入風(fēng)口配置對(duì)SLK渦流選粉機(jī)預(yù)處理系統(tǒng)影響的數(shù)值模擬

溫 通，趙云良，李少鵬，張子佳，牟秀娟，郭茂盛，宋少先

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430070；2.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所，北京 100084)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)研究的不斷發(fā)展，分級(jí)技術(shù)在建材、化工、食品等各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而喂料按粒度的分級(jí)效果是十分重要的[1-2]。在水泥、礦渣等處理加工工藝中，選粉機(jī)通過干法風(fēng)選實(shí)現(xiàn)物料的分級(jí)分離，已經(jīng)成為各工藝流程中關(guān)鍵的設(shè)備之一。

目前，選粉機(jī)設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷了三代的發(fā)展，渦輪選粉機(jī)作為最新的一代設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高精度地分選作業(yè)[3]。其中SLK型選粉機(jī)受到了廣泛的關(guān)注，并根據(jù)不同情況進(jìn)行了多種改進(jìn)[4]。異形導(dǎo)風(fēng)葉片、異形轉(zhuǎn)子葉片[5]以及懸浮式氣流散料裝置[6]等均取得了良好地優(yōu)化效果，并且已經(jīng)得到了實(shí)際的應(yīng)用。選粉機(jī)工作過程中，物料在散料錐處堆積為物料錐并形成料簾，同時(shí)在送料筒底端入風(fēng)的作用下均勻分散并進(jìn)入選粉室進(jìn)行粒度分級(jí)[7]。作為分級(jí)的主要區(qū)域，分級(jí)室的轉(zhuǎn)籠部件一直是研究的熱點(diǎn)[8]。然而，預(yù)處理系統(tǒng)在分級(jí)過程中也起到重要作用。優(yōu)良的分散效果和穩(wěn)定的喂料參數(shù)給分級(jí)室的穩(wěn)定分級(jí)提供重要保障[9]。因此，聚焦預(yù)處理系統(tǒng)也是提高選粉機(jī)分級(jí)效率的重要研究思路。為了提供穩(wěn)定分選的喂料參數(shù)，性能優(yōu)異的預(yù)處理系統(tǒng)應(yīng)該具有穩(wěn)定且分布均勻的流場(chǎng)特性。入風(fēng)口已被證實(shí)是一種改善湍流分布、優(yōu)化流場(chǎng)特性的有效方法[10]。因此，通過總結(jié)入風(fēng)口配置對(duì)流場(chǎng)特性的影響規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)選粉機(jī)分級(jí)精度的提升。

本文以SLK選粉機(jī)為研究對(duì)象，通過入風(fēng)口配置的數(shù)值模擬及顆粒受力的理論分析，提出選粉機(jī)的改進(jìn)方案。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)改進(jìn)方案的優(yōu)勢(shì)。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

參考SLK型選粉機(jī)實(shí)際尺寸參數(shù)構(gòu)建了預(yù)處理系統(tǒng)的模型，模型參數(shù)如表1所示。為了使模型更具有代表性，在散料錐處添加了上錐形以代表物料錐的形成。模型的構(gòu)建通過Solidworks軟件完成，并通過ANSYSICEM-CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域劃分，同時(shí)在散料錐處進(jìn)行網(wǎng)格加密以保證計(jì)算精度。四種模型劃分的網(wǎng)格總數(shù)均在10～17萬(wàn)之間，且網(wǎng)格質(zhì)量均超過0.36。模型及網(wǎng)格如圖1所示。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖1 模型及網(wǎng)格劃分
Fig.1 Model and meshing

1.2 邊界條件

假設(shè)入口處流體已充分穩(wěn)定，因此定義計(jì)算區(qū)域的入口為速度入口，同時(shí)，出口處定義為自由流出。根據(jù)公式:流速(v)=流量(Q)/截面積(S)，將入風(fēng)量換算為風(fēng)速，具體參數(shù)見表2。使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。離散方式選用Simple算法作為壓力-速度耦合方程的算法，壓力梯度設(shè)置為“Presto!”，動(dòng)量、湍流耗散等其它選項(xiàng)設(shè)置為“Quick”。殘差值設(shè)置為10-3，初始化后計(jì)算至收斂平衡。

