《Journal of Water Process Engineering》：CFD simulation on effects of conical section length on flow field and separation performance of hydrocyclones
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采用低雷诺数雷诺应力模型耦合旋转 aware 离散相模型，系统研究锥角5°-180°水力旋流器的流场与分离性能。结果表明锥角增大导致分离效率下降，60°锥角时压降最大，60°-110°锥角区间适合污泥絮凝等应用，颗粒自旋转效应显著影响分离效率。
Jinyi Tian|Fangbin He|Caijie Wei|Asheng Cao|Fei Yuan|Han Li|Dongge Zhang|Xuejing Yang
华东理工大学国家工业废水解毒与资源回收工程技术研究中心，上海，200237，中国
摘要
水力旋流器在环境工程中得到了越来越多的应用，例如用于连续流好氧颗粒污泥的分离。锥形部分是水力旋流器的主要分离区域。在这项研究中，采用了低雷诺数雷诺应力模型（Reynolds Stress Model，RSM）与考虑旋转效应的离散相模型（Discrete Phase Model，DPM）相结合的方法，模拟了锥角从5°到180°的水力旋流器，通过锥角来表征锥形长度，并探讨其对流场和分离行为的影响。结果表明，随着锥角的增大，分离效率降低，而流场分流比保持不变。小锥角和大锥角对应的能量损失较低，能量消耗在40°–120°范围内达到峰值，其中60°配置产生的压降最大。小锥角容易导致细颗粒短路进入下流，而大锥角有助于减少细颗粒的错位和粗颗粒的溢出，更适合用于分类。当锥角在60°–110°时，颗粒的自旋转作用最强，为污泥颗粒化、催化油去除和非相变污泥干燥提供了有利的流体动力条件。颗粒旋转改变了颗粒的轨迹和停留时间，从而影响分离效率，这强调了在计算流体动力学（CFD）模拟中明确考虑旋转阻力和升力的必要性。
引言
水力旋流器是一种基于离心沉降原理的高效机械分离装置。由于其结构简单、处理量大且没有运动部件，传统上被应用于矿物加工领域（如采矿[1]和煤炭制备[2]）。除了产生强大的离心力外，水力旋流器内部复杂的三维湍流还提供了相对均匀的剪切力[3]。近年来，许多工艺强化技术被引入环境工程领域[4]，水力旋流器凭借其独特的流体动力学特性，在絮体[5]、[6]、纤维[7]、[8]、[9]、亚微米颗粒[10]、[11]、[12]、[13]和细胞[14]的分离与分级、膜通量提升[15]、废水热回收[16]、二次沉淀池中的污泥分级[17]、污泥干燥[18]、市政污泥的砂洗[19]以及连续流好氧颗粒污泥系统的开发[20]等方面展现了巨大潜力。
目前，水力旋流器作为连续流生物处理过程中的外部选择器的效果已得到广泛验证。现有研究表明，水力旋流器可以显著提高污泥的沉降性能，促进污泥颗粒化与密实化，并增强关键酶的活性[17]、[18]、[21]。然而，水力旋流器促进颗粒化的具体机制尚未明确。主流观点认为其效果源于“分级效应”，即选择性保留密实颗粒。相比之下，黄等人的模拟工作挑战了这一观点，认为流体动力环境——特别是剪切场和流动引起的颗粒运动——比单纯的分级更为关键[22]。从物理角度来看，水力旋流器中的旋流可以诱导颗粒自旋转和微尺度界面振荡[18]、[23]。在活性污泥系统中，这些动态效应有效扩大了絮体的碰撞半径，从而加速了聚集和颗粒形成。吴等人和Ramírez等人[24]、[25]将水力旋流器应用于膜生物反应器，发现膜污染减少且功能微生物群落得到优化。无论是从颗粒化还是污染控制的角度来看，这些好处都与水力旋流器的内部流动特性密切相关。因此，阐明和优化流场是充分利用水力旋流器进行高效废水处理的关键。
锥形部分作为水力旋流器的核心分离区域，其主要特征是几何参数，如锥角和锥形长度，这些参数对流场结构和分离效率起着决定性作用[26]、[27]。许多研究探讨了锥角和锥形长度的影响，例如Sandi等人[28]（6°–20°用于油分离）、Fu等人[29]（3°–28°用于塑料分离）、Zhao等人[30]（双锥配置）和Hou等人[31]（180°圆柱配置）。然而，大多数现有研究仅限于相对狭窄的传统锥角范围（3°-60°）或个别极端几何形状。系统性地研究从非常小的锥角到平底几何形状（5°-180°）的全谱范围仍然不足。填补这一空白对于明确流动行为对几何变化的敏感性、阐明分离性能的演变和过渡以及为废水处理设备选择提供坚实的理论基础至关重要。
在本研究中，采用了雷诺应力模型（RSM）与离散相模型（DPM）相结合的方法，对锥角从5°到180°的水力旋流器进行了数值模拟，对应的锥形长度从1546毫米到0毫米不等。通过仅改变锥形长度来调整锥角，同时保持水力旋流器的其他参数不变，我们系统分析了连续相流场、颗粒动力学和分离效率的演变。特别关注了有利于废水处理应用的流动状态。研究结果有望为废水处理过程中水力旋流器的优化设计和选择提供科学指导。需要注意的是，由于小锥角的水力旋流器长度过长，为了便于展示，所有模拟水力旋流器的高度都被调整为相同，并在图中呈现。
连续相
本研究使用不可压缩水作为连续相，并在稳态条件下进行所有模拟。采用雷诺应力模型（RSM）来考虑湍流的各向异性[32]。连续相的控制方程见方程（1）、（2）。
