanbeimprovedbyincreasingtheamplitudeandfreque
10、ncyappropriately,but when A3.0 mm and f22.3 Hz,the effect of vibration screen on screening efficiency of solid-liquid mixture is weakened;when A63.0 mm and f622.3 Hz,the screening efficiency of solid-liquid mixture is more sensitive to the change of amplitude,and that of the vibration frequency next
11、 to it.The passing area of solid-liquid mixture is mainly concentrated in the area wherethe length of the screen L20%.Keywords:computational fluid dynamics;porous media;screening mechanism;numerical simulation;granular material;vi-bration screen网络出版地址:http:/ 潘,陆小刚,石双全,等.固液混合物振动筛分机理研究J.西南石油大学学报(自然科学版
12、),2024,46(2):164 175.FANGPan,LUXiaogang,SHIShuangquan,etal.ScreeningMechanismoftheSolid-liquidMixtureVibrationScreenJ.JournalofSouthwestPetroleumUniversity(Science&Technology Edition),2024,46(2):164175.*收稿日期:2021 08 18网络出版时间:2024 03 25通信作者:方 潘,E-mail:基金项目:国家自然科学基金(51705437);四川省重点研发计划(2020YFG0181)第 2
13、 期方 潘,等:固液混合物振动筛分机理研究165引言对物料振动筛分机理的研究,国内外学者普遍采用滑移理论、离散单元法(Discrete ElementMethod,DEM)、计算流体力学(Computational FluidDynamics,CFD)和实验法。郭宝良和 Kong 等利用物料滑移理论计算干摩擦驱动下物料筛分效率,通过建立并求解振动系统和物料的相对运动微分方程,研究了筛分过程中颗粒的运动,明确了影响物料输送速度的系统参数1 2;侯勇俊等将物料与筛网的相对运动假设为相对静止、间歇滑动及连续滑动 3 种状态,采用滑移理论研究筒式钻井振动筛筛网上颗粒的运动及颗粒群之间的相互作用力,但忽
14、略了颗粒群受到的外部作用载荷3 4。上述学者从颗粒物料的运动角度分析了干摩擦作用下物料运动状态,并粗略地估计了振动筛的筛分效率,但忽略了颗粒之间的相互作用力。Dong 等采用离散单元法模拟了香蕉筛上不同粒径的颗粒流动特性,研究了不同层数、频率和振幅对香蕉筛筛分性能的影响5 6;Delaney 等采用离散单元方法模拟了不同形状和粒径的颗粒在振动筛筛网上的透筛特性,探索了振动筛振幅、频率等因素对筛分效率的影响7 9。上述离散单元法能用于研究不同粒径和形状颗粒在筛网上的运移和透筛特性,同时,采用 Hertz-Mindlin JKR 接触模型也能模拟湿颗粒之间的凝聚力,但该接触模型无法准确地描述固液混
