新型錘片式粉碎機圓弧形分離裝置內氣固兩相流模擬研究*

曹麗英，楊李海，李春東，韓 磊

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古一機集團科研所，內蒙古 包頭 014030）

0 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已成為飼料生產(chǎn)大國[1]。粉碎是飼料生產(chǎn)中重要的工序之一，粉碎機是主要的粉碎設備，其中錘片式粉碎機因具有通用性好、結構簡單、易損件更換方便等優(yōu)點受到了廣泛應用。傳統(tǒng)臥室錘片式粉碎機工作時，粉碎室內存在空氣——物料環(huán)流層，容易造成過度粉碎、物料溫升大、能耗高、生產(chǎn)力低等問題[2-5]。

課題組研發(fā)了一種循環(huán)粉碎工藝的新型錘片式粉碎機，其結構和原理如圖1 所示，主要工作部件由轉子組、粉碎室和分離裝置組成，其中分離裝置主要工作部件由輸料管、回料管、出料管和篩網(wǎng)組成。工作原理為：物料在高速錘片的撞擊下被粉碎，隨后在轉子組的拋射以及高速旋轉的氣流帶動的雙重作用下進入輸料管，符合粒度的物料透過篩網(wǎng)，從出料管排出，不符合粒度的物料在自重以及粉碎室的負壓的雙重作用下，從回料管流回至粉碎室，再一次被粉碎，如此循環(huán)粉碎。但經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，該粉碎機存在分離效率比粉碎效率低的問題。

圖1 新型錘片式粉碎機結構及工作原理

分離裝置是完成物料篩分和物料進行循環(huán)粉碎的關鍵部件，而關于分離裝置結構方面的研究，課題組也做了大量工作，查閱分析了一些已有的相關文獻。白羽[6]將輸料管外壁面設計成最小摩擦功耗曲線形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出最小摩擦功耗曲線形輸料管的性能更加優(yōu)越；王亮等[7]將輸料管外壁面設計成圓弧形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出圓弧形輸料管有助于提高顆粒透篩率；楊左文[8]將出料管外壁面設計成圓弧形，基于Fluent模擬氣固兩相流得出圓弧形出料管有助于顆粒透篩。這些研究成果不足之處在于：1）這些研究都集中于分離裝置中在單一的外壁面的形狀變更，并未將更多壁面組合起來變更；2）模擬氣固兩相流都基于Fluent這一款軟件，F(xiàn)luent兩相流模擬中對于物料只是以料群的形式體現(xiàn)，缺乏對單顆粒物料運動規(guī)律的定量描述[9]?；诖耍n題組設計了一種圓弧形分離裝置，再基于Fluent-EDEM 耦合對其與原始分離裝置進行模擬對比研究。本文的研究內容和方法可為新型錘片式粉碎機提高生產(chǎn)效率提供理論依據(jù)與技術指導。

1 圓弧形分離裝置設計

為了減小物料顆粒與輸送管外壁面的碰撞能量損失，從而避免顆粒被提前吸附進回料管而無法完成透篩，因此將輸送管外壁面設計成圓弧形[7]；為了減少篩網(wǎng)頂部的湍流以提高透篩率，因此將出料管外壁面設計成圓弧形[8]；考慮到變截面管道相對等截面管道會增加氣流能量損失，因此將輸送管內壁面圓弧設定為外壁面同心圓弧。圓弧形分離裝置結構示意圖如圖2 所示，其中R1為950 mm，R2為805 mm，R3為350 mm。

圖2 圓弧形分離裝置結構示意圖

2 控制方程

2.1 氣體相控制方程

本研究模擬視氣體不可壓縮，流態(tài)為湍流。由于有篩網(wǎng)存在，網(wǎng)格比較小，很難達到網(wǎng)格體積大于顆粒體積這一體積分數(shù)傳遞計算要求，因此只采用動量源項來對氣體相和固體顆粒相進行雙向耦合傳遞計算，整個計算過程采用瞬態(tài)。綜上分析，根據(jù)雷諾平均方程，氣體相控制方程如下：

2.2 固體顆粒相控制方程

固體顆粒在分離裝置中運動，會受到來自氣體影響的許多作用力，本研究模擬只考慮影響較大的曳力。除了氣體作用力之外，還會受到來自顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的接觸力以及自身的重力。綜上分析，根據(jù)牛頓第二定律，固體顆粒相控制方程如下：

