基于EDEM-Fluent 耦合的浮選腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

王懷，樊瑜瑾，劉小川，蔡培良，唐軍，吳家喜

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.563000 貴州省 遵義市 貴州航天天馬機(jī)電有限公司；3.655001 云南省 曲靖市 紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠 ;4. 650106 云南省 昆明市 昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司；5.650051 云南省 昆明市 中船重工750 試驗(yàn)場）

0 引言

成品煙絲中煙梗的含量會(huì)影響煙絲的質(zhì)量，通過對卷煙機(jī)浮選腔進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在梗絲分離過程中，主要利用煙梗和煙絲在浮選腔垂直流場中懸浮速度的差異，將浮選腔中的煙梗剔除[1]，浮選腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響顆粒懸浮速度及流動(dòng)形式，使分離效率降低。近年來，為了減少煙絲浪費(fèi)，研究人員針對不同類型的浮選腔已進(jìn)行了更加深入的研究。文獻(xiàn)[2]將浮選腔改為“之”字形結(jié)構(gòu)，并加裝打散機(jī)構(gòu)，可將結(jié)團(tuán)狀梗絲打散，加速梗絲的分離；文獻(xiàn)[3]根據(jù)PROTOSM5 煙梗剔除技術(shù)，設(shè)計(jì)制造“Z”字型浮選腔，讓顆粒在風(fēng)力作用下漂浮更久，從而使梗絲分離更徹底；文獻(xiàn)[4]通過增大浮選腔的體積，并將腔體改為斜體，設(shè)置錯(cuò)位排列擋風(fēng)塊，可提高梗絲風(fēng)選效果；文獻(xiàn)[5]研究彈絲松散機(jī)構(gòu)位置及擋風(fēng)塊的分布對氣流的影響，確定具有較優(yōu)分離效果的彈絲松散裝置位置與擋風(fēng)塊的個(gè)數(shù)；文獻(xiàn)[6]Fluent 軟件常用于風(fēng)選分離的仿真模擬，采用不同的實(shí)驗(yàn)方案對砂和細(xì)粉的分離效果進(jìn)行研究，并通過Fluent模擬仿真，可降低物料顆粒間的相互影響，提高風(fēng)選效率；文獻(xiàn)[7]利用Fluent 軟件對“Z”字形浮選腔進(jìn)行流場分析及數(shù)值模擬，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證梗絲分離效果較好的風(fēng)速范圍是2.8～3.2 m/s。上述研究均只使用Fluent 進(jìn)行分析，這些仿真模型均是球體，與梗簽、煙絲實(shí)物在流場中的受力有較大差異，且僅基于Fluent 的算法會(huì)忽略分離過程中的碰撞，因此，這些研究的模擬分析仍不夠完善。針對Fluent 的固有缺陷，用EDED-Fluent 耦合模擬氣泡床的氣固兩相流，建立不同直徑的固相顆粒模型，分析出不同顆粒在流場中受力的不同[8]。利用EDEM-Fluent 的耦合技術(shù)對浮選腔在不同負(fù)壓下進(jìn)行梗絲分離數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)浮選腔最佳分離負(fù)壓為-1.2 kPa，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，初步證明了耦合技術(shù)的可行性[9]。因此，可以通過EDEM-Fluent 耦合仿真技術(shù),對不同角度擋風(fēng)塊的浮選腔進(jìn)行流場變化和顆粒分離的研究，從而選取具有較優(yōu)分離效果的浮選腔擋風(fēng)塊類型，以達(dá)到減少煙絲浪費(fèi)的目的。

1 風(fēng)選原理及分離負(fù)壓的確定

1.1 風(fēng)選分離原理

浮選腔是利用負(fù)壓風(fēng)選分離的原理將真空浮選腔中煙梗、煙絲顆粒分離，即將較輕的煙絲和較重的煙梗分離[10]。當(dāng)梗絲顆粒經(jīng)過進(jìn)料板進(jìn)入真空浮選腔后，真空浮選腔處于垂直方向的負(fù)壓風(fēng)選系統(tǒng)，腔內(nèi)空氣的流體速度Vf與梗絲顆粒的沉降速度Vs都影響著腔內(nèi)顆粒的上升或者下降。真空浮選腔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 真空浮選腔Fig.1 Vacuum flotation chamber

