本研究採用直徑45 mm之水旋風分離器，使用黑色粉末作為實驗粉體，並以計算流體力學軟體FLUENT的模擬作為搭配，分別討論不同的進口操作壓力與溢流管材質對水旋風分離器分離現象的影響。模擬方面以VOF多相流模式以及LES紊流模式模擬空氣核心以及內部流場，並使用離散相模式(Discrete Phase Model)針對水旋風分離器中之顆粒運動做預測及追蹤，將模擬與實驗結果進行分析，以討論薄膜溢流管對水旋風分離器的效果改進。

    實驗與模擬結果顯示，不論溢流管的類型如何，當進口壓力越大則整體分離效率會越好，而其中又以3 cm MHC表現最佳。探討其原因發現液體可以從薄膜溢流管壁進入溢流管，所以流體流動範圍較大，使得3 cm MHC在溢流端的軸向速度小於3 cm THC，減少顆粒從溢流端離開的機會，進而使分級效率有所提升，證實薄膜溢流管對於改進水旋風分離器的分離效率有所幫助。

This study uses black powder as experimental particles to realize its classification in a 45 mm diameter hydrocyclone. In the experiment, the effects of variations in inlet pressure and vortex finder material types on particle size distribution and separation efficiency were analyzed. In the simulation, the air core and the flow pattern in hydrocyclone was simulated by VOF model and LES model, and using the discrete phase model to track and predict the particle motion.The simulation and experimental results will be analyzed to discuss how the membrane vortex finder can improve the separation efficiency of the hydrocyclone.
    The results show that the larger the inlet pressure, the greater the efficiency of hydrocyclone. And, 3 cm MHC has the best performance of all. Explore the reasons, and discovered that the liquid can pass through the membrane wall into the vortex finder, so a larger space of liquid can flow, making the axial velocity of 3 cm MHC at the overflow end is less than 3 cm THC, reducing the opportunity that particles leave from the overflow end, and thus make the efficiency has improved. Confirmed the membrane vortex finder is useful for hydrocyclone.

目錄
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中文摘要		Ⅰ
英文摘要		Ⅱ
目錄		Ⅲ
圖目錄		Ⅵ