表2 入風(fēng)口設(shè)置Table 2 Air inlet settings

圖2 單口入風(fēng)(a,b)、對(duì)口入風(fēng)(c,d)和四口入風(fēng)(e,f)配置下送料筒流場(chǎng)速度大小的切片云圖 (a,c,e:入風(fēng)量20 m3/s；b,d,f:入風(fēng)量40 m3/s)
Fig.2 Slice cloud diagram of the flow velocity in the feed cylinder with single inlet (a, b), opposite inlet (c, d) and four inlet (e, f) (a, c, e: air inflow 20 m3/s; b, d, f: air inflow 40 m3/s)

2 結(jié)果與討論

2.1 入風(fēng)口配置對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)的影響

圖2展示了不同入風(fēng)量條件下單口入風(fēng)、對(duì)口入風(fēng)和四口入風(fēng)配置對(duì)送料筒內(nèi)流場(chǎng)分布的影響。切片云圖和流體流線直觀地反映了流場(chǎng)流速的大小和流體的運(yùn)動(dòng)情況，并且從展示的結(jié)果來看，入風(fēng)量的差異沒有明顯地改變流場(chǎng)分布的規(guī)律。因此為了方便討論，在之后的分析中以Q=20 m3/s得出的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行參照及比對(duì)。從圖2(a)和(b)可知，單口入風(fēng)配置下，氣流會(huì)發(fā)生嚴(yán)重地偏移，急劇地匯集在入風(fēng)口對(duì)側(cè)。匯集的氣流造成強(qiáng)的擠壓作用，產(chǎn)生了高達(dá)30 m/s的流體流速。然而，在入風(fēng)口一側(cè)流體流速僅為9 m/s，與對(duì)側(cè)共同組成極為不均的流速分布。此外，嚴(yán)重的偏移行為還導(dǎo)致差異性的氣壓分布，迫使流體形成旋風(fēng)狀的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此，氣流在送料筒內(nèi)流向混亂，從而以雙螺旋形態(tài)上升直至預(yù)處理系統(tǒng)出口。相比于單口入風(fēng)，對(duì)口入風(fēng)緩解了由于氣流偏移而導(dǎo)致的流場(chǎng)混亂。從圖2(c)和(d)可以看出，氣流從入風(fēng)口流入后會(huì)在軸線處產(chǎn)生強(qiáng)的擠壓和剪切的對(duì)沖行為，這使得氣體匯集在送料筒軸線處。這改善了由于偏移現(xiàn)象而為流場(chǎng)分布帶來的負(fù)面影響，但氣流的對(duì)沖行為會(huì)使氣流向側(cè)面高速溢出，在如圖2(c)中虛線框所示的入風(fēng)口上方，產(chǎn)生了相當(dāng)長(zhǎng)的一段速度分布不均勻的流體區(qū)域。Z=0.2 m切面中的Y=0 m線上的流速均勻地分布在17 m/s左右，而X=0 m線上高流速集中在靠近軸線的區(qū)域，這不可避免地導(dǎo)致了較為明顯的擾動(dòng)。但在經(jīng)歷擾動(dòng)后，氣流能夠重新整流從出口流出。四口入風(fēng)配置相當(dāng)于垂直放置了兩組對(duì)口入風(fēng)，而根據(jù)圖2(e)和(f)的模擬結(jié)果來看，這一配置優(yōu)化了對(duì)口入風(fēng)方案。氣流從多個(gè)入口流入明顯地減少了由于對(duì)沖而導(dǎo)致的氣流溢出現(xiàn)象。在X=0 m和Y=0 m平面上能夠觀察到流速分布相似的流場(chǎng)，即流體越靠近軸線流速越快。雖然四口入風(fēng)已經(jīng)極大地壓縮了氣體可溢出的區(qū)域，但是仍然不可避免會(huì)在入風(fēng)口的間隔產(chǎn)生缺漏，因而不能完全消除溢流現(xiàn)象導(dǎo)致的氣流擾動(dòng)。但是，總的來說，無(wú)論是從氣流偏移，還是從氣體對(duì)沖溢出的角度出發(fā)，配置更多面的入風(fēng)口似乎是一種十分有效的優(yōu)化送料筒內(nèi)氣流的策略。