3 模型建立

3.1 實體模型建立

利用SolidWorks 對設計好的圓弧形分離裝置實體建模，為了與之對比，將原始分離裝置模型一并建立，實體模型如圖3 所示。

圖3 分離裝置實體模型

3.2 計算域模型建立

將建立好的分離裝置實體模型導入到SpaceClaim 中，直接對其體積進行抽取，生成計算域模型，如圖4所示。

圖4 分離裝置計算域模型

3.3 網(wǎng)格模型建立

將建立好的計算域模型導入到Ansys mesh 中，采用適應性較好的非結構化網(wǎng)格進行劃分。整體計算域網(wǎng)格尺寸設置為7 mm，篩網(wǎng)處的網(wǎng)格尺寸設置為4 mm。網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 分離裝置網(wǎng)格模型

4 參數(shù)設置

4.1 Fluent參數(shù)設置

湍流模型選擇標準k-ε湍流模型，曳力模型選擇Morsi and Alexander曳力模型。分離裝置入口邊界類型設置為速度入口（Velocity inlet），風速為10 m/s；出料口邊界類型設置為壓力出口（Pressure outlet），標準大氣壓；回料管出口邊界類型設置為壓力出口（Pressure outlet），負壓為-300 Pa；殼體邊界類型設置為壁面（Wall）[4]。

4.2 EDEM參數(shù)設置

本研究模擬視顆粒材料為玉米粒，其密度為1 154 kg/m3，泊松比為0.4，剪切模量為1.37×108Pa；玉米粒與玉米粒的碰撞恢復系數(shù)為0.302，靜摩擦系數(shù)為0.312，滾動摩擦系數(shù)為0.054 5；分離裝置材質為Q235，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.28，剪切模量為8.1×1010Pa；玉米粒與分離裝置的碰撞恢復系數(shù)為0.635，靜摩擦系數(shù)為0.439，滾動摩擦系數(shù)為0.031 7[10]。

設置顆粒為球形顆粒，粒徑分布統(tǒng)一固定。在分離裝置入口設置顆粒工廠，且設置顆粒為動態(tài)生成。EDEM 時間步長設置為Fluent 時間步長的百分之一。模擬時間為2 s。

5 顆粒運動過程模擬結果對比分析

截取顆粒運動過程中有意義的時刻圖像，其結果如圖6 所示，其中顆粒采用不同顏色表示不同能量大小。

圖6 顆粒運動過程

由圖6（a）可知：0.03 s時刻，源源不斷的顆粒在原始分離裝置入口處的顆粒工廠中生成；0.06 s時刻，顆粒首先與輸料管外壁面彎段處發(fā)生碰撞，碰撞后的顆粒，能量發(fā)生損失；0.09 s時刻，碰撞后的大部分顆粒向內壁面方向運動，另外小部分顆粒在氣流的作用下，沿著外壁面方向運動；0.13 s時刻，向內壁面方向運動的顆粒與內壁面上方處發(fā)生碰撞，能量進一步損失；0.25 s 時刻，碰撞后的大部分顆粒向篩網(wǎng)方向運動，進行透篩，另外小部分顆粒由于碰撞能量損失嚴重，且在回料管負壓的作用下，被提前吸附進回料管中，無法完成透篩；0.35 s時刻，無法完成透篩的顆粒由于與篩網(wǎng)碰撞，能量發(fā)生損失，且在重力及負壓的作用下，流入回料管中。

由圖6（b）可知：0.03 s 時刻，源源不斷的顆粒在圓弧形分離裝置入口處的顆粒工廠中生成；0.06 s～0.09 s時刻，顆粒由外層至內層，逐漸地與輸料管外壁面發(fā)生碰撞，能量發(fā)生損失；0.13 s時刻，顆粒沿著外壁面方向運動，且外層的顆粒在氣流的作用下，能量得到增強；0.25 s～0.35 s時刻，顆粒進行透篩，無法完成透篩的顆粒由于與篩網(wǎng)碰撞，能量發(fā)生損失，且在重力及負壓的作用下，流入回料管中。

綜上分析可知，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置能有效減少顆粒與壁面之間的碰撞，從而減少顆粒的能量損失，提高出料量。

5.1 入口空氣流速對兩種分離裝置出料量的影響對比

在EDEM 中設置入口料流速率為7 500 顆/s，顆粒粒徑為1.5 mm；在Fluent 中設置回料管出口負壓為-300 Pa，其次分別設置入口空氣流速為8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s五種工況，模擬時間2 s，模擬試驗結果變化趨勢如圖7所示。

圖7 兩種分離裝置出料量相對入口空氣流速的變化趨勢

由圖7 可知：兩種分離裝置出料量均隨著入口空氣流速增加而增加，當入口空氣流速由8 m/s 增加至12 m/s時，圓弧形分離裝置出料量由10 075顆增加至12 178顆，原始分離裝置出料量由9 610顆增加至11 324顆，這是因為入口空氣流速增加導致顆粒速度增加，從而到達篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目增加，出料量增加；在不同入口空氣流速下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著入口空氣流速增加而增加，當入口空氣流速分別為8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s時，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了4.84%、6.70%、6.90%、7.11%和7.54%。由此可見，入口空氣流速越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結構特性優(yōu)勢越顯著。