第一章 緒論		1
  1-1 前言		1
  1-2 研究動機與目的		2
第二章 文獻回顧		4
  2-1 水旋風分離器之發展概論		4
    2-1-1水旋風分離器之發展歷史		4
    2-1-2 水旋風分離器之結構與簡介		5
    2-1-3 水旋風分離器之規格與尺寸		7
    2-1-4 水旋風分離器的優缺點		9
  2-2 水旋風分離器之特殊現象		11
    2-2-1魚鉤現象		11
    2-2-2空氣柱現象	12
    2-2-3 短路流現象	13
    2-2-4 循環流		13
  2-3 數值計算在水旋風分離器的應用	14
第三章 理論與數值計算方法	21
  3-1 水旋風分離器的基本分離原理	21
  3-2 固體顆粒在水旋風分離器流場中移動的受力分析	22
    3-2-1 固體顆粒在流場中的拖曳力	22
    3-2-2兩相流動中的受力分析	24
    3-2-3 拉格朗日法在顆粒運動中的應用	26
    3-2-4 水旋風分離器中的剪切應力	27
  3-3 平行軌道理論	28
  3-4 無因次群組	29
  3-5 影響水旋風分離器之參數	33
    3-5-1 幾何結構對水旋風分離器的影響		33
    3-5-2 物性參數對水旋風分離器的影響	36
    3-5-3 操作參數對水旋風分離器的影響	37
  3-6 數值計算方法		40
    3-6-1 模擬軟體簡介	40
    3-6-2 建立幾何形狀與網格	41
    3-6-3 統御方程式	43
    3-6-4 邊界條件設定	47
第四章 實驗的裝置與方法	50
  4-1 實驗物料	50
  4-2 實驗儀器與設備	51
  4-3 實驗水旋風分離器裝置	52
  4-4 實驗步驟	60
第五章 結果與討論	62
  5-1 水旋風分離器的基本操作參數與無因次群探討	62
  5-2 進口操作壓力對水旋風分離器的影響	72
    5-2-1 實驗部分		72
    5-2-2模擬部分	82
  5-3 改變溢流管材質對水旋風分離器的影響	89
    5-3-1 實驗部分	89
    5-3-2 模擬部分	100
    5-3-3 黏度阻力系數(Viscous Resistance)對MHC之影響	108
  5-4 其它水旋風分離器之模擬比較結果	111
    5-4-1 不同材質溢流管之模擬結果	111
    5-4-2 非穩態離散相模型顆粒在水旋風分離器內部的移動	113
第六章 結論	119
符號說明	122
參考文獻	126
圖目錄
第二章
圖2-1 水旋風分離器裝置的結構與內部流動示意圖		6
圖2-2 長錐與短錐水旋風分離器示意圖		8
圖2-3 水旋風分離器的魚鉤現象		11
第三章
圖3-1 三種渦流半徑與切線速度的示意圖		28
圖3-2各截面軸速度分佈和零速包絡面(LZVV)		29
圖3-3水旋風分離器的基本結構圖		35
圖3-4 模擬用的水旋風分離器網格		42
第四章
圖 4-1 碳化矽粉末之粒徑分佈圖		50
圖 4-2 揚程圖		51
圖 4-3  3 cm THC的幾何結構尺寸		54
圖 4-4  3 cm MHC的幾何結構尺寸		55
圖 4-5  6.9 cm MHC的幾何結構尺寸		56
圖 4-6  實驗使用的水旋風分離器照片		57
圖 4-7  實驗使用的三種溢流管照片		58
圖 4-8 水旋風分離器整體裝置圖		59
 
