張凱 ，陶從喜 ，王洪霞 ，劉繼開

1 引言

撒料盒是預(yù)熱器風(fēng)管的重要組成部分，隨著國(guó)內(nèi)外節(jié)能降耗的呼聲越來越高，提高預(yù)熱器換熱能力的需求也越來越高，而撒料作為生料換熱的重要一環(huán)，也引起了技術(shù)工作者的重視。由于撒料實(shí)驗(yàn)耗時(shí)耗力，而通過CFD數(shù)值仿真計(jì)算來研究撒料盒技術(shù)也越來越普遍，只是撒料過程涉及濃相，CFD軟件中的模型都無法準(zhǔn)確對(duì)其進(jìn)行模擬，為此必須通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正，以便得到更好的仿真計(jì)算結(jié)果。

2 物理模型分析

撒料盒物理模型主要依照實(shí)際實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模，建模過程中忽略了一些次要的結(jié)構(gòu)，得到了兩個(gè)模型（見圖1）。因?yàn)榻r(shí)并不知道下料管中翻板閥對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，為了討論翻板閥對(duì)仿真計(jì)算的影響，故做了兩個(gè)模型，原模型不包括翻板閥，而改進(jìn)模型包括翻板閥，并且下料管的長(zhǎng)度略長(zhǎng)一些。除此外，兩模型的其他尺寸參數(shù)完全相同，如圖1所示。

3 計(jì)算模型分析

本研究所涉及的撒料盒內(nèi)顆粒濃度較高，而歐拉模型對(duì)此種情況有較高的計(jì)算精度，故選用歐拉模型。此外，撒料盒內(nèi)顆粒之間的粘度并不是非常大，所以并不選用顆粒相的體積粘度模型和摩擦粘度模型。撒料盒內(nèi)顆粒濃度較大，顆粒之間的碰撞較為劇烈，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看顆粒的動(dòng)量損失較大，彈性碰撞較低，故調(diào)低顆粒相的碰撞回歸系數(shù)。

對(duì)于k-e湍流模型，per phase ke模型適用于湍流傳遞在相間起重要作用的情況，而mixture phase k-e模型適用于氣固兩相相間分離或分層的情況。物料從撒料盒到地面伴隨著顆粒相和氣相的分離，故選用mixture phase k-e模型。

圖1 物理模型

表1 原計(jì)算模型參數(shù)

表2 改進(jìn)計(jì)算模型參數(shù)

對(duì)于物理模型的修改，主要是在料管的模擬過程中加入鎖風(fēng)閥，這樣將更加貼近實(shí)際，也可以解決原模型來料速度與實(shí)際不符的情況。

3.1 原模型

原模型著重考慮高濃相顆粒之間的相互作用和傳熱，并且對(duì)顆粒相和空氣相之間的曳力進(jìn)行詳細(xì)模擬。特別湍流模型采用分相求解，選用per phase k-e模型。模型參數(shù)見表1。

3.2 改進(jìn)模型

表3 物性參數(shù)表

因?yàn)槿隽蠈?shí)驗(yàn)伴隨明顯的顆粒相和空氣的分離，所以改進(jìn)模型把顆粒相和空氣相之間的相互作用用一個(gè)方程求解，而不分相求解。湍流模型選用mixture phase k-e模型。模型參數(shù)見表2。

4 模擬物性參數(shù)及初始條件

表4 初始條件

圖2 結(jié)束撒料后速度圖

圖3 結(jié)束撒料后5s速度圖

圖5 結(jié)束撒料后速度圖

空氣相物性參數(shù)采用常溫的空氣密度和粘度，而顆粒相密度采用實(shí)際生料的密度，而粘度采用和常溫空氣物性參數(shù)相近的粘度。顆粒粒徑50μm。模擬初始條件完全和實(shí)驗(yàn)條件一致，具體參數(shù)見表3、表4。

撒料過程：撒料1s后，停止撒料，讓料自由向下流動(dòng)。

5 計(jì)算結(jié)果及討論

（1）5°，100mm，進(jìn)口顆粒相體積分?jǐn)?shù)為0.4工況

圖6 結(jié)束撒料后5s速度圖

圖7 撒料終了結(jié)果圖

從圖2中可以看出，計(jì)算模型改進(jìn)前，結(jié)束撒料后，料流幾乎布滿整個(gè)平面；而計(jì)算模型改進(jìn)后，料流的速度顯著降低，結(jié)束撒料后，料流還沒有觸及地面。與實(shí)驗(yàn)錄像對(duì)照后，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。

