基于CFD-DEM耦合模擬的CJ15濕法研磨介質碰撞能量分析

吳 波 何 康 李小標 蔡斌 西成才

（1.宿州學院高端微納研磨裝備校企協同創新工程中心；2.安徽儒特實業有限公司 安徽宿州 234000）

當前制造業資源消耗與環境問題已愈加凸顯，盡可能地減少產品制造過程的能量消耗是高端制造行業急需解決的重大問題。《中國制造2025》也要求企業應加快節能環保技術，提高制造業資源利用率、降低能量消耗。臥式濕法研磨設備作為精細與超精細研磨設備受到專家學者和工業界人士的普遍認可[1]。能耗作為衡量濕法研磨設備的關鍵指標，尤其是在國家節能降耗、地方拉閘限電的背景下，研磨行業的節能潛力有待進一步挖掘[2]。前期研究者對研磨設備能耗研究大多采用實驗的方式用于函數的推導，然而試驗成本較高[3，4]。通過有限元耦合場分析法解決多場耦合問題，不僅可以模擬探究研磨過程中運動狀態和能量環境，還是一種較為經濟可行的能耗研究方法[5，6]。文中運用CFD-DEM流固耦合仿真策略，對各能耗數據變化規律進行分析，得出最優研磨方案。

一、模擬仿真實驗

（一）仿真方法。濕法研磨機研磨時能耗的傳遞是通過電機帶動主軸轉動，再通過轉子將能量傳給研磨介質來使被研磨物料得到粉碎，其研磨效果的好壞取決于能量的轉化利用率及能量在研磨筒內的消耗狀況[7]。一般來說研磨筒中作用于物料破碎的能量越多，則研磨機的性能越高效。模擬實驗以氧化鋯珠間平均碰撞能量來表示研磨機的研磨能力。

DEM-CFD 耦合仿真使用EDEM2018 和Fluent19.1 軟件研究研磨介質在農藥懸浮液中的運動和碰撞。采用Hertz-Mindlin接觸模型進行了DEM模擬，采用標準k-e湍流模型和可伸縮壁面函數對近壁處理進行CFD模擬。選用壓力基耦合求解的控制方程進行求解，三維穩態格林-高斯節點基求解器，選擇PRESTO!算法進行壓力的插值方法求解，兩相流采用Koch-Hill 曳力模型[8]。對每個CFD 時間步驟進行DEM-CFD 耦合。在仿真環境中，采用固定時間步長法，時間步長為0.01s，總時間步長為330。所有方程殘差的收斂準則設為10-3，當連續方程殘差降至9.7091×10-4時，其它組分殘差降至(1.1～2.8)×10-5，表明滿足收斂準則。

（二）模擬對象。本研究使用的濕法研磨機是安徽儒特實業有限公司生產的15L工業型渦輪轉子臥式濕法研磨機。為有效且快速模擬運算，對研磨部分簡化處理[9]，所有部件等比例縮小，縮小后其有效研磨容積為0.03L,簡化后模型和尺寸如圖1所示。

圖1 CJ15研磨轉子模型

（三）仿真方案。影響研磨效果的關鍵工藝參數是研磨介質填充率、轉子轉速和研磨介質粒徑，故模擬實驗擬分兩步開展。首先以農藥懸浮液作為研磨對象，選用直徑0.8mm氧化鋯作為研磨介質，對填充率60%、70%、80%、90%，轉子轉速800r/min、1000r/min、1200r/min、1400r/min 開展模擬，通過顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數據分析得出最優填充率和轉速；然后保持最優填充率和轉速不變，分別對0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm四種不同珠徑模擬運算，分析不同研磨介質粒徑下平均碰撞能量特點，從而比較得出最優工藝參數。研磨介質和農藥屬性見表1所示。

表1 研磨介質和農藥懸浮液屬性

為保證模擬數據的準確性，每一組模擬3次，再將3次導出的顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數據（包含總碰撞能量損失、法向碰撞能量損失和切向碰撞能量損失）再平均處理，作為分析數據，如表2模擬實驗安排表。

表2 模擬實驗安排表

二、結果分析

導出顆粒與顆粒平均碰撞能量損失數據（包含總碰撞能量損失、法向碰撞能量損失和切向碰撞能量損失）經平均值處理，顆粒碰撞損失數據如表3所示。

表3 顆粒碰撞能量損失數據

（一）切向和法向碰撞能量。在物料的一般破碎形式中可將其分為兩種主要的破碎模型：（1）體積粉碎模型：所謂的體積粉碎模型屬于沖擊粉碎，在粉碎過程中主要是正面碰撞的法向力所造成，在這一過程中物料顆粒由大型顆粒變成中型顆粒再到小型顆粒以及粉末的形式。（2）表面粉碎模型：主要是從物料表面逐層削下粉末成分，但物料的內部不受影響。這一過程主要是研磨介質球在旋轉運動時與物料之間存在接觸時其剪切力作用形成的。

對表3中研磨介質顆粒間碰撞的切向碰撞能量和法向碰撞能量數值進行比較發現：切向碰撞能量始終大于法向碰撞能量，切向碰撞能耗是法向碰撞能耗的3.5～9倍。可以推斷在研磨過程中，物料的破碎主要是表面破碎。而表面破碎主要來自研磨介質顆粒與物料之間的切向能量，因此在實際設計生產時，提高研磨介質的切向能量能夠有效提高研磨效率。

表4顯示了在不同轉速和填充率下，切向碰撞能量與法向碰撞能量的比例關系。在轉子轉速相同的條件下，隨著填充率增大，切向碰撞能量與法向碰撞能量的比值呈增大趨勢。這說明轉子轉速一定的情況下，適當增加研磨介質的填充率，將有助于提高研磨效率。