第五章
圖5-1 流率與進口壓力關係圖(3 cm THC)	63
圖5-2 流率與進口壓力關係圖(3 cm MHC)	63
圖5-3 流率與進口壓力關係圖(6.9 cm MHC)	64
圖5-4 進口及特性流速與進口壓力關係圖(3 cm THC)	65
圖5-5 進口及特性流速與進口壓力關係圖(3 cm MHC)	66
圖5-6 進口及特性流速與進口壓力關係圖(6.9 cm MHC)		66
圖5-7 雷諾數與進口壓力關係圖(3 cm THC)	67
圖5-8 雷諾數與進口壓力關係圖(3 cm MHC)	68
圖5-9 雷諾數與進口壓力關係圖(6.9 cm MHC)	68
圖5-10 尤拉數與進口壓力關係圖(3 cm THC)	69
圖5-11 尤拉數與進口壓力關係圖(3 cm MHC)	71
圖5-12 尤拉數與進口壓力關係圖(6.9 cm MHC)	71
圖 5-13 不同進口壓力下3 cm THC溢流端之累積粒徑百分比	73
圖 5-14 不同進口壓力下3 cm THC底流端之累積粒徑百分比	73
圖 5-15 不同進口壓力下3 cm THC之分級效率曲線	74
圖 5-16 不同進口壓力下3 cm MHC溢流端之累積粒徑百分比	75
圖 5-17 不同進口壓力下3 cm MHC底流端之累積粒徑百分比	76
圖 5-18 不同進口壓力下3 cm MHC之分級效率曲線	76
圖 5-19 不同進口壓力下6.9 cm MHC溢流端之累積粒徑百分比	77
圖 5-20 不同進口壓力下6.9 cm MHC底流端之累積粒徑百分比	78
圖 5-21 不同進口壓力下6.9 cm MHC之分級效率曲線	79
圖 5-22 不同進口壓力下3 cm THC之總分離效率	80
圖 5-23 不同進口壓力下3 cm MHC之總分離效率	81
圖 5-24 不同進口壓力下6.9 cm MHC之總分離效率	81
圖 5-25 3 cm THC P=0.9 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)	83
圖 5-26 3 cm THC P=1.5 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)	83
圖 5-27 3 cm MHC P=0.9 Bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)	85
圖 5-28 3 cm MHC P=1.5 Bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)	85
圖 5-29 THC之模擬分級效率曲線圖(Unst.S.)	86
圖 5-30 3 cm MHC之模擬分級效率曲線圖(Unst.S. v.r.=2.5×10^5)	87
圖 5-31 3 cm MHC之模擬分級效率曲線圖(Unst.S. v.r.= 2.5×10^11)	87
圖 5-32 3 cm MHC之模擬分級效率曲線圖(Unst.S. v.r.= 1.9×10^13)	88
圖 5-33 P=0.9 bar不同類型HC溢流端之累積粒徑百分比	90
圖 5-34 P=0.9 bar不同類型HC底流端之累積粒徑百分比	90
圖 5-35 P=0.9 bar不同類型HC之實驗分級效率曲線	91
圖 5-36 P=1.2 bar不同類型HC溢流端之累積粒徑百分比	92
圖 5-37 P=1.2 bar不同類型HC底流端之累積粒徑百分比	93
圖 5-38 P=1.2 bar不同類型HC之實驗分級效率曲線	93
圖 5-39 P=1.5 bar不同類型HC溢流端之累積粒徑百分比	94
圖 5-40 P=1.5 bar不同類型HC底流端之累積粒徑百分比	95
圖 5-41 P=1.5 bar不同類型HC之實驗分級效率曲線	95
圖 5-42不同進口壓力下三種HC之總分離效率	96
圖5-43 實驗分流比	7
圖5-44 不同進口壓力下THC與3 cm MHC濃度比較	99
圖 5-45 不同進口壓力下THC與6.9 cm MHC濃度比較	99
圖 5-46 3 cm THC P=0.9 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.) (同圖5-25)	101
圖 5-47 3 cm MHC P=0.9 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)(同圖5-27)	101
圖 5-48 3 cm THC P=1.5 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)(同圖5-26)	102
圖 5-49 3 cm MHC P=1.5 bar之模擬分級效率曲線圖(S.S.)(同圖5-28)	102
圖 5-50 P=0.9 Bar THC與MHC模擬分級效率(Unst.S.)	103
圖 5-51 P=1.5 Bar THC與MHC模擬分級效率(Unst.S.)	104
圖5-52 模擬之分流比	105
圖5-53 y= -0.01與y= 0.01直線位置示意圖	106
圖5-54 模擬的溢流管Y方向速度絕對值分佈圖(y= -0.01)	106
圖5-55 模擬的溢流管Y方向速度絕對值分佈圖(y= 0.01)	107
圖5-56 不同黏度阻力系數之模擬分級效率曲線(P=0.9 bar ,Unst.S.)	109
圖5-57 不同黏度阻力系數之模擬分級效率曲線(P=1.5 bar , Unst.S.)	110
圖 5-58 水旋風分離器中各物理量分佈	112
圖 5-59 顆粒在水旋風分離器中之快照(3 cm THC,P=0.9 bar)	115
圖 5-60 顆粒在水旋風分離器中之快照(3 cm THC,P=1.5 bar)	116
圖 5-61 顆粒在水旋風分離器中之快照(3 cm MHC,P=0.9 bar)	117
圖 5-62 顆粒在水旋風分離器中之快照(3 cm MHC,P=1.5 bar)	118

參考文獻

Ahmed, M. M., Ibrahim, G. A., and Farghaly, M. G. (2009) “Performance of a three-product hydrocyclone.” International Journal of Mineral Processing, 91, 34-40. 

Bai, Z. -s., Wang, H. -I., and Tu, S. -T. (2009a) “Experimental study of flow patterns in deoiling hydrocyclone.” Minerals Engineering, 22, 319-323. 