圖3 單口入風(fēng)(a,b)、對(duì)口入風(fēng)(c,d)和四口入風(fēng)(e,f)送風(fēng)筒湍流動(dòng)能大小的切片云圖 (a,c,e:入風(fēng)量20 m3/s；b,d,f:入風(fēng)量40 m3/s)
Fig.3 The slice cloud diagram of the turbulent kinetic energy in the feed cylinder with single inlet (a, b), opposite inlet (c, d) and four inlet (e, f) (a, c, e: air inflow 20 m3/s; b, d, f: air inflow 40 m3/s)

湍流動(dòng)能反映了湍流強(qiáng)度，它決定了流動(dòng)維持湍流或發(fā)展成為湍流的能力，是流體穩(wěn)定性的標(biāo)志。同時(shí)，由于湍流是能量耗散的一種途徑，因此湍流動(dòng)能也能夠在一定程度上反應(yīng)能量耗散的情況。圖3(a)和(b)展示的是單口入風(fēng)配置下湍流動(dòng)能的切片云圖。在入風(fēng)口對(duì)側(cè)以及入風(fēng)口兩側(cè)能夠觀察到高的湍流動(dòng)能數(shù)值，而這與流速切片云圖分析的結(jié)論相吻合。由于氣流偏移而導(dǎo)致流場(chǎng)混亂，流體在入風(fēng)口兩側(cè)及對(duì)側(cè)便會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，因而在這些區(qū)域產(chǎn)生了強(qiáng)湍流。圖3(c)和(d)所表示的對(duì)口入風(fēng)配置結(jié)果也與之前的結(jié)論相同，氣流對(duì)沖、剪切和溢出區(qū)域會(huì)產(chǎn)生高的湍流動(dòng)能。然而與單口入風(fēng)相比，對(duì)口入風(fēng)將最大湍流動(dòng)能的數(shù)值降低了大約2/3，同時(shí)高湍流動(dòng)能區(qū)域也得到了有效地降低。令人欣喜的是，四口入風(fēng)進(jìn)一步優(yōu)化了對(duì)口入風(fēng)流場(chǎng)的湍流情況。如圖3(e)和(f)，云圖中湍流動(dòng)能數(shù)值基本維持在30 m2/s2以下，并且湍流區(qū)域僅出現(xiàn)在不可避免的近壁面處。當(dāng)然，仍然會(huì)存在其他切面出現(xiàn)更高強(qiáng)的湍流區(qū)域，但是這無(wú)法掩蓋四口入風(fēng)在這三種如風(fēng)配置中的優(yōu)勢(shì)，并且這一優(yōu)勢(shì)在20 m3/s和40 m3/s的入風(fēng)量條件下都可以觀察到。結(jié)合流場(chǎng)流速分布的結(jié)果可以得出結(jié)論，即配置多面的入風(fēng)口能夠在送料筒的流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生更加優(yōu)異的流場(chǎng)特性。

2.2 顆粒受力分析

圖4 顆粒在送料筒的受力分析示意圖Fig.4 Schematic diagram about the force analysis of the particles in the feeding cylinder

顆粒在送料筒中的受力示意圖如圖4所示。軸向方向上顆粒受到向上的流體有效拖拽力(Fd)和自身浮力(Fb)，受到向下的重力(Fg)。此外，由于氣流在送料筒內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng)等情況而改變其流向，因此顆粒還會(huì)受到流體拽力的分力，流體擾動(dòng)拽力(Fdi)。各物理量的表達(dá)方式如下[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，m為固體顆粒質(zhì)量；ρs和ρg分別為固體顆粒和氣體的密度；V為固體顆粒體積；d為顆粒直徑；g為重力加速度；vg，vs，vgi分別為流體軸向上的有效分解速度，固體顆粒速度和分解的流體擾動(dòng)速度；A為等效體積顆粒的迎風(fēng)面積；CD為代表拽力系數(shù)，與顆粒雷諾數(shù)(Rep)有關(guān)。CD可以通過下式計(jì)算得出：

