閥板開(kāi)啟過(guò)程磁介質(zhì)行為的數(shù)值模擬

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(石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

燒結(jié)機(jī)漏風(fēng)治理一直為業(yè)界所關(guān)注,漏風(fēng)，不僅使燒結(jié)礦生產(chǎn)能耗高、產(chǎn)率低、質(zhì)量下降，還污染環(huán)境。傳統(tǒng)卸灰閥密封性能的改造，注重密封墊片、彈簧補(bǔ)償裝置、閥板打開(kāi)方式、打開(kāi)速度以及配重結(jié)構(gòu)問(wèn)題[1]，有的進(jìn)行密封裝置改造[2]，還有的對(duì)燒結(jié)機(jī)采用全封閉技術(shù)[3]，使漏風(fēng)問(wèn)題得以改善。我們提出的燒結(jié)機(jī)磁力密封裝置[4-6]，有望徹底解決燒結(jié)機(jī)的漏風(fēng)問(wèn)題。為了弄清磁力密封卸灰閥在閥板開(kāi)啟過(guò)程磁介質(zhì)的行為，詮釋卸灰閥磁密封機(jī)構(gòu)的可靠性，選用收斂性、穩(wěn)定性和精度公認(rèn)為較高[7-8]的ANSYS及FLUENT數(shù)值分析軟件，對(duì)卸灰閥閥板開(kāi)啟過(guò)程磁介質(zhì)的行為，進(jìn)行了數(shù)值模擬。

1 模擬計(jì)算參數(shù)

將燒結(jié)機(jī)用磁力密封卸灰閥[6]的密封介質(zhì)作為研究對(duì)象，主要由亞鐵磁性粉末構(gòu)成。粉末顆粒細(xì)小、表面能大、易團(tuán)聚[9]。Ranbinow J提出的“磁流變效應(yīng)”指出施加外加磁場(chǎng)后，磁介質(zhì)中的磁性顆粒有序分布，在基液中成鏈狀[10]。模擬磁力線分布能反應(yīng)出磁性顆粒位置情況，模擬磁介質(zhì)流動(dòng)能反應(yīng)出磁介質(zhì)在閥板閉合時(shí)的位移趨勢(shì)。

模擬過(guò)程相關(guān)參數(shù)來(lái)源于實(shí)際測(cè)定和相關(guān)資料。磁介質(zhì)由實(shí)際測(cè)定得到：將磁介質(zhì)裝入內(nèi)徑為3 mm的軟管內(nèi)，裝入量不超過(guò)6 mm長(zhǎng)，兩端塞進(jìn)，用VSM振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.08；用LS908(A)型激光粒度分布儀測(cè)得磁介質(zhì)中磁性粉末的粒徑為28～35 μm，模擬計(jì)算時(shí)取值為35 μm；用SNB-1型數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得磁介質(zhì)粘度為36 060～37 000 mPa·s；用阿基米德法測(cè)得磁介質(zhì)的密度為3 500 kg/m3。實(shí)際燒結(jié)機(jī)負(fù)壓小于20 kPa，模擬取值20 kPa。

作為磁場(chǎng)源的永磁體，采用NIM-15000H大塊稀土永磁測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)得其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.188 T和磁感矯頑力為915 kA/m，求得其相對(duì)磁導(dǎo)率為1.164。

其它參數(shù)，不導(dǎo)磁介質(zhì)(閥板、空氣)相對(duì)磁導(dǎo)率為1，磁極材料磁導(dǎo)率選為300[11]。

2 模擬計(jì)算

2.1 ANSYS磁場(chǎng)分析過(guò)程

磁力密封裝置的二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析，設(shè)置GUI菜單過(guò)濾為“Magnetic-Nodal”，選用PLANE53，8節(jié)點(diǎn)四邊形磁實(shí)體矢量單元。磁場(chǎng)源并非完全不漏磁結(jié)構(gòu)，故需要對(duì)少部分空氣建模，強(qiáng)制磁力線與表面平行，邊界條件AZ=0。材料屬性參數(shù)如表1所示。