從圖3中可以看出，改進(jìn)前，結(jié)束撒料5s后，料流速度有所降低，但是整個(gè)地面依然布滿料流；改進(jìn)后，料流降低速度更快，而且集中于地面的一點(diǎn)，這樣更貼近實(shí)際。

從圖4中可以看出，改進(jìn)前，撒料終了，料分布于兩個(gè)集中區(qū)域；改進(jìn)后，料的分布區(qū)域變?yōu)橐粋€(gè)較為集中的區(qū)域，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近，不過分布區(qū)域離撒料盒較遠(yuǎn)。分析原因是料從撒料盒出來時(shí)速度較快，在空氣中的飛行時(shí)間較長(zhǎng)，所以飛行得較遠(yuǎn)。

（2）5°，200mm，進(jìn)口顆粒相體積分?jǐn)?shù)為0.4工況

從圖5中可以看出，改進(jìn)前，結(jié)束撒料后，料流布滿整個(gè)平面，且在整個(gè)平面的分布飽滿；而計(jì)算模型改進(jìn)后，料流的速度顯著降低，料流還沒有觸及地面，與實(shí)際更加接近。

從圖6中可以看出，撒料板加長(zhǎng)后，改進(jìn)前，結(jié)束撒料5s后，料流速度降低更快，但整個(gè)

地面依然布滿料流；而改進(jìn)后，料流降低速度變化不大。

從圖7中可以看出，撒料板加長(zhǎng)后，改進(jìn)前，撒料終了，料分布于兩個(gè)集中區(qū)域，且地面分布更加均勻；改進(jìn)后，料的分布區(qū)域變?yōu)橐粋€(gè)較為集中的區(qū)域，分布形狀與實(shí)驗(yàn)十分相似，不過分布區(qū)域依然離撒料盒較遠(yuǎn)。分析原因是料從撒料盒出來速度還是較快，空氣中飛行時(shí)間較長(zhǎng)，故飛行得較遠(yuǎn)。

圖8 撒料盒截面圖

圖9 改進(jìn)前撒料盒內(nèi)部速度云圖

圖10 改進(jìn)后撒料盒內(nèi)部速度云圖

圖11 改進(jìn)前撒料盒外部速度云圖

圖12 改進(jìn)后撒料盒外部速度云圖

圖13 改進(jìn)前撒料盒外部速度矢量圖

6 改進(jìn)前后模型誤差分析

以下把改進(jìn)前后5°，100mm工況內(nèi)部流場(chǎng)的分布進(jìn)行具體分析，以便解釋改進(jìn)前模型誤差主要原因。根據(jù)圖8自右向左，逐步分析撒料盒內(nèi)部的流場(chǎng)分布。

對(duì)比圖9和圖10，我們可以發(fā)現(xiàn)料流在沖擊撒料板后，改進(jìn)前，料中部不斷向兩側(cè)擠壓，使料流中部逐漸凹下去，這也是造成落在地面上的料分布在兩個(gè)集中區(qū)域的部分原因。而改進(jìn)后，雖然初期料流也出現(xiàn)了一定下凹，但是出料時(shí)，料面恢復(fù)到水平。其主要原因就是改進(jìn)后的模型減小了料的易分散性，同時(shí)增大了壁面的阻力，減小料流的速度，這樣就減緩料向兩側(cè)的擠壓。

對(duì)比圖11和圖12，我們可以看出，改進(jìn)前，除了料流的上部有一定的下凹，而且料流的下部也有一定上凹的趨勢(shì)，并且隨著料的運(yùn)動(dòng)，料流下部的上凹逐漸加大，最后使料落在地面的兩塊區(qū)域，這也驗(yàn)證了改進(jìn)前模型的料分布計(jì)算結(jié)果。分析其原因，主要是由于料流速度較快，帶動(dòng)了料流下部空氣的流動(dòng)，但是由于料的屏障作用，使其發(fā)生了回流，如圖13。回流的空氣不斷剪切料流的下部，使其逐漸上凹，最終分成兩股落到地面上。而改進(jìn)后，減小了料的分散性，并且通過調(diào)小氣固兩相間的曳力模型的自由沉降系數(shù)，減小料流的速度。所以計(jì)算結(jié)果顯示料流無論上下都沒出現(xiàn)凹進(jìn)去的情況。

7 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正后的撒料盒計(jì)算模型，計(jì)算的準(zhǔn)確度大幅提高，已經(jīng)完全能替代實(shí)驗(yàn)，對(duì)撒料盒的各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，不僅節(jié)約了大量時(shí)間，也節(jié)省了人力物力，加快了撒料盒技術(shù)研發(fā)進(jìn)度?！?/p>