面向CJ15 臥式濕法研磨機的CFD-DEM耦合仿真分析

吳 波，孫 飛，何 康，楊 權(quán)，李小標，蔡 斌，西成才

（1.宿州學(xué)院a.機械與電子工程學(xué)院；b.高端微納研磨裝備校企協(xié)同創(chuàng)新工程中心，安徽 宿州 234000；2.安徽儒特實業(yè)有限公司，安徽 宿州 234000）

在納米粉體生產(chǎn)方面， 濕法研磨不僅避免了化學(xué)法制造納米粉體的高成本缺陷， 也避免了機械干法研磨細度難以達到納米級粉體的不足， 是業(yè)界公認的最有效且最合乎經(jīng)濟效益的納米級粉體制備方法。 濕法臥式研磨機是目前常用的超細粉碎設(shè)備［1］。 國內(nèi)外很多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法探索了磨機內(nèi)部研磨過程中運動狀態(tài)和能量環(huán)境。 Jayasundara 等［2-3］利用CFD 對攪拌細磨裝備內(nèi)部礦漿和介質(zhì)的運動狀態(tài)進行了分析，Yang 等［4］使用離散單元法（DEM）對宏觀和微觀的粒子流在水平旋轉(zhuǎn)輥磨中不同區(qū)域內(nèi)的行為進行了系統(tǒng)分析，Sinnott 等［5］借助DEM 和PEPT 的仿真手段對介質(zhì)和研磨性能的關(guān)系進行了研究，楊濤等［6］借助于ANSYS軟件建立了大型半自磨機的有限元模型，趙艷平［7］利用FLUENT 軟件對臥式攪拌磨內(nèi)部流場進行了模擬。

但是物料和介質(zhì)在磨機中怎樣運動，其流場情況和顆粒場情況如何，物料粉碎規(guī)律與操作條件的關(guān)系怎樣，各實驗條件對能耗有何影響，這些都需要深入進行研究。 本文以安徽儒特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的CJ15 臥式濕法研磨機為研究對象，利用CFD-DEM 流固耦合方法對農(nóng)藥混懸液研磨過程進行仿真模擬，進而對流場速度規(guī)律、顆粒場能量變化規(guī)律進行分析。

1 數(shù)值模擬

在實際研磨時， 研磨機內(nèi)部主要是流固混合狀態(tài)的研磨介質(zhì)和顆粒間的相互作用， 本文采用計算流體力學(xué)（CFD）與離散元（DEM）耦合的方法分析流體相與顆粒相間的相互作用。數(shù)值模擬步驟為：（1）三維建模；（2）流場數(shù)值模擬設(shè)置；（3）顆粒場設(shè)置；（4）在FLUENT 中導(dǎo)入耦合文件，與EDEM 建立連接，開始耦合計算。

1.1 三維建模

安徽儒特實業(yè)有限公司生產(chǎn)的CJ15 臥式濕法研磨機， 轉(zhuǎn)子為渦輪轉(zhuǎn)子， 采用Solidworks 三維建模軟件對模型進行去圓角和去倒角處理， 去除擴散輪， 不設(shè)置進出口， 所有部件均進行等比例縮小，縮小后其有效研磨容積為0.03 L，筒體內(nèi)壁直徑為32.85 mm， 研磨筒內(nèi)壁軸向長度為47 mm，轉(zhuǎn)子直徑為26.88 mm，攪拌軸直徑為11.8 mm，簡化后的三維模型如圖1 所示。

圖1 簡化后的三維模型

1.2 流場設(shè)置

在Workbench 平臺中調(diào)用 “Fluid Flow（Fluent）”模塊，依次完成仿真模型設(shè)置、網(wǎng)格劃分和求解計算。

1.2.1 仿真模型設(shè)置

啟 動 “DM”， 將 簡 化 后 的 三 維 模 型 導(dǎo) 入“Geometry”，將計算域分成動態(tài)區(qū)和靜態(tài)區(qū)兩部分，將動態(tài)區(qū)和靜態(tài)區(qū)設(shè)置為“Fluid”類型，仿真模型如圖2 所示。

圖2 仿真模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

為提高計算效率和計算速度，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。研磨區(qū)網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格數(shù)量為261 888 個（圖3）。

圖3 網(wǎng)格劃分全剖圖

1.2.3 求解計算

選擇標準k-ε 湍流模型， 以農(nóng)藥懸浮液作為研磨對象， 根據(jù)農(nóng)藥生產(chǎn)廠家提供參數(shù)設(shè)置材料屬性， 設(shè)置農(nóng)藥密度為1 050 kg/m3， 動力黏度為0.4 Pa·s。 對于旋轉(zhuǎn)的流體耦合仿真， 選定壓力Coupled 耦合求解的控制方程進行求解。 對于研磨機的高速旋流，采用PRESTO!壓力的插值方法進行求解。

1.3 顆粒場設(shè)置

1.3.1 添加研磨介質(zhì)

介質(zhì)球顆粒的大小決定了介質(zhì)球與物料碰撞接觸點的數(shù)量。結(jié)合生產(chǎn)實際綜合考慮，選擇研磨介質(zhì)直徑為0.8 mm，材質(zhì)為氧化鋯。

1.3.2 定義幾何體參數(shù)

因為EDEM 三維建模能力較弱，所以研磨轉(zhuǎn)子、內(nèi)筒和顆粒都將通過導(dǎo)入的方式添加。 將ANSYS 生成的研磨轉(zhuǎn)子和內(nèi)筒的 “FFF.msh” 文件直接導(dǎo)入EDEM，并賦予氧化鋯的材料特性；將在Solidworks 軟件中畫好的顆粒以“.igs”格式導(dǎo)入EDEM，導(dǎo)入后生成的幾何體模型如圖4 所示。