15、合物的流 固耦合特性10 11。杨路利用计算流体力学法模拟钻井振动筛的液相透筛过程,研究了振幅和频率等因素对振动筛筛分效率的影响,但该方法仅考虑了液相的透筛特性,忽略了固相颗粒对液相流动的影响12。李骅等利用计算流体力学法模拟不同参数下的风式清选振动筛液相流动特性,通过不同参数对液相流场的影响来优化振动筛的结构13。采用计算流体力学法虽准确地描述了钻井振动筛筛分过程中流体的流动特性,但忽视了固相颗粒物理属性对振动系统筛分特性的影响12 13;Raja 通过实验法研究了振幅、频率及颗粒形状等因素对特定振动筛筛分效率的影响,并提供了一些定性的分析结果14。Fernandez 等利用光滑粒子流体动力
16、学(SmoothedParticle Hydrodynamics,SPH)与离散单元法耦合法弥补了单独采用离散单元法和计算流体力学法的不足,但是仅考虑了液相作用于固相的流体曳力,不能描述固相对液相的作用力15。近年来,CFD DEM 耦合方法被广泛地应用于流 固耦合特性研究。Tsuji 等提出将 CFD DEM耦合方法用于研究气体流动对流化床中固体颗粒运动的影响16;Ebrhimi 等利用 CFD DEM 耦合模拟气力输送过程17 18;Li 等采用 CFD DEM耦合方法研究进口气流速度对风筛式清选装置内颗粒流动特性的影响19。上述研究表明,CFD DEM 耦合方法具有较高的计算精度。本文采
17、用 CFD DEM 耦合方法模拟固液混合物直线振动筛的筛分特性,为固液混合物振动筛分的研究提供一种新思路。1 CFD DEM 耦合理论在数值模拟过程中,颗粒被视为离散相,由牛顿第二定律建立固相颗粒的运动方程;流体被视为连续相,由局部平均 Navier Stokes 方程描述液相的运动20。在 CFD DEM 耦合求解过程中,用欧拉法描述流体相,用拉格朗日法描述颗粒相。1.1 液相控制方程将泥浆视为不可压缩的牛顿流体,并忽略颗粒与流体之间的热量交换。利用体积平均控制方程来描述流体运动,即连续性方程为21f,it+(f,iuf)=0(1)式中:f,i第 i(i=1,2)相流体的体积分数,无因次;t
18、时间,s;uf流体速度,m/s。利用体积分数来追踪每一相的界面,初相与次相的体积分数之和为 1(f,1+f,2=1)。流体域内的网格区域存在 3 种情况22:当 f,i=0 时,表示在网格区域内不存在第 i 相流体;当 0 f,i 1 时,表示网格区域内两种流体都存在;当 f,i=1 时,表示网格区域内只存在第 i 相流体。考虑离散相,将式(1)运用于任意数量的流体相,则系统的连续方程为(f,i)t+(f,iuf)=0(2)式中:孔隙率,%。由此得流体相的体积分数输运方程(f,i)t+(f,iuf)ucf,i(1 f,i)=0(3)166西南石油大学学报(自然科学版)2024 年式中:uc压缩
19、速度,m/s。利用Navier Stokes方程描述流体的运动,在控制方程中引入孔隙率,建立连续性方程和动量方程t+(uf)=0(4)f(uf)t+(ufuf)=p+(uf,iuf,j)+F+fg+Fdragp,f(5)式中:f流体密度,kg/m3;g重力加速度,g=9.8 m/s2;p动压,Pa;应力张量,N/m;Fdragp,f颗粒 流体相互作用力,N,Fdragp,f表示颗粒 流体相互作用力项及颗粒与流体之间的动量交换项;uf,i,uf,j雷诺应力张量,N/m;F表面张力,N/m,对于多相流体系,F=kf;表面张力系数,N/m;k表面曲率,无因次,k=(f|f|);f任意相的体积分数,无
20、因次。对任意相的表面张力平均梯度方程为F=i,ji,jki,j(f,jf,i f,if,j)(6)ki,j=f,jf,i f,if,j?f,jf,i f,if,j?(7)式中:i,ji 相与 j 相之间的表面张力系数,N/m;ki,ji 相与 j 相之间的表面曲率,无因次。颗粒 流体相互作用力为Fdragp,f=1VnpiFpf,iFp,iF,iF(uiuj),iFs,i(8)式中:V网格单元体积,m3;np颗粒的数量;Fpf,i颗粒与流体总的作用力,N;Fp,i压力梯度,N;F,i黏性应力,N;F(uiuj),i雷诺应力,N;Fs,i毛细管作用力,N。1.2 固相控制方程离散单元法是以 Cu