(5)

FT=Fd+Fb-Fg

(6)

(7)

由式(7)可知，顆粒軸向受力受到氣流有效速度和顆粒粒徑的影響。因此在給料穩(wěn)定的前提下，流場(chǎng)對(duì)顆粒運(yùn)輸起到?jīng)Q定性作用，這也與趙冬梅和童聰?shù)难芯拷Y(jié)論相同[11]。

2.3 環(huán)面入風(fēng)配置

有利于顆粒穩(wěn)定運(yùn)輸?shù)牧鲌?chǎng)特性是指流體具有大小均勻分布的流速、足夠的有效速度、統(tǒng)一的流向以及低的湍流發(fā)生率。而研究表明，徑向入口是影響分級(jí)機(jī)流場(chǎng)穩(wěn)定性的主要因素[12-13]。SLK選粉機(jī)的入風(fēng)配置呈徑向分布，因而優(yōu)化入風(fēng)口配置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分級(jí)機(jī)流場(chǎng)的調(diào)控。同時(shí)，根據(jù)不同入風(fēng)口配置對(duì)流場(chǎng)影響的規(guī)律可知，入風(fēng)口面積越大流場(chǎng)性質(zhì)越優(yōu)異。Safikhani等[14]的研究也指出更多數(shù)量的切向入風(fēng)口對(duì)分級(jí)機(jī)分選效率的有明顯的提升作用。因此提出環(huán)面入風(fēng)的配置形式，它被期待能夠在增強(qiáng)四口入風(fēng)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，削弱其潛在的氣流擾動(dòng)行為。

圖5為環(huán)形入風(fēng)配置的模擬結(jié)果，切片云圖直觀地展示了這一配置的優(yōu)點(diǎn)。氣流從入風(fēng)口進(jìn)入后首先對(duì)沖剪切，由于在水平面內(nèi)幾乎不存在可溢出區(qū)域，因而難以觀察到氣流的擾動(dòng)行為。同時(shí)，在對(duì)沖區(qū)域沒有觀察到高數(shù)值的湍流動(dòng)能，說明環(huán)形入口配置有效地抑制了湍流的形成及發(fā)展。以Q=20 m3/s條件為例，經(jīng)歷對(duì)沖區(qū)域后，氣流以大約9 m/s的速度流向預(yù)處理系統(tǒng)出口，這一數(shù)值略高于前面提到的三種入口配置。在水平面上，氣流速度遵循從軸線處向筒壁逐漸降低的規(guī)律分布，但高流速區(qū)域較四口入風(fēng)有更大的面積且湍流動(dòng)能更低。這樣的流場(chǎng)特性給予了喂料顆粒以均勻恒定的受力，因而在進(jìn)入分選室之前保持更為穩(wěn)定的顆粒運(yùn)輸，為高精度分選提供基礎(chǔ)。

圖5 環(huán)形入風(fēng)在入風(fēng)量為20 m3/s(a,b)和40 m3/s(c,d)的速度及湍流動(dòng)能大小的切片云圖
Fig.5 Slice cloud diagram of the velocity and the turbulent flow energy at the air inflow of 20 m3/s (a, b) and 40 m3/s (c, d) with annular inlet