5.2 入口料流速率對兩種分離裝置出料量的影響對比

在Fluent中設置入口空氣流速為10 m/s，回料管出口負壓為-300 Pa；在EDEM 中設置顆粒粒徑為1.5 mm，其次分別設置入口料流速率為5 000顆/s、6 250顆/s、7 500顆/s、8 750顆/s和10 000顆/s五種工況，模擬時間2 s，其中7 500顆/s工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗結果變化趨勢如圖8 所示。

由圖8 可知：兩種分離裝置出料量均隨著入口料流速率增加而增加，當入口料流速率由5 000顆/s增加至10 000顆/s時，圓弧形分離裝置出料量由7 483顆增加至15 387顆，原始分離裝置出料量由7 117顆增加至14 187 顆。這是因為入口料流速率增加導致到達篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目增加，從而出料量增加；在不同入口料流速率下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著入口料流速率增加而增加，當入口料流速率分別為5 000顆/s、6 250顆/s、7 500顆/s、8 750顆/s和10 000顆/s時，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.14%、6.82%、6.90%、7.98%和8.46%。由此可見，入口料流速率越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結構特性優(yōu)勢越顯著。

5.3 回料管出口負壓對兩種分離裝置出料量的影響對比

在EDEM 中設置入口料流速率為7 500 顆/s，顆粒粒徑為1.5 mm；在Fluent中設置入口空氣流速為10 m/s，其次分別設置回料管出口負壓為-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa五種工況，模擬時間2 s，其中-300 Pa工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗結果變化趨勢如圖9 所示。

圖9 兩種分離裝置出料量相對回料管出口的變化趨勢

由圖9 可知：兩種分離裝置出料量均隨著回料管出口負壓增加而減少，當回料管出口負壓由-100 Pa增加至-500 Pa時，圓弧形分離裝置出料量由11 591顆減少至11 268 顆，原始分離裝置出料量由10 970顆減少至10 364 顆。這是因為回料管出口負壓增加導致提前被吸附進回料管的顆粒目數(shù)增加，從而到達篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目減少，出料量減少；在不同回料管出口負壓下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著回料管出口負壓增加而增加，當回料管出口負壓分別為-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa時，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.66%、6.02%、6.90%、8.39%和8.72%。由此可見，回料管出口負壓越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結構特性優(yōu)勢越顯著。

5.4 顆粒粒徑對兩種分離裝置出料量的影響對比

在Fluent 中設置入口空氣流速為10 m/s，回料管出口負壓為-300 Pa；在EDEM 中設置入口料流速率為7 500顆/s，其次分別設置顆粒粒徑為1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm五種工況，模擬時間2 s，其中1.50 mm工況的數(shù)據(jù)與本文5.1一致，模擬試驗結果變化趨勢如圖10 所示。

圖10 兩種分離裝置出料量相對顆粒粒徑的變化趨勢

由圖10 可知：兩種分離裝置出料量均隨著顆粒粒徑增加而減少，當顆粒粒徑由1.00 mm增加至2.00 mm時，圓弧形分離裝置出料量由12 757 顆減少至9 670顆，原始分離裝置出料量由12 077 顆減少至8 526顆，這是因為顆粒粒徑增加，第一導致顆粒體積增加，從而透篩困難度增加，成功透篩的顆粒減少；第二導致顆粒重力增加，從而越容易發(fā)生提前沉降，到達篩網(wǎng)處的顆粒數(shù)目減少。綜合上述兩種原因，因此出料量減少；在不同顆粒粒徑下，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量均有所提高，且提高幅度隨著顆粒粒徑增加而增加，當顆粒粒徑分別為1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm時，圓弧形分離裝置出料量相比原始分離裝置出料量分別提高了5.63%、6.57%、6.90%、8.42%和13.43%。由此可見，顆粒粒徑越大，相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置的結構特性優(yōu)勢越顯著。

6 結論

本文設計了一種圓弧形分離裝置，首先基于Fluent-EDEM 模擬了其與原始分離裝置中的氣固兩相流，隨后基于Fluent-EDEM 對兩種分離裝置模擬單因素試驗，分別得出以下兩個結論：

1）相比于原始分離裝置，圓弧形分離裝置能有效減少顆粒與壁面之間的碰撞，從而減少顆粒的能量損失，提高出料量。

2）圓弧形分離裝置出料量隨著入口空氣流速和入口料流速率增加而增加，隨著回料管出口負壓和顆粒粒徑增加而減少；相比于原始分離裝置，入口空氣流速、入口料流速率、回料管出口負壓和顆粒粒徑越大，圓弧形分離裝置的結構特性優(yōu)勢越顯著。