當(dāng)Vf＞Vs時(shí)，沉降時(shí)較輕的固相顆粒（煙絲）就會(huì)上升，并從上方出料管進(jìn)入煙絲送料管道；當(dāng)Vf＜Vs時(shí)，沉降時(shí)較重的固相顆粒（煙梗）就會(huì)下落，從下方落料口掉入煙梗收集器；而當(dāng)Vf=Vs時(shí)，沉降時(shí)浮選腔中的煙梗、煙絲顆粒就會(huì)在一定范圍內(nèi)作無規(guī)則的上下浮動(dòng)[11]，此時(shí)，腔內(nèi)固相顆粒懸浮速度的大小和方向就與懸浮腔內(nèi)空氣的速度大小相等、方向相同。

1.2 分離負(fù)壓的確定

首先將煙梗、煙絲顆粒的橫截面積等效為等投影面積徑。其公式為

式中：A——煙絲、煙梗顆粒的投影面積，m2。

由式（1）計(jì)算結(jié)果可計(jì)算出煙絲、煙梗顆粒的懸浮速度Vs

由于式（2）中計(jì)算模型為球體，而煙絲、煙梗在實(shí)際中均為不規(guī)則的固體顆粒，故需使用球形修正系數(shù)對結(jié)果進(jìn)行修正

式中：δs——球形修正系數(shù)，取0.2。

再通過式（2）、式（3）的計(jì)算結(jié)果可計(jì)算最佳分離負(fù)壓

式中：ρ——空氣密度，取值1.293 kg/m3；l——浮選腔送料管的距離，取值0.234 m；C——關(guān)于雷諾數(shù)Re 的函數(shù)，取值0.44；n——浮選腔內(nèi)壁粗糙度，取值0.5；R——浮選腔水力半徑，取值0.075 m。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，煙絲密度約為223 kg/m3，截面尺寸為0.15～0.90 mm×0.80 mm；煙梗密度約為369.7 kg/m3，截面尺寸為 3 mm×2 mm～7 mm×2 mm[12]，經(jīng)計(jì)算可得：最佳分離負(fù)壓范圍為-0.8～ -1.3 kPa，在仿真時(shí)負(fù)壓取值為-1.2 kPa。

2 模擬方法的選擇

當(dāng)顆粒在浮選腔中進(jìn)行負(fù)壓分離時(shí)，由于浮選腔內(nèi)擋風(fēng)塊角度不同會(huì)產(chǎn)生不同的流域，而顆粒在分離過程中存在大量碰撞，主要包括顆粒相互之間的碰撞以及顆粒與腔內(nèi)壁的碰撞。碰撞造成顆粒在浮選腔中無規(guī)則上下飄動(dòng)，流域的不同也會(huì)使顆粒在碰撞之后出現(xiàn)不一樣的分離效果。

由于單純的Fluent 算法在模擬運(yùn)算過程中并不考慮碰撞的因素，因此，運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際誤差較大。針對此弊端，可通過耦合程序?qū)luent 與EDEM 進(jìn)行耦合，其優(yōu)點(diǎn)在于：能夠?qū)熃z、煙梗的真實(shí)屬性反映在顆粒的無規(guī)則碰撞懸浮運(yùn)動(dòng)中，模擬分析出碰撞后分離效果的差異，也可以將流場的流速、分布情況表現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出煙絲、梗簽顆粒在豎直氣流中懸浮速度的差異，通過耦合仿真，統(tǒng)計(jì)落料口和出料口煙絲顆粒中煙梗顆粒的含量，驗(yàn)證具有較優(yōu)分離效果的擋風(fēng)塊類型。

