何富軍,方 瑩,2,秦健波,柴淑媛

(1.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210009；2.國家“江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心”，南京 210009)

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新型渦流分級機分級區(qū)流場特性數(shù)值模擬研究

何富軍1,方 瑩1,2,秦健波1,柴淑媛1

(1.南京工業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210009；2.國家“江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心”，南京 210009)

為獲取新型渦流分級機分級區(qū)流場分布情況，在分析渦流分級機空氣流動特性的基礎(chǔ)上，采用計算流體動力學軟件ANSYSCFX14.5對不同轉(zhuǎn)速下環(huán)形區(qū)和轉(zhuǎn)籠兩區(qū)域各速度與轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速間關(guān)系進行了模擬。通過模擬可得：轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速大小影響環(huán)形區(qū)速度場穩(wěn)定，并將導(dǎo)致轉(zhuǎn)籠葉片間產(chǎn)生慣性反旋渦現(xiàn)象，存在一定范圍的轉(zhuǎn)速可使分級區(qū)的氣流場穩(wěn)定，從而使分級機的分級效率提高，最后，通過物料實驗表明，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合。數(shù)值模擬對選擇分級機合理的操作參數(shù)控制提供了一定的理論依據(jù)。

轉(zhuǎn)籠； 環(huán)形區(qū)； 流場特性； 分級性能

1 引 言

粉體材料在礦山、冶金、化工、建材、造紙、食品和醫(yī)藥行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。隨著科技的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)對粉體的品質(zhì)提出了更高的要求，因此，粉體的分級作業(yè)顯得尤為重要[1-2]。分級機作為水泥行業(yè)閉路粉磨系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，其對粉磨系統(tǒng)的節(jié)能降耗起著關(guān)鍵作用[3]。分級機內(nèi)部流場分布對分級機的分級效率和分級精度提高有較大影響，因此，有必要對新型渦流分級機的內(nèi)部流場進行分析[4]。為探究新型渦流分級機的內(nèi)部流場特性，本文利用ANSYSCFX14.5軟件對分級區(qū)進行全面分析，為實際生產(chǎn)中提高新型渦流分級機的分級精度和分級效率提供一定的理論依據(jù)。

2 新型渦流分級機分級原理

圖1 新型渦流分級機結(jié)構(gòu)和分級區(qū)顆粒受力示意圖(a)分級機結(jié)構(gòu)示意圖;(b)分級區(qū)顆粒受力示意圖Fig.1 Structure of new type turbo air classifier

新型渦流分級機采用平面渦流原理對粉體顆粒進行分級。新型渦流分級機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。具體對粉體的分級過程：空氣氣流經(jīng)過兩對稱蝸殼口和底部的二次進風口切向進入，粉料從蝸殼頂部的進料口進入，掉入撒料盤上，從蝸殼進入的空氣經(jīng)過導(dǎo)向葉片均勻地進入到環(huán)形區(qū)，與經(jīng)過撒料盤向四周撒出的物料形成正交。在環(huán)形區(qū)，粉體顆粒主要受重力Fg、曳力Fd和離心力Fc，當Fd> Fc時，細粉將進入到轉(zhuǎn)子內(nèi)部，并由于外部風機的抽吸而隨氣流排出; 當Fd=Fc時，顆粒受到的離心力和曳力平衡，粉體沉降為粗粉和進入轉(zhuǎn)子中成為細粉的幾率相等；當Fd< Fc時，夾雜少部分細粉的粗粉顆粒進入到下筒體，并與下部的二次風逆向?qū)α鬟M行漂洗，少部分細粉隨二次風進入到轉(zhuǎn)籠內(nèi)，粗粉與筒壁碰撞失去重力而從下出口排出[5]。