圖4 幾何體模型圖

按照質(zhì)量生成方式設(shè)置顆粒參數(shù)。本文中將顆粒填充率設(shè)置為60%， 總生成顆粒質(zhì)量為0.065 2 kg， 生 成 速 度 為0.032 6 kg/s， 設(shè) 置 顆粒下降速度為1 m/s，方向為X 正方向，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時間設(shè)置為2.3 s，重力方向設(shè)置為X 正方向。

2 仿真結(jié)果及分析

物料的研磨主要來自物料與研磨介質(zhì)之間的碰撞，研磨效率、研磨介質(zhì)顆粒與物料之間的接觸力、碰撞頻率和碰撞強度都有著直接的關(guān)系。 仿真研究從探究研磨發(fā)生的主要區(qū)域、研磨過程中研磨介質(zhì)碰撞能量的變化情況入手。

2.1 流場分析

研磨介質(zhì)的動能直接來自流體， 流體速度梯度較大的地方，研磨介質(zhì)顆粒的碰撞更加劇烈，分析流體的速度等值線疏密程度可以預(yù)測研磨機的研磨效果。 當填充率為60%時， 研磨機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為800、1 000、1 200 和1 400 r/min 情況下的速度等勢圖如圖5～8 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速為800 r/min 時，研磨區(qū)域的速度等勢圖

圖6 轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時，研磨區(qū)域的速度等勢圖

圖7 轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 時研磨區(qū)域的速度等勢圖

圖8 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 時在研磨區(qū)域的速度等勢圖

由圖5～8 可知，轉(zhuǎn)子外緣到筒壁之間區(qū)域，等勢線較為密集，該區(qū)域速度變化較大，能量密度較大，此區(qū)域應(yīng)是物料破碎的主要區(qū)域；在徑向方向，自筒壁至研磨轉(zhuǎn)子外緣之間區(qū)域速度等勢線逐漸密集，說明速度逐漸增大， 轉(zhuǎn)子邊緣區(qū)域的流體存在較大動能。

2.2 顆粒場分析

研磨機剛啟動時， 研磨介質(zhì)的總能量等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能和流體的動能之和， 而當研磨介質(zhì)產(chǎn)生碰撞后， 研磨介質(zhì)的總能量等于介質(zhì)碰撞能量與研磨介質(zhì)的動能和。 通過對研磨介質(zhì)顆粒之間的碰撞能量進行研究，探究提高研磨效率的方法。

研磨介質(zhì)顆粒之間的碰撞能量等同于EDEM 中能量損失數(shù)值， 本文對不同轉(zhuǎn)速下顆粒碰撞產(chǎn)生的總能量損失、 法向能量損失和切向能量損失的數(shù)值進行分析。

2.2.1 碰撞總能量對比

通過模擬得到在60%填充率情況下，各轉(zhuǎn)速下顆粒碰撞總能量數(shù)據(jù)后，分別對得到的數(shù)據(jù)求平均值， 即可得到顆粒碰撞平均總能量損失。 在轉(zhuǎn)速為800 r/min 時顆粒碰撞平均總能量損失為3.079 2×10-6J；在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時顆粒碰撞平均總能量損失為2.969 12×10-6J； 在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 時顆粒碰撞平均總能量損失為2.139 55×10-6J；在轉(zhuǎn)速為1 400 r/min 時顆粒碰撞平均總能量損失為2.657 34×10-6J。 根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制出不同轉(zhuǎn)速下平均碰撞總能量對比折線圖，如圖9 所示。 由圖9知，顆粒碰撞平均總能量損失并不是隨轉(zhuǎn)速提高呈線性增長的，當轉(zhuǎn)速為1 200 r/min 時，損失能量最小。 因此，對于本渦輪轉(zhuǎn)子研磨機而言，在顆粒填充率為60%、 轉(zhuǎn)速為800～1 000 r/min 時， 研磨效率較高。

圖9 60%填充率情況下不同轉(zhuǎn)速下碰撞總能量對比

2.2.2 切向和法向碰撞能量對比

物料的粉碎總體上是通過介質(zhì)球之間的碰撞實現(xiàn)的。 轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動以后，各轉(zhuǎn)速下研磨介質(zhì)顆粒切向碰撞能量和法向碰撞能量數(shù)據(jù)（總模擬時間的碰撞能量的平均值）變化情況如圖10 所示。由圖10 可知，切向碰撞能量與法向碰撞能量的比值近似為8∶2，研磨介質(zhì)顆粒平均切向碰撞能量遠大于平均法向碰撞能量，因此切向碰撞起主要研磨作用。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下平均切向和法向碰撞能量對比

3 結(jié)論

針對CJ15 臥式濕法研磨機CFD-DEM 耦合模擬仿真，主要研究結(jié)果如下：

（1）研磨機轉(zhuǎn)子外緣到筒壁之間區(qū)域為研磨破碎的主要區(qū)域；

（2）在填充率60%、轉(zhuǎn)速為800～1 000 r/min 時研磨介質(zhì)碰撞總能量最大，研磨效率最高，但是轉(zhuǎn)速1 200 r/min 為拐點，研磨介質(zhì)碰撞總能量最小。

（3）研磨介質(zhì)顆粒的切向碰撞能量始終大于法向碰撞能量，能量比例近似為8∶2，切向力在研磨過程中起主要作用。