21、ndall 和 Strack 理论为基础建立的一种计算方法,并且利用简单的弹簧 阻尼器来表示复杂的球体碰撞接触力学23 24。当颗粒碰撞时,颗粒产生平移和旋转两种运动方式,利用牛顿第二运动定律建立颗粒的运动方程25 26。颗粒平移方程mxdvpxdt=iFppc,xy+kFpplr,xk+Fpfx+Fg,x(9)颗粒旋转方程Ixdpxdt=(Mppt,xy+Mppr,xy)(10)式中:vpx颗粒 x 的平移速度,m/s;mx颗粒 x 的质量,kg;px颗粒 x 的角速度,rad/s;Ix颗粒 x 的惯性矩,m4;Fppc,xy颗粒 x 和颗粒 y 的接触力或者颗粒 x 与壁面之间的接触力,N
22、;Fpfx颗粒 x 与流体之间的相互作用力,N;Fpplr,xk颗粒 x 的非接触力,N;Fg,x颗粒 x 的重力,N;Mppt,xy颗粒 x 和颗粒 y 的切向摩擦力矩,Nm;Mppr,xy颗粒 x 和颗粒 y 的滚动摩擦力矩,Nm。当颗粒为球形颗粒时,式(10)中惯性矩 Ix=2mxRx/5,Rx颗粒 x 的半径,m;式(9)中的重力Fg,x=mxg。在颗粒接触过程中,颗粒 x 与颗粒 y 的接触力Fppc,xy包括法向接触力 Fppcn,xy和切向接触力 Fppct,xy。接触力方程为Fppc,xy=Fppcn,xy+Fppct,xy(11)Fppc,xy=kn,xyn,xy n,xyn
23、,xykt,xyt,xy t,xyt,xy(12)式中:kn,xy颗粒的法向刚度系数,N/m;kt,xy切向刚度系数,N/m;n,xy颗粒法向重叠量,m;t,xy颗粒切向重叠量,m;n,xy法向阻尼系数,N/m;t,xy切向阻尼系数,N/m。n,xy,t,xy分别对应它们与时间的导数项。式(12)的法向接触力和切向接触力表达方程为Fppcn,xy=Kndn Nnvppn(13)Fppct,xy=Ktdt Ntvppt,|Ktdt|Kndn|Cfs(14)第 2 期方 潘,等:固液混合物振动筛分机理研究167式中:Kt切向弹簧刚度,m/s;Kn法向弹簧刚度,m/s;Nt切向阻尼,(Nm)/rad
24、;Nn法向阻尼,(Nm)/rad;dt颗粒接触点切向重叠,m;dn颗粒接触点法向重叠,m;Cfs颗粒表面之间的摩擦系数,无因次;vppt颗粒表面的切向速度分量,m/s;vppn法向速度分量,m/s。2 筛分力学模型利用 CFD DEM 耦合方法计算过程中,CFD 和DEM 之间的数据传递过程是一个瞬态双向数据传输过程。在耦合计算过程中,固相颗粒在液相流体黏性力等作用下发生运动,并且颗粒的运动又对液相流体的流动产生影响;颗粒运动引起其周围的流体发生流动,同时,流体又反过来作用于颗粒,使其运动的轨迹发生改变。在整个耦合过程中,颗粒与流体的位置、运动、体积、质量及动量等信息相互交换,从而计算颗粒与流
25、体的相互作用。流体对颗粒的作用通过 CFD 接口传递至 DEM 作为颗粒体积力影响颗粒的运动,而颗粒对流体的作用通过动量源相的方式作用于流体中。振动筛筛分几何模型如图 1 所示。筛网尺寸为 460 mm250 mm,网孔尺寸为 1 mm1 mm。几何模型主要由进料口、筛箱、筛网及出料口组成。已有研究发现,球形颗粒代替不规则颗粒进行振动筛仿真的合理性27,为了提高 CFD DEM 筛分模型的计算效率,采用了球形颗粒替代泥浆中形状不规则的颗粒;利用多孔介质模拟筛网网孔,实现流体的流动和透筛过程;应用动网格实现直线振动轨迹;利用 Hertz Mindlin JKR 接触模型模拟湿颗粒间的相互作用力。
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- 混合物 振动 筛分 机理 研究
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