渦輪式氣流分級機葉片數對流場的影響

榮梅

（長江大學動物科學學院，湖北 荊州434000）

1 概述

粉體分離是一項比較成功的新型技術。渦輪式分級機作為生產超細鐵粉體的核心設備之一，廣泛應用于化工、石油、制藥、畜牧等行業[1-8]。在畜牧業存在很多飼料需要進行處理，因此，本文從分級機內部流場中湍動能基點進行理論分析，設計四種新型的葉片數轉籠，重點考察不同結構對分級機內部流程的影響，為后續渦輪式氣流分級機的優化設計提供理論指導。

首先運用solidworks 進行模型建立，然后導入到workbench中的mesh 模塊中進行網格劃分，網格劃分選取四面體和六面體單元，整個流道與內部轉籠總共劃分為360 萬個node。模型分別定義進口、出口、交界面。分級機內部的轉輪模型采用滑移網格。分級機模型如圖1 所示，網格劃分如圖2 所示。

圖1 分級機模型

圖2 網格劃分

模型網格劃分完畢之后進行計算設置，由于顆粒的濃度達到了進料的10%以上，本次實驗是連續相流場中由顆粒構成的離散相，不是完全的離散相的模型，選擇歐拉-拉格朗日方法的連續-離散相模型（CCDM）[9-13]進行多相流分析，計算方法選擇歐拉-拉格朗日方法進行模擬計算。由于分級機內部顆粒分離的一個重要影響因素就是顆粒的團聚現象，湍動能的數量級越高越有利于顆粒的分散，能有效的減少顆粒的團聚，從而提高分級機的分機效率。在分級機的轉籠周圍會聚集大量的物料顆粒，本次實驗筆者運用fluent 軟件模擬轉輪四周的湍動能強度數量級別，對比新設計的幾種模型是否在湍動能這一方面比原模型有增強的作用。

2 控制微分方程

kff-400 渦輪式分級機的內部流場為氣固兩相流，由于分級機入料的料氣比位于30kg/m3到50kg/m3之間，計算后得知流場內的固相體積分數在10%上下波動，選用的歐拉-拉格朗日方法，同時可以忽略顆粒間的作用[3]。除了求解連續相的輸運方程之外，還要在拉格朗日坐標下計算連續相流場中有顆粒構成的離散相。

2.1 連續相(氣相)控制方程

在上述式子(1)-(4)中，α 是連續流體相的體積率，vi是流體相在笛卡爾坐標i 方向上的流速分量；gi是坐標方向上的體積力；Fi是連續相與離散相的相互作用力。

2.2 離散相顆粒之間的運動方程為：

顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分數對連續相的影響未考慮；湍流中顆粒處理的兩種模型：Stochastic Tracking，應用隨機方法來考慮瞬時湍流速度對顆粒軌道的影響；Cloud Tracking，運用統計方法來跟蹤顆粒圍繞某一平均軌道的湍流擴散。通過計算顆粒的系統平均運動方程得到顆粒的某個“平均軌道”[5]，離散相顆粒的運動軌跡后分析，顆粒受到的平衡力在笛卡爾坐標系下的形式為計算重力（以x 方向為例）：

步驟一：先假定計算域中不存在離散相，求解（1）（2）得到連續相流場；

步驟二：求解方程（5）（6），得到每個離散相的顆粒軌跡、體積率，從而在計算域中引入離散相；

步驟三：計算（10），得到相間動量交換率并帶入方程（1）（2），重新計算連續相流場；

步驟四：求解方程（5）（6），得到修正后的連續相流場中的顆粒軌跡、體積率；

步驟五：重復步驟三和步驟四，直到獲得耦合收斂。

3 模擬結果分析

依據理論計算，設置分級機的轉輪轉速轉輪轉速4000r/min和進風速度為15m/s，入口邊界選擇velocity-inlet，出口邊界選擇outflow，顆粒在入口所占的體積比設置0.15 超過10%，本次模擬主要是驗證分析改進結構的合理性和提升作用，坐標系建立以轉輪中心作為坐標軸的原點，模擬分級機流場中轉輪四周湍動能的強度。截面圖如圖3 所示。

