陶瓷干法造粒機(jī)葉片安裝高度對(duì)造粒效果的影響

吳南星，鮑 星，廖達(dá)海，肖志鋒

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

陶瓷干法造粒機(jī)葉片安裝高度對(duì)造粒效果的影響

吳南星，鮑 星，廖達(dá)海，肖志鋒

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

為了分析陶瓷干法造粒機(jī)葉片安裝高度對(duì)造粒效果的影響，該文基于歐拉—?dú)W拉模型建立數(shù)學(xué)模型，利用有限體積法求解，模擬研究了造粒過程中顆粒的體積分布情況。結(jié)果表明：當(dāng)葉片與造粒室底端最小距離為15 mm時(shí)，顆粒的分散性最好，造粒效果最佳。

葉片；歐拉-歐拉模型；數(shù)值模擬；分散性

0 引 言

目前陶瓷干法造粒裝備制得的顆粒存在表面形狀不規(guī)則、顆粒實(shí)心、顆粒硬度大[1,2]等缺陷，這會(huì)導(dǎo)致成形過程容易分層、坯體強(qiáng)度偏低、坯體表面粗糙等[3,4]現(xiàn)象。

陶瓷干法造粒機(jī)制得的顆粒存在的各種缺陷，很大程度是因?yàn)樵谠炝＿^程中顆粒沒有得到足夠的分散。而葉片對(duì)顆粒的分散性[5]具有決定性作用。本文正是認(rèn)識(shí)到葉片對(duì)顆粒分散性的重要，對(duì)此建立數(shù)學(xué)模型對(duì)造粒過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。本文的研究成果對(duì)陶瓷干法造粒技術(shù)的積累和改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

1 數(shù)學(xué)模型

造粒室內(nèi)粉體顆粒體積初始量約占造粒室體積的1/4，粉體顆粒可作擬流體相處理，所以本文選用歐拉—?dú)W拉模型中的Eulerian模型來(lái)模擬造粒過程。在模擬過程中，空氣相與擬流體相共存并相互滲透，具有各自的速度和體積分?jǐn)?shù)，并且空氣相和擬流體相分別采用相應(yīng)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程求解。

(1)質(zhì)量守恒方程

空氣相連續(xù)性方程為

式中：avas為空氣相和擬流體相的體積分?jǐn)?shù)；ρv、ρs為空氣相和擬流體相的密度，k g / m3；uvr、uvz為空氣相的徑向速度和軸向速度，m / s ；usr、usz為擬流體相的徑向速度和軸向速度，m/ s；m˙sv為空氣相質(zhì)量增加速率，kg /(m3?s)，(即從擬流體相到空氣相的質(zhì)量速率)；為擬流體相質(zhì)量增加速率，kg /(m3?s)(即從空氣相到擬流體相的質(zhì)量速率)。

式(1)、(2)中，等式由非定常項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和源項(xiàng)組成，表示空氣相與擬流體相之間的傳遞，并且有

(2) 動(dòng)量守恒方程

空氣相動(dòng)量方程為

擬流體相動(dòng)量方程為

Rvs、 Rsv分別為兩相間曳力(且)，Rvs= - Rsv，N。Rvs矢量定義為

式中Kvs為曳力模型中氣固兩相間動(dòng)量交換系數(shù)，kg/s。為氣、固兩相的雷諾應(yīng)力張量(K=v,s)，N /m2，且有

式中：λ為體積粘度系數(shù)，Pa? s；μ為剪切粘性系數(shù)，Pa? s；I為單位張量。

2 模型建立

2.1 模型簡(jiǎn)化

本文主要研究的是干法造粒試驗(yàn)機(jī)造粒過程，其造粒室簡(jiǎn)圖如圖1所示，顆粒在葉片、鉸刀和造粒室的旋轉(zhuǎn)作用下實(shí)現(xiàn)濕潤(rùn)、攪拌和造粒。造粒室基本尺寸如下：造粒室內(nèi)徑為φ235 mm、高為280 mm，初始加入顆粒體積占造粒室體積的1/4(約70 mm)。

2.2 物理模型及邊界條件

通過造粒室簡(jiǎn)圖1可建立數(shù)值模擬物理模型圖2。由于葉片、鉸刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)此本文采用SolidWorks軟件繪制三維模型，再通過Gambit軟件和攪拌專用前處理Mixsim軟件中完善模型、劃分網(wǎng)格及設(shè)定初步的邊界條件，從而在Fluent軟件中完善相關(guān)參數(shù)設(shè)定進(jìn)行模型求解。具體物理模型及邊界條件如圖2所示，由于顆粒主要是通過葉片、鉸刀的攪拌作用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的，故葉片、鉸刀附近區(qū)域顆粒的運(yùn)動(dòng)較大，而離葉片、鉸刀相對(duì)較遠(yuǎn)的區(qū)域顆粒運(yùn)動(dòng)較小。因此把物理模型分成兩部分，一部分由葉片、鉸刀和其附近區(qū)域劃分為動(dòng)區(qū)域；剩下部分劃分為靜區(qū)域。邊界條件設(shè)定：由于造粒過程中造粒室上端口是開放的，故將其設(shè)置為壓力出口，而動(dòng)區(qū)域與靜區(qū)域接觸面設(shè)置為交界面，其它邊界面都設(shè)置為墻。

圖1 造粒室簡(jiǎn)圖Fig.1 Granulation chamber diagram

圖2 物理模型及邊界條件Fig.2 Physical model and boundary conditions

2.3 網(wǎng)格劃分

本文分析的是非定常流問題，故選用滑移網(wǎng)格模型，將整個(gè)計(jì)算域劃分為兩個(gè)旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系，動(dòng)區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)坐標(biāo)系，采用以四面體網(wǎng)格為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分；靜區(qū)域?yàn)榻^對(duì)坐標(biāo)系，采用以六面體為主的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。其中動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格模型如圖3所示，靜區(qū)域網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.4 求解過程