Bai, Z. -s., Wang, H. -I., and Tu, S. -T. (2009b) “Study of air-liquid flow patterns in hydrocyclone enhanced by air bubbles.” Chemical Engineering and Technology, 32, 55-63. 

Bamrungsri, P., Puprasert, C., Guigui, C., Marteil, P., Bréant, P., & Hébrard, G. (2008) “Development of a simple experimental method for the determination of the liquid field velocity in conical and cylindrical hydrocyclones.” Chemical Engineering Research and Design, 86, 1263-1270. 

Bhaskar, K. U., Murthy, Y. R., Raju, M. R., Tiwari, S., Srivastava, J. K., and Ramakrishnan, N. (2007) “CFD Simulation and Experimental Validation Studies on hydrocyclone,” Minerals Engineering, 20, 60-71.

Bhaskar, K. U., Murthy, Y. R., Ramakrishnan, N., Srivastava, J.K., Shakar, Supriya., and Kumar, Vimal. (2007) “CFD validation for flyash particle classification inhydrocyclones,” Minerals Engineering, 20, 209-302.

Boysan, F., Ayers, W. H., and Swithenbank, J. (1982) “Fundamental Mathematical Modeling Approach to Cyclone Design,” Transactions of the Institution of Chemical Engineers, 60, 222-230. 

Chu, K.W., Wang, B., Yu, A.B., and Vince A.(2009) “CFD-DEM modeling of multiphase flow in dence medium cyclones,” Powder Tecknology, 193, 235-247. 

Da Matta, V. M., and Medronho, R. D. A. (2000) “A New Method for Yeast Recovery in batch Ethanol Fermentations: Filter Aid Filtration Followed by Separation of Yeast from Filter Aid Using Hydrocyclone,” Bioseparation, 9, 43-53 

Delgadillo, J. A., and Rajamani, R. K. (2005) “Hydrocyclone Modeling: Large Eddy Simulation CFD Approach,” Minerals amd Metallurgical Processing, 22, 225-232. 

Duggins, R. K., and Frith, P. C. W. (1987) “Turbulence Anisotropy in Cyclones,” Filtration and Separation, 24, 394-397.

Dyakowski, T., and Williams, R. A. (1993) “Modelling Turbulent Flow Within a Small-Diameter Hydrocyclone,” Chemical Engineering Science, 48, 1143-1152. 

Frachon, A. M., and Cilliers, J. J. (1999) “A General Model for Hydrocyclone Partition Curves,” Chemical Engineering Journal, 73, 53-59. 

Gupta, R., Kaulaskar, M. D., Kumar, V., Sripriya, R., Meikap, B. C., & Chakraborty, S. (2008) “Studies on the understanding mechanism of air core and vortex formation in a hydrocyclone.” Chemical Engineering Journal, 144, 153-166. 

Harrison, S.T.L., and Cilliers, J. J.(1997) “The Use of Mini-Hydrocyclones for Differential Separations within Mineral Slurries Subjected to Bioleaching,” Minerals Engineering, 10, 529-535 

Hoekstra, A. J., Derksen, J. J., and Van Den Akker, H. E. A. (1999) “An Experimental and Numerical Study of Turbulent Swirling Flow in Gas Cyclones,” Chemical Engineering Science, 54, 2055-2065. 

Huang, S. (2005) “Numerical Simulation of Oil-Water Hydrocyclone Using Reynolds-Stress Model for Eulerian Multiphase Flows,” The Canadian Journal of Chemical Engineering, 83, 829-834. 

Hsieh, K. T., and Rajamani, R. K. (1991) “Mathematical Model of the Hydrocyclone Based on Physics of Fluid Flow,” AIChE Journal, 37, 735-746. 

Kelsall, D. F. (1953) “A Further Study on the Hydraulic Cyclone,” Chemical Engineering Science, 2, 254-272. 

Liu, Hai-Fei, Xu, Jing-Yu, Wu, Ying-Xiang, Zheng, Zhi-Chu.(2010) “Numerical study on oil and water two-phase flow in a cylindrical hydrocyclone,” 9th International Conference on Hydrodynamics, October 11-15,2010 Shanghai,China.