迭代收斂后四種結構模型的湍動能強度分析結果如圖4（a）-（d）。

圖4(a-d)四種模型的結果圖顯示，橫坐標為0 是轉輪中心，在坐標-40 和+40 的值分別代表分級輪的邊緣處湍動能強度，由圖（a-d）可知轉輪的邊緣處湍動能強度數量級都有增強，50葉片的模型到80 葉片的模型湍動能強度增幅從7*103 達到了2*104，湍動能的增幅效果顯著。

超細粉體的生產技術難題之中有一項就是物料的制備過程中由于超細顆粒在氣相中相互之間的碰撞和附著而形成凝聚，解決凝聚問題的方法之一就是提高分級機內部流場的湍動能強度，湍動能強度的提升有助于增強物料的分散性，從而在一定程度上解決超細顆粒的凝聚。因此模擬分級機內部流場，研究轉籠結構對湍動能強度的影響，為渦輪式分級機的結構設計及優化提供有力參考[1]。

4 結論

本文在對kff-400 高精度渦輪式氣流分級機的結構和分級原理以及工藝參數進行了分析之后，對粉體加工工藝提出了優化和分級內部流場運用fluent 軟件進行了三維流場的模擬。得出關于kff-400 高精度渦輪式氣流分級機的優化流場模擬結果如下：

4.1 kff-400 高精度渦輪式氣流分級機的流場模擬結果顯示，在改進了葉輪的數量之和，分級機內部的流場更趨近于穩定。

4.2 從湍流動能的角度來看，新設計的幾種結構的分級機，湍流動能都發生了一定的提升，從而能改善分級機內部流場的顆粒團聚現象，提高分級機的分級性能和分機效率。

圖3 分級機模型截面示意圖

圖4 (a-d) 湍動能強度四種模型

[3] 孫占朋,孫國剛,劉慶剛.臥輪式氣流選粉機進料方式的試驗研究[J].中國粉體技術,2019,25(02):1-5.

[4] 馮樂樂,吳玉新,王景玉,張海.轉輪式分級器切割粒徑的預測模型[J].化工進展,2018,37(12):4579-4585.

[5] 曾云,吳文秀,余丹逵.基于顆粒軌跡的氣流式分級機工藝參數優化[J].石油機械,2018,46(11):109-115.

[6] 高強.壓差式氣流分級機在非金屬礦中的應用[C].國家建筑材料工業技術情報研究所.2018 年中國非金屬礦科技與市場交流大會論文集.國家建筑材料工業技術情報研究所:建筑材料工業技術情報研究所,2018:93-95.

[7] 曾川.渦輪氣流分級機工藝參數的優化與研究[D].西南科技大學,2017.

[8] 曾云.KFF-400 分級機的流場模擬與鐵礦石粉體分級工藝優化[D].荊州：長江大學,2017.

[9] 孫占朋,韓曉鵬,孫國剛,韓笑,魏慶.離心式氣流分級機的現狀與進展[J].中國粉體技術,2017,23(02):39-43+83.

[10]武樹波,劉家祥,付俊杰,于源.渦流空氣分級機雙層撒料盤的設計及試驗研究[J].北京化工大學學報(自然科學版),2016,43(06):108-113.

[11]楊曉楠,孫國剛,孫占朋,王青蓮.臥輪式分級機轉子臨界轉速的計算[J].中國粉體技術,2016,22(05):99-103.

[12]張旭東,樊民強.新型分選分級機研制及其試驗研究[J].中國礦業,2016,25(04):159-163.

[13]任文靜,劉家祥,于源.渦流空氣分級機圓弧形葉片轉籠的設計[J].機械工程學報,2016,52(02):195-201.

[14]張宇,劉家祥,楊儒.渦流空氣分級機回顧與展望[J].中國粉體技術,2003(5):37-42.