利用Fluent基于有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散化和數(shù)值計(jì)算，在求解中采用了PC-SIMPLE算法對(duì)雙流體模型進(jìn)行數(shù)值迭代求解。

圖3 動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格模型Fig.3 Dynamic zone mesh model

圖4 靜區(qū)域網(wǎng)格模型Fig.4 Static zone mesh model

3 結(jié)果與討論

本文分別模擬了葉片與造粒室底端最小距離為10 mm、15 mm和20 mm的3種情況，通過模擬結(jié)果顆粒的體積分布分析顆粒的分散性。

圖5為造粒過程中顆粒的體積分布剖視云圖，從圖中可知：當(dāng)葉片安裝高度為H1=10 mm時(shí)，顆粒占造粒室內(nèi)體積接近50%，但是顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)數(shù)量較多；當(dāng)葉片安裝高度為H2=15 mm時(shí)，顆粒分布在造粒室內(nèi)體積大小幾乎沒有變化，但是顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)數(shù)量減少較明顯；當(dāng)葉片安裝高度為H3=20 mm時(shí)，顆粒分布在造粒室內(nèi)的體積大小仍然沒有太大的變化，但是顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)數(shù)量增大較明顯。因此，葉片安裝高度為H2=15 mm時(shí)，造粒過程中顆粒的體積分布情況最好，即此時(shí)顆粒的充分分散性最佳，造粒效果最好。

4 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

圖6為造粒過程中數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顆粒分布在造粒室內(nèi)體積大小百分比對(duì)比圖。從對(duì)比圖可知：隨著葉片安裝高度的增大，數(shù)值模擬造粒過程中顆粒的體積分布大小基本都維持在54%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果造粒過程中顆粒的體積分布大小也都基本維持在45%，即數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果顆粒的體積分布大小的正確性，模型的有效性。

圖5 顆粒的體積分布剖視云圖Fig.5 Section contour for particle volume distribution

圖6 顆粒體積分布大小對(duì)比圖Fig.6 Particle volume distribution contrast fgure

圖7 顆粒堆積密度大的體積分布對(duì)比Fig.7 Large particle volume concentration contrast fgure

圖7為造粒過程中數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顆粒分布在堆積度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積大小對(duì)比圖。從對(duì)比圖可知：葉片安裝高度為10 mm、15 mm、20 mm時(shí)，數(shù)值模擬顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積分布大小分別為16%、7%、18%，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積分布大小分別為21%、11%、22%。即數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積分布大小的正確性，模型的有效性，也表明葉片安裝高度在15 mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)值。

5 結(jié) 論

通過模擬結(jié)果從局部、直觀的剖視云圖分析可知，隨著葉片與造粒室底端最小距離的增大，顆粒的體積分布大小基本沒有變化，但是顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積分布大小變化較大，在葉片安裝高度為15 mm時(shí)達(dá)到最優(yōu)值。同時(shí)通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了模擬的可靠性，模擬結(jié)果的正確性。

綜合上述可得，當(dāng)葉片與造粒室底端最小距離為15 mm時(shí)，顆粒的體積分布大小、顆粒分布在堆積密度為0.45以上的區(qū)域內(nèi)體積分布大小是綜合最理想的，即此時(shí)造粒室內(nèi)顆粒的分散性最好，造粒效果最佳。

[1] 吳南星, 廖達(dá)海, 肖志鋒. 陶瓷干法造粒機(jī)的數(shù)值模擬及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2014, 35(2): 82-87.

WU Nanxing, et al. Journal of Ceramics, 2014, 35(2): 82-87.

[2] 張柏清, 賴澤標(biāo). 基于正交試驗(yàn)法對(duì)干法造粒顆粒大小影響因素的分析[J]. 陶瓷學(xué)報(bào). 2013, 34(1): 85-88.

ZHANG Boqing, et al. Journal of Ceramics, 2013,34(1): 85-88.

[3] 李紹勇, 周榮光, 梁飛峰. 超細(xì)化干法造粒制備陶瓷粉料技術(shù)[J]. 佛山陶瓷, 2010, 08: 20-22.

LI Shaoyong, et al. Foshan Ceramics, 2010, 08: 20-22.

[4] 陶曉文. 陶瓷墻地磚干法制粉工藝技術(shù)的研究[J]. 陶瓷, 1996, 02: 11-15.

TAO Xiaowen. Ceramics, 1996, 02: 11-15.

[5] HOELLERL N, MANFREDINI U, SIKALIDIS C. Dry tech multiline: an evolution in raw materials preparation for ceramic tiles[J]. Tile & Brick International, 1994, 10(2): 93-96.

Effect of Blade Installation Height on Granulation Performance of a Dry Granulator for Ceramic Application

WU Nanxing BAO Xing LIAO Dahai XIAO Zhifeng
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In order to analyze the effect of the blade installation height on the granulation performance of a dry granulator, a mathematical model based on the Eulerion-Eulerion concept was established. It used the fnite volume method and simulated the particle volume distribution in dry granulation process. Results show that particles dispersion and granulation result were the best when the minimum distance between the blade and the granulation chamber was 15 mm.

blade; Eulerion-Eulerion model; numerical simulation; distribution

date: 2014-02-10. Revised date: 2014-03-08.

TQ174.5

A

1000-2278(2014)04-0415-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2014.04.014

2014-02-10。

2014-03-08。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：51365018)。

吳南星(1968-)，男，博士，教授。

Correspondent author:WU Nanxing(1968-), male, Ph. D., Professor.

E-mail:wnx1968@163.com