選粉機三維動態流場數值研究

豆海建，曾榮，唐清華，柴星騰，聶文海，申占民

選粉機屬于粉磨系統的核心裝備，其性能指標的好壞直接影響粉磨系統的產量、質量、粉磨電耗及穩定性。選粉機的性能指標又直接決定于其內部的流場結構，因此國內外均對選粉機流場開展了較多的理論研究[1～9]，這些研究方法同本文不同：

（1）采用多重參照系（Multiple Reference Frame model，簡寫MRF）方法處理轉子的轉動過程

多重參照系主要用于計算域內不同子域以不同的速度旋轉或移動的流體計算，由于在各自的計算子域內采用其對應的參照系，相對速度梯度小，降低數值求解誤差。但多重參照系沒有考慮旋轉或移動子域對其相鄰子域的相對運動，只是對旋轉或移動參照系下的控制方程中添加由于相對運動產生的動量、質量、能量及它標量源項，即旋轉或移動子域的計算網格是固定的，這相當于將旋轉或運動子域中的動部件固定在某一特定位置，研究流體相對于該特定位置的流動情況。對于選粉機流場研究而言，采用多重參照系解決選粉機轉子的轉動問題就是將選粉機轉子固定在相對于靜子的某一特定位置，然后人為讓轉子域的流體以給定的速度轉動，研究其相對于轉子流動情況，即轉子內流體的流動是主動因素，這背離了選粉機轉子域流體的流動是由于轉子葉片轉動而被動流動的實際物理過程。

（2）采用定常流動計算方法

選粉機轉子動葉片在轉動一周的過程中，周期性地經過相鄰兩靜葉片之間扇形區域，在旋轉經過每扇形區域過程中，由于動葉片相對于靜葉片的位置在不停地變化造成動靜葉片間的流體空間也在不停地變化，因此即便轉子以恒定的轉速轉動，選粉機內的流場仍為典型的非定常流動。

針對國內外目前對選粉機流場研究存在的不足之處，本文采用滑移網格技術和非定常流動求解方法研究選粉機三維動態流場，不僅證實了轉子葉片間及轉子內流體的流動是由于轉子轉動引起的被動流動，而且能夠同時研究固體顆粒在選粉機空間和時間上的運動行為，更接近選粉機內部氣固流動實際過程。

1 幾何物理模型

本文以TRM56.4輥磨選粉機為研究對象，以降低選粉機阻力為結構優化目的，采用三維建模軟件構建選粉機流體域實體幾何模型，為采用滑移網格技術，以選粉機動-靜葉片1/2間隙柱面位置及轉子上面端面位置對選粉機幾何模型進行分割（圖1）。將生成的三維幾何模型導出parasolid格式文件（*.x_t），并導入網格生成軟件Gambit2.4.6，采用網格加密和網格過渡技術，生成圖2所示的計算網格。為研究幾種常見動葉片的阻力特性，對TRM、LV、Leosche及L型動葉片結構并基于相同的動葉片間隙風速（動力相似）工藝計算分別進行幾何建模和計算，動葉片結構形式及尺寸見圖3。

表1 選粉機計算邊界參數

2 計算邊界條件

選粉機計算邊界參數見表1。

3 數值求解

本文采用CFD商用軟件Fluent6.3非定常求解器，湍流模型采用RNG[9]湍流模型，速度-壓力耦合方程采用PISO算法[10]求解，差分格式除壓力采用PRESTO!格式[11]外，其余均采用 Third-Order MUSCL 格式[12]，滑移網格求解設置如下：

（1）定義轉子流體域為rotor，類型為Fluid，將rotor內轉子葉片、筋板、轉子軸等所有隨轉子一起轉動的幾何結構面統一定義為固壁rotorwall，類型為WALL。