3 浮選腔耦合仿真模擬

3.1 浮選腔建模

由于方形浮選腔、三角形型擋塊及長方體彈絲松散機(jī)構(gòu)組合而成的浮選腔分離效果較好[13]，如圖2 所示。擋風(fēng)塊可將浮選腔正常工作過程中的團(tuán)狀煙絲和梗簽混合物打散，也可以使流場中形成多處大小不同的渦流，增加分離效果?；诓煌螤顡躏L(fēng)塊可改變氣流運(yùn)動(dòng)的思路，擋風(fēng)塊形狀分別設(shè)計(jì)了30°，45°，60°，90°四種不同方案。4 種模型如圖3 所示。建模完成后，分別將不同角度擋風(fēng)塊和彈絲松散機(jī)構(gòu)與浮選腔進(jìn)行裝配。

圖2 方形浮選腔Fig.2 Square flotation chamber

圖3 擋風(fēng)塊4 種模型Fig.3 Four models of windshield

3.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真前，先對Fluent 軟件進(jìn)行前處理。當(dāng)浮選腔正常工作時(shí)，腔體內(nèi)充滿了空氣，故用Fill工具創(chuàng)建腔內(nèi)流體域，再劃分網(wǎng)格，設(shè)置浮選腔的進(jìn)料口int1、落料口int2、出料口out3 與壁面wall，如圖4 所示。分別將4 種不同角度的擋風(fēng)塊導(dǎo)入到Fluent 中，定義重力的方向與大小，設(shè)置int1，int2 處的氣壓為0，將out3 處的氣壓設(shè)置為-1.2 kPa，選用解算模式為PISO，并設(shè)置時(shí)間步長、仿真步數(shù)、解算器參數(shù)等。

圖4 Meshing 中的模型設(shè)置Fig.4 Model settings in Meshing

對EDEM 進(jìn)行前處理，設(shè)置重力加速度為Y方向-9.81 m/s2，浮選腔內(nèi)壁材料為304 不銹鋼，建立煙絲、煙梗顆粒的形狀如圖5 所示。其中，煙絲、煙梗顆粒密度分別為223.0，369.7 kg/m3，以尺寸3 mm 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終浮選腔劃分網(wǎng)格125 222 個(gè)。內(nèi)壁材料與腔內(nèi)顆粒的屬性和相互作用系數(shù)分別如表1、表2 所示。最后，通過耦合程序?qū)luent 和EDEM 軟件進(jìn)行耦合。

圖5 顆粒模型Fig.5 Particle model

表1 材料屬性Tab.1 Material property

表2 相互作用系數(shù)Tab.2 Interaction coefficients

3.3 不同角度擋風(fēng)塊的浮選腔流場分析

真空浮選腔內(nèi)煙絲、煙梗顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由流場在腔內(nèi)的分布決定的[15]。通過EDEMFluent 耦合仿真后，可以利用Fluent 軟件對4 種不同角度擋風(fēng)塊的浮選腔仿真過程中的流域變化進(jìn)行分析研究。利用軟件中Surface 工具截出浮選腔中間位置的一個(gè)X 方向平面，對比4 種不同角度擋風(fēng)塊的浮選腔中間平面上的X 速度分布圖的優(yōu)劣，綜合考慮可選出最適合懸浮分離的浮選腔擋風(fēng)塊類型。

4 種不同擋風(fēng)塊角度的浮選腔X 截面速度圖如圖6 所示。在圖6（a），30°擋風(fēng)塊浮選腔X 速度圖中，在中部和上部擋風(fēng)塊附近的速度旋渦明顯與腔內(nèi)其他區(qū)域的速度旋渦分離，形成了高度集中的2 個(gè)小型速度旋渦，當(dāng)腔內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)到該擋風(fēng)塊附近時(shí)，這種高速旋渦能夠?qū)⒅亓?、懸浮速度不同的兩種顆粒進(jìn)行二次分離，從而使浮選腔的分離效果更好；在6（b）、6（c）、6（d）中，中部和上部的擋風(fēng)塊形成的速度旋渦均被其他區(qū)域的速度旋渦影響，從而混合在一起，對于質(zhì)量、懸浮速度差異較小的顆粒，不能進(jìn)行有效的分離。