由以上材料屬性顯示ANSYS仿真模擬模型如圖1所示。網(wǎng)格劃分完后，將磁介質(zhì)及閥板等組件加載求解得到磁力線分布圖。

表1 模擬參數(shù)材料屬性表

2.2 FLUENT對(duì)磁介質(zhì)位移行為的數(shù)值模擬

由實(shí)驗(yàn)前期的理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)得出密封磁介質(zhì)的模擬參數(shù)如表2。

表2 密封磁介質(zhì)物性參數(shù)

圖2 密封介質(zhì)模型網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算域網(wǎng)格采用非均勻化網(wǎng)格，并綜合考慮了計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性，計(jì)算域如圖2所示。

網(wǎng)格左右兩側(cè)非劃分區(qū)域分別為磁場(chǎng)源和閥板，網(wǎng)格中間為磁密封介質(zhì)區(qū)域，是本模擬分析的重點(diǎn)，網(wǎng)格劃分較密集，上下較稀疏網(wǎng)格劃分區(qū)域?yàn)榭諝猓鄬?duì)磁導(dǎo)率值為1。

模擬過(guò)程中，忽略能量傳輸、溫度變化對(duì)微粒位移行為的極小影響，將Gambit中建立的模型導(dǎo)入FLUENT，采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，迭代過(guò)程中取庫(kù)朗數(shù)為1，迭代步長(zhǎng)設(shè)在10-6～10-4s范圍內(nèi)，得到結(jié)果后導(dǎo)入Tecplot進(jìn)行后處理。

3 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

圖3 密封機(jī)構(gòu)磁力線分布情況

(1)一對(duì)磁極形成三級(jí)密封。閥板閉合狀態(tài)，ANSYS磁場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3所示，磁密封機(jī)構(gòu)中磁力線分布，在閥板與磁場(chǎng)源之間(密封間隙)的上下部位(磁極區(qū))密度較高，磁力線方向根據(jù)磁密封機(jī)構(gòu)漏磁與否而異。不漏磁機(jī)構(gòu)磁力線大部分由N極經(jīng)磁介質(zhì)到S極；漏磁機(jī)構(gòu)，以磁極中部為界，內(nèi)側(cè)磁力線由N極經(jīng)磁介質(zhì)到S極，外側(cè)經(jīng)磁介質(zhì)向外形成漏磁，在磁極中部形成磁力線密度最低區(qū)。作為密封機(jī)構(gòu)，前者(不漏磁機(jī)構(gòu))為厚的一級(jí)密封；后者(漏磁機(jī)構(gòu))為“薄-較厚-薄”三級(jí)密封。即，一對(duì)磁極形成了三級(jí)密封。

但事實(shí)上，前者(不漏磁機(jī)構(gòu))難以實(shí)現(xiàn)，后者(漏磁機(jī)構(gòu))是實(shí)際存在狀態(tài)。

圖4 閥板閉合時(shí)磁介質(zhì)位移情況

(2)在磁場(chǎng)中磁介質(zhì)仍受重力影響。FLUENT模擬閥板完全閉合狀態(tài)磁介質(zhì)位移情況如圖4所示。

在重力、固液氣表面張力等作用下，密封介質(zhì)沿閥板間隙有一定程度下滑，如圖4(b)，磁介質(zhì)呈“上凹下凸”形態(tài)。上下邊緣變淡說(shuō)明磁介質(zhì)混入了空氣。表明：盡管有磁場(chǎng)約束，磁介質(zhì)還是受重力影響。分析原因：可能是由于密封能力已經(jīng)足夠大，卸灰閥上下存在的不超過(guò)20 kPa(按20 kPa計(jì))方向向上的壓差，不足以抽吸磁介質(zhì)向上，但磁力的作用也不會(huì)繼續(xù)下滑。

圖5 閥板閉合時(shí)磁介質(zhì)形態(tài)