（2）定義圖2所示滑移網格界面為INTERFACE類型邊界，輸出各流體域網格，并逐個導入CFD求解器，分別將Slide1-1與Slide1-2、Slide2-1與Slide2-2、Slide3-1與Slide3-2定義 Slide1、Slide2、Slide3三個滑移網格副；其次，將轉子流體域rotor設置為動網格（Moving mesh），設置自轉revolving運動類型，并根據轉子轉動方向按右手定則定義轉軸矢量坐標，依據轉子設計或工作轉速計算并設置rotor轉速（rad/s）。

（3）將轉子rotor-wall壁面設置為跟隨相鄰網格運動，將相對運動速度值設置為0m/s，實現轉子葉片及內部筋板、轉軸按照流體域rotor設定的轉速轉動。

（4）按表1所示的選粉機喂料量及喂料粒度分布定義DPM多相流模型，設置選粉機入口為顆粒相注入口，入口類型為面Surface，入射方向沿氣流方向。

（5）求解器采用非定常求解器，并按照轉子轉速α（rad/s）、單個轉子葉片掃過相鄰靜子葉片間隙所經過的角度θ（rad），計算數值求解最大時間步長τmax、τinitial：

其中n≥2整數，視實際求解過程的穩定性取值，n值越大求解越穩定，但計算收斂速度越慢。

（6）初始化求解程序，設置求解殘差及選粉機進、出口壓力監控曲線，開始迭代計算，求解過程中視殘差曲線的穩定性調整計算時間步長τ（τinitial≤τ≤τmax），待選粉機進、出口壓力監控曲線水平或長時間規律波動、選粉機入口與成品出口和粗粉回料出口質量流速平衡，即可視為求解收斂。

4 計算結果與討論

表2 幾種常見動葉片結構選粉機計算阻力

圖3所示四種不同的動葉片結構在57r/min、35r/min兩種轉子轉速工況下選粉機阻力計算數據見表2。各方案采用相同結構靜葉片，且動葉片數目基于動葉片間相同的靜態間隙風速條件計算得到，在相同的轉子轉速、選粉機風量和喂料量條件下，表2所示的選粉機方案具有動力相似的條件，因而計算得到的選粉機阻力具有可比性，即計算得到的各方案選粉機阻力主要是由于動葉片結構不同造成的。由表2可見，在兩種不同的轉子轉速條件下，LV動葉片方案具有最小的選粉機阻力；此外，在35r/min轉子轉速下，LV動葉片同其他方案的阻力差最大613.4Pa，最小345.2Pa；在57r/min條件下，阻力差最大 957.7Pa，最小 424.8Pa，這說明轉子速度越高，其低阻優勢越明顯。

根據圖3所示選粉機動葉片結構，LV動葉片區別于其他動葉片結構的共同點在于其外側擋板，該擋板能有效克服動葉片間氣流的旋轉離心力阻礙來自靜葉片的氣流進入動葉片間隙（圖4）；如無該擋板，動葉片間的旋轉氣流的離心力就在一定程度上阻礙靜葉片氣流進入動葉片間隙（圖5），從而增加阻力。Leosche動葉片雖有外側擋板，但由于該擋板同葉片直段存在42°的夾角，在隨其內側轉子高速旋轉的過程中，該擋板會直接對來自靜葉片的氣流產生外推作用，此外，42°夾角相對于LV的垂直角，其平衡動葉片間氣流離心作用的效果也受到削弱，這必然導致Leoshce動葉片方案阻力最高，且轉子速度越高，高阻現象越明顯。

LV動葉片方案計算阻力低，同工業應用實踐中LV選粉機相比TRM、Leosche、L型輥磨選粉機阻力低的現象吻合，這說明本文所采用的選粉機流場數值研究方法合理，基本能夠正確反映工業生產實際。

5 結論

（1）采用滑移網格技術成功解決了選粉機流場研究中轉子轉動問題，改善了目前國內外普遍采用的MRF方法處理轉子轉動過程研究的不足，提高了選粉機流場研究的精度。

（2）LV動葉片結構相對于TRM、Leosche、L型選粉機動葉片方案阻力性能最低，且低阻優勢隨轉子速度的增加而增加。

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