渦輪式氣流分級(jí)機(jī)葉片數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響

榮梅

（長江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434000）

1 概述

粉體分離是一項(xiàng)比較成功的新型技術(shù)。渦輪式分級(jí)機(jī)作為生產(chǎn)超細(xì)鐵粉體的核心設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于化工、石油、制藥、畜牧等行業(yè)[1-8]。在畜牧業(yè)存在很多飼料需要進(jìn)行處理，因此，本文從分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)中湍動(dòng)能基點(diǎn)進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)四種新型的葉片數(shù)轉(zhuǎn)籠，重點(diǎn)考察不同結(jié)構(gòu)對(duì)分級(jí)機(jī)內(nèi)部流程的影響，為后續(xù)渦輪式氣流分級(jí)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

首先運(yùn)用solidworks 進(jìn)行模型建立，然后導(dǎo)入到workbench中的mesh 模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分選取四面體和六面體單元，整個(gè)流道與內(nèi)部轉(zhuǎn)籠總共劃分為360 萬個(gè)node。模型分別定義進(jìn)口、出口、交界面。分級(jí)機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪模型采用滑移網(wǎng)格。分級(jí)機(jī)模型如圖1 所示，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖1 分級(jí)機(jī)模型

圖2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分完畢之后進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，由于顆粒的濃度達(dá)到了進(jìn)料的10%以上，本次實(shí)驗(yàn)是連續(xù)相流場(chǎng)中由顆粒構(gòu)成的離散相，不是完全的離散相的模型，選擇歐拉-拉格朗日方法的連續(xù)-離散相模型（CCDM）[9-13]進(jìn)行多相流分析，計(jì)算方法選擇歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行模擬計(jì)算。由于分級(jí)機(jī)內(nèi)部顆粒分離的一個(gè)重要影響因素就是顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象，湍動(dòng)能的數(shù)量級(jí)越高越有利于顆粒的分散，能有效的減少顆粒的團(tuán)聚，從而提高分級(jí)機(jī)的分機(jī)效率。在分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)籠周圍會(huì)聚集大量的物料顆粒，本次實(shí)驗(yàn)筆者運(yùn)用fluent 軟件模擬轉(zhuǎn)輪四周的湍動(dòng)能強(qiáng)度數(shù)量級(jí)別，對(duì)比新設(shè)計(jì)的幾種模型是否在湍動(dòng)能這一方面比原模型有增強(qiáng)的作用。

2 控制微分方程

kff-400 渦輪式分級(jí)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)為氣固兩相流，由于分級(jí)機(jī)入料的料氣比位于30kg/m3到50kg/m3之間，計(jì)算后得知流場(chǎng)內(nèi)的固相體積分?jǐn)?shù)在10%上下波動(dòng)，選用的歐拉-拉格朗日方法，同時(shí)可以忽略顆粒間的作用[3]。除了求解連續(xù)相的輸運(yùn)方程之外，還要在拉格朗日坐標(biāo)下計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng)中有顆粒構(gòu)成的離散相。

2.1 連續(xù)相(氣相)控制方程

在上述式子(1)-(4)中，α 是連續(xù)流體相的體積率，vi是流體相在笛卡爾坐標(biāo)i 方向上的流速分量；gi是坐標(biāo)方向上的體積力；Fi是連續(xù)相與離散相的相互作用力。

2.2 離散相顆粒之間的運(yùn)動(dòng)方程為：

顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)連續(xù)相的影響未考慮；湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應(yīng)用隨機(jī)方法來考慮瞬時(shí)湍流速度對(duì)顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴(kuò)散。通過計(jì)算顆粒的系統(tǒng)平均運(yùn)動(dòng)方程得到顆粒的某個(gè)“平均軌道”[5]，離散相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡后分析，顆粒受到的平衡力在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為計(jì)算重力（以x 方向?yàn)槔?/p>