(3)閥板開(kāi)啟時(shí)首先受擾動(dòng)的是上下邊緣處的磁介質(zhì)。FLUENT模擬閥板由閉合狀態(tài)開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，磁介質(zhì)位移情況如圖5所示。由圖5(a)、(b)可見(jiàn)，打開(kāi)過(guò)程的開(kāi)始時(shí)刻，磁介質(zhì)流動(dòng)性并不大，只是周邊空氣流速快，密封裝置上下邊緣位置介質(zhì)流速較快，微粒位移較內(nèi)部介質(zhì)大。圖5(c)、(d)磁介質(zhì)磁矢跡線圖及矢量圖與ANSYS磁介質(zhì)磁力線分析相近。表明閥板開(kāi)啟時(shí)首先受擾動(dòng)的是上下邊緣處的磁介質(zhì)。

圖6 閥板下降2 mm時(shí)速度等值圖

(4)閥板開(kāi)啟1/5時(shí)，磁介質(zhì)有剪切潤(rùn)滑降低閥板移動(dòng)阻力的作用，呈“上凸下凹”形態(tài)，密封處于臨界狀態(tài)FLUENT模擬閥板在打開(kāi)過(guò)程下降1/5(2 mm)時(shí)，磁介質(zhì)行為如圖6、圖7所示。

從圖中可以看出，磁介質(zhì)上下邊緣及密封間隙中部速度較大,在貼近閥板和磁場(chǎng)源兩側(cè)的部分移動(dòng)速度較小。

這是由于在閥板做微小位移時(shí)，磁介質(zhì)基本處于等磁位狀態(tài)，固液界面張力及顆粒閥板間的摩擦力作用使貼近閥板的磁介質(zhì)隨閥板同步移動(dòng)；而貼近磁場(chǎng)源的磁介質(zhì)隨磁場(chǎng)源固定不動(dòng)。從而，在密封間隙中部磁介質(zhì)速度最大。表明磁介質(zhì)有剪切潤(rùn)滑降低閥板移動(dòng)阻力的作用。

上下邊緣磁介質(zhì)受閥板移動(dòng)的擾動(dòng)也產(chǎn)生較大的速度。

因磁場(chǎng)作用下沿磁力線分布的磁性顆粒鏈在閥板打開(kāi)過(guò)程中，邊緣介質(zhì)受到相鄰磁性顆粒間的作用力減小，產(chǎn)生移動(dòng)。如圖7(a)，密封裝置邊緣與空氣接觸的介質(zhì)，在上下壓差及界面張力作用下，呈現(xiàn)“上凸下凹”狀態(tài)，下邊緣有斜上速度。表明，閥板下降2 mm時(shí)密封性已經(jīng)減弱，20 kPa方向向上的壓差對(duì)磁介質(zhì)產(chǎn)生了向上的推力，密封處于臨界狀態(tài)。

圖7(b)表明，位于跡線上的磁性顆粒有沿跡線所示軌跡移動(dòng)的趨勢(shì)。而此時(shí)的磁矢量如圖7(d)所示，磁性顆粒向兩個(gè)磁極緊密排布成環(huán)路。從而，磁介質(zhì)受磁場(chǎng)作用穩(wěn)定于密封部位。

圖7 閥板下降2 mm時(shí)磁介質(zhì)狀態(tài)

圖8 速度等值圖

(5)閥板開(kāi)啟2/5時(shí)，磁介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，再次呈“上凹下凸”狀，閥板上下連通。

閥板下降2/5(4 mm)時(shí)，如圖8～圖10所示。

如圖8所示，大部分磁介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)，只有上下邊緣及兩磁極中間部位靠近閥板的少部分磁介質(zhì)速度較大。說(shuō)明，當(dāng)閥板脫離磁場(chǎng)較大距離時(shí)，磁介質(zhì)不再處于等磁位狀態(tài)，而受磁場(chǎng)作用，脫離閥板回到磁場(chǎng)源附近。

