混相流ハイドロサイクロンのレイノルズ応力モデル Mike Slack（Fluent Europe Ltd.）成させました．そこで，この新技術の潜在能力を実証する目的で，75mm径のハイドロサイクロンを大気に開放し，安定した気柱で調査しました．入口から供給するのは石灰石と水のスラリーです．CFD モデルは主相の液体（水），気柱に成長する気相に加えて，10∼40μm径の粒子が入った4種類の粒状相という6相で，ナビエストークス方程式19本およびレイノルズ応力の方程式6本が70,000セルのモデルで計算されました．その結果，最小の粒子は動径方向に受ける力が弱いため，水中に浮遊し続け，アンダーフローとオーバーフローの出口で水と同じ割合に予想通り分割されていました．これに反して，30∼40μmと粒子が大きくなると，動径方向に受ける力が強くなるので，懸濁液中に留まる物質の量も減少していました．大きい粒子がサイクロンに流入すると，直後にサイクロンの壁面に均一層を形成しますが，層の厚さは粒子がアンダーフローに接近すると共に次第に薄くなり，アンダーフローで大部分の粒子が除去されていました．予測による分離効率は，実測の傾向［1］に正しく従っていました．スラリー分離の実測に影響する要因や，強い渦流が絡む本混相系の安定度および感度に影響する要因を考えると，今回の結果はこの種の解析で極めて見事なものと言えるでしょう． 1 Fluent NEWS fall 2004 気柱がハイドロサイクロンの中心で発達する様子 T.C. Monredon, K.T. Hsieh and R.K. Rajamani, International Journal of Mineral Processing, 35, p. 65-83, 1990. 100 実測値 80 FLUENTによる予測 60 40 20 0 0 10 20 粒径（μm） 30 40 予測による分離効率曲線を実測によるサイクロン性能と比較（スラリー重量が10.47%の場合） 16 パスラインをサイクロンの滞留時間で色分け reference: アンダーフロー回収率（%）サイクロンセパレーターは，おそらく業界で最も広く普及している分離器です．この分離器は可動部品がなく，種々の材質から簡単に製造できます．しかし，サイクロン内部の流れは予測が大変です．乱流モデルを正しく選択することが，乱流の異方性を把握する上で鍵となります．また，流線の曲率が大きいために流れは一層複雑になります．サイクロンを動作させるには，主相（液体または気体）をらせん状に回転させ，この回転の力を借りて微粒子の懸濁物質を動径方向に加速します．従来式の円筒状サイクロンには出口が2ヵ所，対称軸の両側にあります．アンダーフローの出口はサイクロン底の円錐の頂点にあり，オーバーフローの出口は上面から降りた内管（通称ボルテックスファインダー）です．懸濁微粒子相は主相より密度が高いのが通例で，渦流（スワール）を印加するため，大きな粒子は速やかに外壁に移動し，下向きにらせん運動をしてアンダーフローになります．一方，小さい粒子は小さいほどゆっくりと移動するので，サイクロン中心の近傍で上向きのらせん運動に捕獲され，上面を突き抜け，外に放出されます．液体運動式サイクロン（通称ハイドロサイクロン）は上面を大気に開放して動作するもので，サイクロン軸が低圧になるため，大気が逆流して気柱ができ，物理現象はますます複雑になります．これまでハイドロサイクロンを実際に CFDでモデル化する場合は，その大半で気柱がなく，微粒子相の体積負荷が少ない事例に限定されていました．流れ計算は単相であることが多く，ラグランジュ粒子トラッキングアプローチ（DPM）で分離効率を予測していました．ハイドロサイクロンは気柱ができた状態で動作するのが普通で，スラリー供給濃度が体積にして10%を超えているので，単純なアプローチはハイドロサイクロンに適していません．気柱の形状はスラリー濃度ならびに渦流と強く相互作用しており，出口間の流れ分岐を支配しています． FLUENT 6.2は，市販CFDソフトウェアとして初めて，オイラー混相流アルゴリズムをレイノルズ応力のフルモデルと連最小（10μm，左）と最大（40μm，右）の粒子に関する体積分率分布から示唆される石灰石の粒径依存挙動