步驟一：先假定計(jì)算域中不存在離散相，求解（1）（2）得到連續(xù)相流場(chǎng)；

步驟二：求解方程（5）（6），得到每個(gè)離散相的顆粒軌跡、體積率，從而在計(jì)算域中引入離散相；

步驟三：計(jì)算（10），得到相間動(dòng)量交換率并帶入方程（1）（2），重新計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng)；

步驟四：求解方程（5）（6），得到修正后的連續(xù)相流場(chǎng)中的顆粒軌跡、體積率；

步驟五：重復(fù)步驟三和步驟四，直到獲得耦合收斂。

3 模擬結(jié)果分析

依據(jù)理論計(jì)算，設(shè)置分級(jí)機(jī)的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速4000r/min和進(jìn)風(fēng)速度為15m/s，入口邊界選擇velocity-inlet，出口邊界選擇outflow，顆粒在入口所占的體積比設(shè)置0.15 超過10%，本次模擬主要是驗(yàn)證分析改進(jìn)結(jié)構(gòu)的合理性和提升作用，坐標(biāo)系建立以轉(zhuǎn)輪中心作為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，模擬分級(jí)機(jī)流場(chǎng)中轉(zhuǎn)輪四周湍動(dòng)能的強(qiáng)度。截面圖如圖3 所示。

迭代收斂后四種結(jié)構(gòu)模型的湍動(dòng)能強(qiáng)度分析結(jié)果如圖4（a）-（d）。

圖4(a-d)四種模型的結(jié)果圖顯示，橫坐標(biāo)為0 是轉(zhuǎn)輪中心，在坐標(biāo)-40 和+40 的值分別代表分級(jí)輪的邊緣處湍動(dòng)能強(qiáng)度，由圖（a-d）可知轉(zhuǎn)輪的邊緣處湍動(dòng)能強(qiáng)度數(shù)量級(jí)都有增強(qiáng)，50葉片的模型到80 葉片的模型湍動(dòng)能強(qiáng)度增幅從7*103 達(dá)到了2*104，湍動(dòng)能的增幅效果顯著。

超細(xì)粉體的生產(chǎn)技術(shù)難題之中有一項(xiàng)就是物料的制備過程中由于超細(xì)顆粒在氣相中相互之間的碰撞和附著而形成凝聚，解決凝聚問題的方法之一就是提高分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的湍動(dòng)能強(qiáng)度，湍動(dòng)能強(qiáng)度的提升有助于增強(qiáng)物料的分散性，從而在一定程度上解決超細(xì)顆粒的凝聚。因此模擬分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，研究轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)對(duì)湍動(dòng)能強(qiáng)度的影響，為渦輪式分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有力參考[1]。

4 結(jié)論

本文在對(duì)kff-400 高精度渦輪式氣流分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)和分級(jí)原理以及工藝參數(shù)進(jìn)行了分析之后，對(duì)粉體加工工藝提出了優(yōu)化和分級(jí)內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)用fluent 軟件進(jìn)行了三維流場(chǎng)的模擬。得出關(guān)于kff-400 高精度渦輪式氣流分級(jí)機(jī)的優(yōu)化流場(chǎng)模擬結(jié)果如下：

4.1 kff-400 高精度渦輪式氣流分級(jí)機(jī)的流場(chǎng)模擬結(jié)果顯示，在改進(jìn)了葉輪的數(shù)量之和，分級(jí)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)更趨近于穩(wěn)定。

4.2 從湍流動(dòng)能的角度來看，新設(shè)計(jì)的幾種結(jié)構(gòu)的分級(jí)機(jī)，湍流動(dòng)能都發(fā)生了一定的提升，從而能改善分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，提高分級(jí)機(jī)的分級(jí)性能和分機(jī)效率。

圖3 分級(jí)機(jī)模型截面示意圖

圖4 (a-d) 湍動(dòng)能強(qiáng)度四種模型

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