3 計算模型與求解方法

3.1 物理模型

根據(jù)新型渦流分級機的實際結(jié)構(gòu)和模擬所需的主要部件對分級機進行建模，分級機主要的部件參數(shù)如下：轉(zhuǎn)籠的內(nèi)、外緣直徑分別為160mm和230mm，葉片寬、厚分別為26mm和4mm。葉片數(shù)為20片，處于蝸殼內(nèi)的37片導(dǎo)風葉片安裝在直徑為300mm的圓周上，并且與圓切線呈15°。蝸殼高度為115mm，引流錐高度為64mm，二次風管半徑為64mm。根據(jù)以上部件的尺寸在借助軟件SolidWorks建立相應(yīng)模型。

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

ANSYSCFX軟件通過求解Navier-Stokes方程來對復(fù)雜模型的單相流進行經(jīng)濟有效地模擬[6]。本文采用前處理軟件ICEMCFD對其進行網(wǎng)格劃分。主要將模型分為三個域，分別為蝸殼域，轉(zhuǎn)子域和進風管域。在劃分網(wǎng)格時，對轉(zhuǎn)子部分進行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，其他兩部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

將劃分完的網(wǎng)格經(jīng)過質(zhì)量檢查，符合模擬條件要求后，在ANSYSCFX中進行邊界條件的設(shè)置。由于影響分級機的流場穩(wěn)定性的非結(jié)構(gòu)因素主要為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和處理風量(即體現(xiàn)為分級機的進口風速)[7-8]，本文在對分級區(qū)的流場進行測量，選擇兩蝸殼進口流速各為8m/s，二次進風管風速為3.5m/s(一、二次進風量控制為3∶1)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小分別取200r/min，350r/min，500r/min，650r/min和800r/min五組進行計算，域之間用Interface進行數(shù)據(jù)傳遞，壁面無滑移，對流項采用highsolution算法進行計算。

4 計算結(jié)果與分析

新型渦流分級機對粉體的分級采用平面渦流原理。對粉體顆粒分級的工程計算，其包括兩個過程，粉體顆粒的分級過程和分級機內(nèi)部氣體的運動特性進行分析，要得到顆粒的分級過程，首先需對氣體的流動場進行分析[9]。新型渦流分級機分級區(qū)域主要為轉(zhuǎn)籠區(qū)、環(huán)形區(qū)和下筒體與引流錐結(jié)合的二次漂洗通道區(qū)，其中環(huán)形區(qū)的切向速度呈現(xiàn)為準自由渦分布，轉(zhuǎn)籠區(qū)切向速度為強制渦分布[10]。轉(zhuǎn)籠區(qū)和環(huán)形區(qū)的流場穩(wěn)定性對分級機的分級性能至關(guān)重要，本文主要對以上兩區(qū)域的流場進行分析。

4.1 環(huán)形區(qū)速度分布

環(huán)形區(qū)主要為導(dǎo)向葉片的內(nèi)緣和轉(zhuǎn)籠外緣之間的環(huán)形區(qū)域，從撒料盤撒出的物料在環(huán)形區(qū)進一步分散和分級。環(huán)形區(qū)的切向速度呈現(xiàn)準自由渦分布，由于轉(zhuǎn)籠的旋轉(zhuǎn)，使環(huán)形區(qū)的流體介質(zhì)產(chǎn)生一定的湍流，湍流對分級機的分級性能影響較大。在分析環(huán)形區(qū)的流場穩(wěn)定性時，主要考察其切向速度分布[11]。切向速度分布越均勻，說明環(huán)形區(qū)流場越穩(wěn)定，越有利于分級機分級精度的提高。如圖2為在相同風速與不同轉(zhuǎn)速條件下，環(huán)形區(qū)速度等值線圖。從圖2可看出，當轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速大小為500r/min和650r/min時，等值線的梯度相對更少，環(huán)形區(qū)的速度相對更均勻；其余轉(zhuǎn)速下氣流切向速度波動較大，流場不穩(wěn)定，產(chǎn)生氣流脈動，當氣流攜帶顆粒在此區(qū)域分級時，不能達到理想的分級效果，影響分級機分級精度。

圖2 環(huán)形區(qū)切向速度等值線(a)200 r/min;(b) 350 r/min;(c)500 r/min;(d) 650 r/min;(e) 800 r/minFig.2 Contours of tangential velocity magnitude in annular region