由于物料初始位置位于散料錐處(Z=0.55 m水平面處)，因而流體流速及湍流動(dòng)能在該水平面的連續(xù)變化規(guī)律顯得更為關(guān)鍵。圖6和圖7分別就流速和湍流動(dòng)能在不同直線上的連續(xù)變化進(jìn)行了數(shù)據(jù)比較。以Q=20 m3/s條件為例，流體在靠近散料錐(|X|或|Y|<0.05 m)和壁面(|X|或|Y|=0.12 m)處有急劇的流速降低現(xiàn)象，這是由于粘性作用而導(dǎo)致的。此外，在單口入風(fēng)條件下，散料錐附近(以|X|或|Y|=0.07 m為標(biāo)準(zhǔn))流速僅能達(dá)到5.7 m/s左右，而對(duì)口、四口以及環(huán)形入風(fēng)能夠?qū)⑵浞謩e提升至7.3 m/s、9.8 m/s和10.2 m/s左右。這一規(guī)律在近壁面處正好相反，單口入風(fēng)條件流速最高，其次是對(duì)口入風(fēng)、四口入風(fēng)，最后是環(huán)形入風(fēng)。預(yù)處理系統(tǒng)的主要作用是分散并穩(wěn)定輸送物料，近散料錐處氣流流速越高送料筒性能越優(yōu)異。同時(shí)，在靠近壁面處有相對(duì)較低的流速也是降低能耗的一個(gè)方面。此外，四口入風(fēng)和環(huán)形入風(fēng)都能夠在散料錐水平面上產(chǎn)生對(duì)散料有利的流速分布，然而，環(huán)形入風(fēng)在散料料簾處形成更大的高流速區(qū)域。相對(duì)較大的流速區(qū)域是保證物料能夠充分分散和輸送的關(guān)鍵，因此環(huán)形入風(fēng)配置具有很大的優(yōu)勢(shì)。

而對(duì)于圖7展示的湍流動(dòng)能的分布，可以得出結(jié)論,入風(fēng)口數(shù)量越多，湍流動(dòng)能數(shù)值越低。低的湍流動(dòng)能帶來的優(yōu)勢(shì)就是得到更加穩(wěn)定的流場(chǎng)，以及降低由于擾動(dòng)而帶來的不必要能量耗散。穩(wěn)定的流場(chǎng)提供穩(wěn)定的物料輸送，而能量耗散的降低則為送料筒內(nèi)整體流速的提升提供積極影響。因此，環(huán)形入風(fēng)配置是一個(gè)比較成功的改造方案，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。

圖6 入風(fēng)量分別為20 m3/s和40 m3/s時(shí)散料錐處(Z=0.55 m)Y=0 m(a,c)和X=0 m(b,d)直線上的速度大小分布
Fig.6 Velocity distribution onY=0 m (a, c) andX=0 m (b, d) near the bulk cone (Z=0.55 m) respectively at the air inflow of 20 m3/s and 40 m3/s

圖7 入風(fēng)量分別為20 m3/s和40 m3/s時(shí)散料錐處(Z=0.55 m)Y=0 m(a,c)和X=0 m(b,d)直線上的湍流動(dòng)能大小分布
Fig.7 Turbulent kinetic energy distribution onY=0 m (a, c) andX=0 m (b, d) near the bulk cone (Z=0.55 m) respectively at the air inflow of 20 m3/s and 40 m3/s

3 結(jié) 論

(1)入風(fēng)口配置對(duì)送料筒內(nèi)流場(chǎng)特性影響較大，且入風(fēng)口配置越多，氣流穩(wěn)定性越好。單口入風(fēng)配置下氣流會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的偏移，導(dǎo)致流場(chǎng)混亂，氣流穩(wěn)定性差。對(duì)口入風(fēng)改善了氣流偏移的現(xiàn)象，但氣流會(huì)向側(cè)面高速溢出，仍然不能很好的保證流暢的穩(wěn)定性。四口入風(fēng)能夠從四個(gè)方位使氣體流入，極大地改善了氣流偏移以及側(cè)溢的問題。

(2)散料錐處顆粒的受力分析結(jié)果證明氣體流速、流速分布以及氣體穩(wěn)定性對(duì)顆粒受力及傳輸影響顯著。因此，合理優(yōu)化送料筒的氣流特性能夠有效地改善分選器性能。

(3)環(huán)形入風(fēng)能夠提供高的風(fēng)速和低的湍流以保證物料在散料錐處穩(wěn)定分散及傳輸。同時(shí)這種入口配置還能夠保證較大的高風(fēng)速區(qū)域，為物料的均勻分散提供支撐。

符號(hào)說明 Nomenclature