圖6 4 種不同角度擋風(fēng)塊浮選腔X 速度圖Fig.6 X-velocity diagram of flotation chamber of four different angle windshields

4 種不同角度擋風(fēng)塊流場跡線圖如圖7 所示。由圖7（a）可明顯看出，在30°擋風(fēng)塊的浮選腔內(nèi)，中部和上部擋塊間靠近擋風(fēng)塊區(qū)域的流場跡線顏色較深，速度較大，而中間流道流場跡線顏色較淺，速度較小，流域的速度層次明顯，容易將腔內(nèi)的不同顆粒進(jìn)行有效分離。而在其他角度擋風(fēng)塊的腔內(nèi)流域中，擋風(fēng)塊附近的流場跡線沒有明顯速度差異，且速度大小的種類沒有30°擋風(fēng)塊流域豐富，很可能造成顆粒還未分離就被氣流帶出懸浮腔的情況。綜合比較認(rèn)為30°擋風(fēng)塊浮選腔的方案能更徹底地分離煙絲和煙梗顆粒。

圖7 4 種不同角度擋風(fēng)塊流場跡線圖Fig.7 Flow field trace of four different angles of windshield

3.4 4 種擋風(fēng)塊腔內(nèi)顆粒的統(tǒng)計(jì)分析

耦合仿真過程中，為了更能直觀地看出每種擋風(fēng)塊方案在腔體豎直氣流中分離效果的差異，利用EnSight 軟件分別對EDEM-Fluent 耦合仿真過程中梗絲分離的煙絲和煙梗顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為便于得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置出料口及落料口為統(tǒng)計(jì)區(qū)域，如圖8 所示。對4 種不同角度擋風(fēng)塊浮選腔分別進(jìn)行10 次分離仿真實(shí)驗(yàn)，每次投入顆粒數(shù)增加100，為確保浮選腔內(nèi)充滿負(fù)壓，待耦合仿真開始一段時(shí)間后，統(tǒng)計(jì)投入顆粒到仿真結(jié)束時(shí)間內(nèi)出料口及落料口的煙絲、煙梗顆粒數(shù)量，計(jì)算出分離效率，結(jié)果如表3 所示。

圖8 顆粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)區(qū)域Fig.8 Particle count area

表3 三角形型、半圓形型、梯形型裝置分離效率Tab.3 Triangular,semicircular,and trapezoidal device separation efficiency

10 次統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，每次投入顆粒之后，4 種不同角度的擋風(fēng)塊浮選腔分離效率不同，其中分離效率由高到低依次為30°擋風(fēng)塊浮選腔、60°擋風(fēng)塊浮選腔、90°擋風(fēng)塊浮選腔和45°擋風(fēng)塊浮選腔。該統(tǒng)計(jì)結(jié)果與之前的仿真分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

基于EDEM-Fluent 耦合技術(shù)，建立形態(tài)更接近于實(shí)物的煙絲、煙梗顆粒模型，在-1.2 kPa 仿真條件下，對浮選腔在不同角度擋風(fēng)塊下的梗絲分離進(jìn)行耦合仿真，并對顆粒的分離效率進(jìn)行了計(jì)算分析，分析數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較表明：30°擋風(fēng)塊的浮選腔內(nèi)流場分布和速度分布更合理，更有利于顆粒的二次分離；當(dāng)分離負(fù)壓為-1.2kPa時(shí)，30°擋風(fēng)塊裝置是浮選腔梗絲分離最好的選擇；30°浮選腔的分離效率高于45°，60°，90°的擋風(fēng)塊浮選腔；針對煙絲、煙梗的分離模型，EDEM-Fluent 的耦合仿真研究對實(shí)際的梗絲篩選提供了一定參考。