由圖9可見(jiàn)，磁極周?chē)沤橘|(zhì)位移有“渦流傾向”，但如圖10磁極周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度大，磁性顆粒會(huì)緊密有序排列于磁極周邊，在兩磁極之間，磁力相對(duì)減弱，而出現(xiàn)氣孔。從矢量圖知，固液氣交界處顆粒位移變化值大，而氣孔的出現(xiàn)說(shuō)明閥板下降4 mm時(shí)，已經(jīng)不能保證密封穩(wěn)定性，因此，閥板開(kāi)啟3/5、4/5時(shí)不予討論。由于密封裝置下部壓強(qiáng)高于上部，氣體又由下部進(jìn)入，造成壓差降低。由圖9(a)、圖9(b)知，磁介質(zhì)在密封間隙中不再“上凸下凹”，而呈“下凸上凹”狀，表明閥板上下已經(jīng)連通。

圖10與圖7對(duì)比知，閥板打開(kāi)對(duì)磁場(chǎng)分布無(wú)影響。說(shuō)明，閥板位移較大時(shí)，磁介質(zhì)不再處于等磁位狀態(tài)，而受磁場(chǎng)約束，脫離了閥板的引力，重新積聚于磁場(chǎng)源，處于穩(wěn)定狀態(tài)。保證了磁介質(zhì)不被閥板帶走，維持磁力密封機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。

圖9 閥板下降4 mm磁介質(zhì)狀態(tài)

圖10 閥板下降4 mm時(shí)磁介質(zhì)狀態(tài)

(6)閥板完全打開(kāi)時(shí)，磁介質(zhì)向外緣擴(kuò)張， 上少下多呈“半梨”狀穩(wěn)定存在。當(dāng)閥板完全打開(kāi)，密封介質(zhì)行為如圖11所示，呈“半梨”狀。

閥板完全打開(kāi)時(shí)，閥板移走，磁介質(zhì)聚集于磁場(chǎng)源附近，呈下多上少態(tài)，其表面接觸空氣并有基液析出。如圖11(b)～(e)，反映出閥板完全打開(kāi)撤走的瞬間，磁介質(zhì)呈現(xiàn)出3個(gè)“渦流”狀位移路徑，但由于磁場(chǎng)力作用，最終聚集、穩(wěn)定于磁場(chǎng)源附近呈“半梨”狀穩(wěn)定存在。

圖11 閥板完全打開(kāi)介質(zhì)狀態(tài)

4 結(jié)論

(1)閥板處于閉合狀態(tài)時(shí),易形成“一對(duì)磁極三級(jí)密封”的磁密封機(jī)構(gòu)；此時(shí)磁介質(zhì)呈“上凹下凸”形態(tài)，表明密封能力足夠大，磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中仍受重力影響。

(2)閥板開(kāi)啟時(shí)首先受擾動(dòng)的是上下邊緣處的磁介質(zhì)。

(3)當(dāng)閥板開(kāi)啟1/5時(shí)，因閥板產(chǎn)生的位移微小，磁介質(zhì)處于等磁位狀態(tài)，呈現(xiàn)中部速度較大，有剪切潤(rùn)滑降低閥板移動(dòng)阻力的作用；磁介質(zhì)呈“上凸下凹”形態(tài)，表明密封處于臨界狀態(tài)。

(4)閥板開(kāi)啟2/5時(shí)，大部分磁介質(zhì)吸附于磁場(chǎng)源，處于穩(wěn)定狀態(tài)，僅上下邊緣及兩磁極中間部位靠近閥板的少部分磁介質(zhì)速度較大。表明，當(dāng)閥板位移較大時(shí)磁介質(zhì)不再是等磁位狀態(tài)，此時(shí)將受磁場(chǎng)約束，脫離閥板的引力，重新積聚于磁場(chǎng)源，處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此保證了磁介質(zhì)不被閥板帶走，維持磁力密封機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行。磁介質(zhì)再次呈“上凹下凸”狀，表明閥板上下連通。

(5)閥板完全打開(kāi)時(shí)，磁介質(zhì)未隨閥板移動(dòng)，均吸附于磁場(chǎng)源處，呈上少下多的“半梨”狀形態(tài)穩(wěn)定存在，表明磁介質(zhì)基本無(wú)損耗。

(6)本磁密封機(jī)構(gòu)密封性好，運(yùn)行可靠。