超細(xì)攪拌磨數(shù)值模擬研究

趙梅　韋智豪　楊宇　劉嘯天　李天嬌

當(dāng)前，超細(xì)攪拌磨廣泛應(yīng)用于礦物加工領(lǐng)域，其應(yīng)用極大促進(jìn)了超細(xì)粉體的發(fā)展。本文基于fluent軟件建立超細(xì)攪拌磨三維數(shù)值模型，分析了超細(xì)攪拌磨的內(nèi)部流場特性，獲得了流場的速度分布和湍流強(qiáng)度的分布規(guī)律，研究了不同轉(zhuǎn)速對湍流強(qiáng)度的影響規(guī)律。研究結(jié)果對于開發(fā)新型超細(xì)攪拌磨設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

超細(xì)攪拌磨;流體仿真;數(shù)學(xué)物理建模;轉(zhuǎn)速

0 前言

目前國內(nèi)外學(xué)者對超細(xì)攪拌磨開展了研究且獲得了一定研究成果。張國旺等對超細(xì)攪拌磨機(jī)的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了不同類型的攪拌器對超細(xì)攪拌磨研磨室內(nèi)流場特性的影響。研制出了大型超細(xì)攪拌磨機(jī)并成功應(yīng)用于生產(chǎn)亞微米超細(xì)重質(zhì)碳酸鈣。孫新明采用DEM-CFD固液耦合法對攪拌磨進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，分析了礦漿對攪拌磨的影響規(guī)律。任廷志采用EDEM技術(shù)對塔式磨機(jī)進(jìn)行研磨過程數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明攪拌器轉(zhuǎn)速、直徑和介質(zhì)填充率越大，塔式磨機(jī)的研磨力越大結(jié)論。Simon Larsson等人提出一種模擬攪拌磨漿體、研磨介質(zhì)和磨機(jī)結(jié)構(gòu)之間物理相互作用的新方法。

本文借助fluent軟件對攪拌磨流場開展數(shù)值模擬研究，為超細(xì)攪拌磨設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1模型的建立

1.1 幾何建模

超細(xì)攪拌磨的幾何模型如圖1所示，為了節(jié)省計(jì)算時間，忽略進(jìn)出口物料流動對流場的影響，即假設(shè)整個研磨室是封閉的，無物料進(jìn)出，其具體幾何尺寸見表1。

1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

超細(xì)攪拌磨在研磨過程中采用非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格劃分，并對攪拌器壁面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。固體表面邊界條件采用無滑移網(wǎng)格邊界條件;攪拌器設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速分別設(shè)為n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。

2 結(jié)果分析

取轉(zhuǎn)速n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。以攪拌棒臂長為特征長度，通過計(jì)算，n=700 r/min時雷諾數(shù)Re=709<Re=2 300，故采用湍流模型進(jìn)行流場分析。

2.1 速度場分析

棒式超細(xì)攪拌磨轉(zhuǎn)數(shù)n=700 r/min時不同截面的速度等值線分布如圖3所示。從圖3（a）和（b）顯示，在攪拌棒的周圍和攪拌棒頂端到攪拌桶內(nèi)壁面的區(qū)域等值線分布較密，即速度梯度較大;但在攪拌棒之間的區(qū)域及攪拌器上部空腔靠近自由液面的區(qū)域的速度梯度較小。從圖3（c）中還可以看出攪拌棒前端的等值線分布較后端密集。

2.2 湍流強(qiáng)度分析

圖4結(jié)果表明，在攪拌棒頂端處及靠近壁面附近區(qū)域的湍流強(qiáng)度較大，說明此區(qū)域內(nèi)有利于漿料的研磨粉碎;在攪拌棒之間及攪拌裝置上部空腔區(qū)域中，湍流強(qiáng)度相對較低，說明了在這些區(qū)域中研磨效果不佳。

圖5所示，其湍流強(qiáng)度主要分布在20%～40%之間，轉(zhuǎn)速n=700 r/min時占比67.59%，轉(zhuǎn)速n為600 r/min時占比為71.28%，轉(zhuǎn)速n=500 r/min時占比為71.15%;在湍流強(qiáng)度為10%～20%時，低轉(zhuǎn)速下的對應(yīng)比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高轉(zhuǎn)速時的湍流強(qiáng)度占比。當(dāng)湍流強(qiáng)度大于30%時，低轉(zhuǎn)速下的湍流強(qiáng)度對應(yīng)比重低于高轉(zhuǎn)速時的占比，且流體湍流強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。

3 結(jié)論

通過開展超細(xì)攪拌魔數(shù)值模擬研究，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）建立了超細(xì)攪拌三維數(shù)值模擬模型，并分析了不同轉(zhuǎn)速對湍流強(qiáng)度的影響規(guī)律。

（2）在攪拌棒上流體速度隨徑向距離增大而增大，在攪拌棒附近及攪拌棒頂端到內(nèi)壁面之間的區(qū)域速度梯度較大，此處為超細(xì)攪拌磨的主要研磨粉碎區(qū)域;其他區(qū)域的速度梯度小。

[1]張國旺.超細(xì)攪拌磨機(jī)的流場模擬和應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學(xué)，2005.

[2]張國旺，黃圣生.高效超細(xì)攪拌磨的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2002（7）：15-17.

[3]寧曉斌，孫新明，佘翊妮，等.攪拌磨DEM-CFD耦合仿真研究及攪拌器強(qiáng)度分析[J].有色金屬工程，2016（4）：63-67+72.

[4]任廷志，李卓，劉長遠(yuǎn)，等.基于離散元法的塔磨機(jī)數(shù)值模擬分析[J].中國粉體術(shù)，2016，22（4）：88-91.

[5]吳建明，曹永新.GJ5×2大型雙槽高強(qiáng)度攪拌磨機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].有色金屬（選礦部分），2009，61（3）：46-51.

At present， the ultra-fine stirring mill is widely used in the field of mineral processing， and its application greatly promotes the development of ultra-fine powder. In this paper， a three-dimensional numerical model of the ultra-fine stirring mill is established based on the fluent software， the internal flow field characteristics of the ultra-fine stirring mill are analyzed， the velocity distribution of the flow field and the distribution of turbulence intensity are obtained， and the influence of different speeds on turbulence intensity is studied. The research results have guiding significance for the development of the design and operation of a new type of ultrafine stirring mill.

ultrafine stirred mill;fluid simulation;mathematical-physics model; rotate speed