Majumder, A. K., Yerriswamy, P., and Barnwal, J. P. (2003) “The ‘Fish-Hook’ Phenomenon in Centrifugal Separation of Fine Particles,” Minerals Engineering, 6, 1005-1007.

Matvienko, O. V., and Dueck, J. (2006) “Numerical Study of the Separation Characteristics of a Hydrocyclone under Various Conditions of Loading of the Solid Phase,” Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 40, 203-208.

Nageswararao, K. (2000) “A Critical Analysis of the Fish-Hook Effect in Hydrocyclone Classifiers,” Chemical Engineering Journal, 80, 251-256. 

Narasimha, M., Brennan, M., and Holtham, P. N. (2006) “Large eddy simulation of hydrocyclone-prediction of air-core diameter and shape,” International Journal of Mineral Processing, 80, 1-14. 

Puprasert, C.,G. Hebrard, L. Lopez and Y. Aurelle, (2004)“Potential of Using Hydrocyclone and Hydrocyclone Equipped with Grit Pot as A Pre-Treatment in Run-Off Water Treament,”Chemical Engineering and Processing,43,67-83.

Slack, M. D., Del Porte, S., and Engelman, M. S. (2004) “Designing Automated Computational Fluid Dynamics Modeling Tools for Hydrocyclone Design,” Minerals Engineering, 17, 705-711. 

Svarovsky, L. (1984) “Hydrocyclone,” Holt, Rinehart and Winston Ltd, London. 

Svarovsky, L. (1990) “Solid-Liquid Separation,” 3rd ed., Butterworths, London 

Trawinski, H. F. (1977) “Solid/Liquid Separation Equipment Scale up,” Ed. D. B. Purchas, Uplands Press, England, 241-286. 

Wang, B., Chu, K.W., and Yu, A. B. (2007) “Numerical Study of Particle-Fluid Flow in A Hydrocyclone,” Industrial and Engineering Chemistry Research, 46, 4695-4705. 

Wang, B., Chu, K.W., Yu, A. B., Vince, A., Barnett, G.D., Barnett, P.J.(2011) “Computational study of the multiphase flow and performance of dence medium cyclones:Effect of body dimensions,” Minerals Engineering, 24, 19-34.

Xu, P., Wu, Z., Mujumdar, A. S., and Yu, B. (2009) “Innovative hydrocyclone inlet designs to reduce erosion-induced wear in mineral dewatering processes,” Drying Technology, 27, 201-211. 

Yang, G. A. B. and Wakley, W. D. (1994) “Oil-water Separation Using Hydrocyclones: An Experimental Search for Optimum Dimensions,” Oil Gas, 11, 37-50.

Yoshioka, N., and Hotta, Y., (1955) “Liquid Cyclone As A Hydraulic Classifier,” Chemical Engineering Japen, 19(12),623 .

Yoshioka, H., S., Fukui, K.,and Kobayashi, A. (2004) “Effect of Apex Cone on Particle Classification Performance of Cyclone Separator,” Journal of the Chinese Institute of Chemical Engineers,,35,41-46 

任連城、梁政、梁利平和龍道玉 (2005) “過濾式水力旋流器方案設計”，西南石油學院學報，27(1)，82-85 

李建明 (1997) “水力旋流器固液兩相流動數值模擬及分離機理研究”，博士學位論文，成都四川聯合大學化學工程學院 

呂信毅 (2006) “改進複合型水旋風分離器之分離效率”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系 

許智淵 (2008) “水旋風分離器之研究與薄膜水旋風分離之發展”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系 

陳怡任 (2009) “水旋風分離器流場測量與模擬暨新型水旋風分離器之研究”，碩士學位論文，淡江大學化學工程與材料工程學系

趙慶國和張明賢 (2003) “水力旋流器分離技術”，化學工業出版社