表4 切向碰撞能量與法向碰撞能量比例關系

（二）碰撞總能量。研磨介質顆粒碰撞總能量等于切向碰撞能量與法向碰撞能量之和，根據表3數據不難看出，切向碰撞能量與總碰撞能量的變化趨勢相同，在一定意義上切向碰撞能量的變化可以代表研磨中的能量變化趨勢。

為進一步服務生產實際，探索研磨介質顆粒碰撞總能量變化特點，以實際研磨過程中常用的三種填充率：70%、80%、90%，以及常用的三種轉速：1000r/min、1200r/min、1400r/min 為研究工況，分兩種情況進行模擬分析：（1）填充率一定時，碰撞總能量隨轉速變化趨勢；（2）在轉速一定時，碰撞總能量隨填充率變化趨勢。

1.碰撞總能量隨轉速變化。碰撞總能量與轉速的變化趨勢如圖2所示。由圖2可以看出，在70%、80%、90%填充率條件下，隨轉速的提高，碰撞總能量呈現增大的趨勢，但是在轉子轉速1200r/min處出現拐點，轉子轉速大于1200r/min時，顆粒碰撞總能量隨轉速增大而減小。因此，在填充率一定的情況下，僅僅提高轉子轉速，并不能提高研磨效率，而且造成能源的嚴重浪費。這是由于在高轉速情況下，較大離心力的作用使更多的研磨介質顆粒被壓迫貼緊在筒壁上，從而減少了研磨介質顆粒的碰撞次數，因而碰撞能量減少。另外，填充率90%時，碰撞總能量數值在任意轉速下都是最大的，因此，物料研磨加工時，在轉速一定的情況下，適當的提高填充率能夠有效地提高研磨效率。

圖2 碰撞總能量隨轉速變化趨勢圖

2.碰撞總能量隨填充率變化。碰撞總能量與填充率的變化趨勢如圖3 所示。在轉速1000r/min、1200r/min、1400r/min 條件下，碰撞總能量隨填充率的增大而增大，在轉速1200r/min時碰撞總能量具有較大的變化梯度，轉速1400r/min時碰撞總能量的變化梯度較小。這同時也印證了圖2的結論，在填充率一定的情況下，不斷提高轉子轉速，并非能提高研磨效率。另外，填充率90%，轉速1200r/min碰撞總能量取得最大值3.80787E-06J。

圖3 平均碰撞總能量隨填充率變化圖

為進一步分析填充率對于碰撞總能量的影響，提高研磨效率，現增加填充率至95%，在轉速1200r/min條件下，碰撞總能量隨填充率的變化如圖4所示。由圖4可以看出，填充率大于90%時，碰撞總能量呈現下降趨勢。經比較可知，在填充率90%，轉速1200r/min時研磨介質碰撞總能量最大，研磨效率最佳。

圖4 1200r/min平均碰撞總能量隨填充率變化圖

三、最優工藝參數

以上采用直徑0.8mm氧化鋯研磨介質，分析了轉子轉速和填充率對于研磨介質碰撞總能量的影響。但是，研磨介質的直徑對于產品物料的粒度起決定作用。為進一步分析研磨介質直徑對于碰撞能量的影響，從而確定最優工藝參數，現以填充率90%，轉速1200r/min作為基礎數據，分析四種不同研磨介質直徑：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm 情況下各碰撞能量的變化特點，其法向和切向碰撞能量如表5所示，由表5可以看出，在不同研磨介質直徑下，切向碰撞能量在整個物料粉碎中仍然占據主導地位。

表5 不同粒徑下顆粒碰撞能量

如圖5 顯示了在填充率90%，轉速1200r/min 工藝條件下，不同研磨介質的直徑時的碰撞總能量的變化。由圖5可以看出，當研磨介質的直徑0.8mm時，具有最大的碰撞總能量。相比較于其他工藝參數，轉速1200r/min，填充率90%，粒徑0.8mm是較優工藝參數，因此在一定產品粒度下，能取得較高的研磨效率。

圖5 不同粒徑顆粒碰撞總能量

四、結論

面向CJ15臥式濕法研磨機運用CFD-DEM耦合模擬仿真，通過對研磨介質碰撞能量數據分析，得到以下結論。

（一）濕法研磨過程中，研磨介質間的切向碰撞能量遠遠大于法向碰撞能量，切向碰撞能量是法向碰撞能量的3.5～9倍，因此，研磨介質間相互作用的切向能量對物料的破碎起主導作用，提高研磨介質的切向能量能夠有效提高研磨效率。

（二）在70%、80%、90%填充率條件下，隨轉速的提高，碰撞總能量呈現增大的趨勢，但是在轉子轉速1200r/min 處出現拐點，因此，在填充率一定的情況下，僅僅提高轉子轉速，并不能有效提高研磨效率，而在轉速一定的情況下，適當地提高填充率能夠有效地提高研磨效率；在轉速1000r/min、1200r/min、1400r/min 條件下，碰撞總能量隨填充率的增大而增大，在轉速1200r/min 時碰撞總能量具有較大的變化梯度，在填充率90%，轉速1200r/min 時研磨介質碰撞總能量最大，研磨效率最佳。

（三）在填充率90%，轉速1200r/min工藝條件下，不同研磨介質直徑：0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm 情況下切向碰撞能量在整個物料粉碎中仍然占據主導地位，當研磨介質的直徑0.8mm時，具有最大的碰撞總能量。因此，相比較于其他工藝參數，轉速1200r/min，填充率90%，研磨介質直徑0.8mm是較優工藝參數。