圖3 不同轉(zhuǎn)速氣流切向速度隨半徑變化比較Fig.3 Comparison of tangential velocity with radius at different speeds

圖3為氣流切向速度隨距離轉(zhuǎn)籠中心不同徑向距離的變化規(guī)律，圖中切向速度負值表示速度的方向。由模擬結(jié)果可知，隨著轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加，環(huán)形區(qū)的切向速度變化較小。在同一轉(zhuǎn)速下，隨半徑的增加，切向速度越來越小，在靠近導(dǎo)向葉片處，由于壁面效應(yīng)，速度發(fā)生突變；而轉(zhuǎn)籠區(qū)的切向速度受轉(zhuǎn)速大小影響較大，隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加，切向速度呈現(xiàn)增加趨勢，在轉(zhuǎn)籠區(qū)與環(huán)形區(qū)的交界面處速度達到最大值。在不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)籠葉片邊緣的切向速度變化較大。

從理論上分析，環(huán)形區(qū)和轉(zhuǎn)籠區(qū)的切向速度公式如下：

(1)

式中：Vθ為取樣點處的切向速度，r為取樣點處離轉(zhuǎn)籠中心的距離，R為轉(zhuǎn)籠半徑，ω為轉(zhuǎn)籠的角速度，n由空氣流量、轉(zhuǎn)籠角速度和流體粘度決定，A為常數(shù)。

根據(jù)以上公式可得：位于轉(zhuǎn)籠葉片間的氣流切向速度隨離轉(zhuǎn)籠中心距離的減小而減小，位于環(huán)形區(qū)的氣流切向速度隨離轉(zhuǎn)籠中心距離的增大而減小，這與模擬結(jié)果相吻合。在轉(zhuǎn)籠區(qū)與環(huán)形區(qū)為兩種形式渦的交匯處，也是粉體分級的環(huán)形面，因此，在此交匯處周圍的速度波動大小對粉體分級效率的高低有一定的影響。如圖3所示，當轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為200r/min和350r/min時，轉(zhuǎn)籠葉片周圍的切向速度與環(huán)形區(qū)的切向速度相差較大，影響分級面的流場穩(wěn)定性，進一步影響分級機的分級效率。當轉(zhuǎn)速為650r/min時，轉(zhuǎn)籠切向速度和環(huán)形區(qū)切向速度相當，氣流能穩(wěn)定地進入到轉(zhuǎn)籠葉片間，有利于分級效率的提高。

4.2 轉(zhuǎn)籠軸向速度分布

作為渦輪式分級機，分級轉(zhuǎn)籠是整個設(shè)備的核心部件，為了分析轉(zhuǎn)籠高度方向的速度，在轉(zhuǎn)籠葉片間建立一豎向直線，轉(zhuǎn)籠葉片間高度方向的軸向速度和徑向速度與高度之間的關(guān)系分別如圖4和圖5。由兩速度曲線圖可知，在轉(zhuǎn)速為650r/min時，轉(zhuǎn)子中間區(qū)域的速度較為均勻，而轉(zhuǎn)速為200r/min和800r/min時，轉(zhuǎn)子葉片高度方向的軸向速度和徑向速度浮動較大。同時，在不同轉(zhuǎn)速下，由于壁面效應(yīng)的原因，靠近轉(zhuǎn)子兩壁面附近出現(xiàn)了速度突變，但是新型渦流分級機速度穩(wěn)定性在轉(zhuǎn)籠高度區(qū)域分布較寬，有效分級的空間利用率較高。為充分利用轉(zhuǎn)子區(qū)的分級空間和使分級精度的提高，應(yīng)使轉(zhuǎn)籠葉片間的速度場分布穩(wěn)定。因此，當氣流一、二次進口風速分別為8m/s和3.5m/s時，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在500～800r/min中間區(qū)域。

圖4 轉(zhuǎn)籠高度方向軸向速度Fig.4 Rotor cage height direction axial velocity

圖5 轉(zhuǎn)籠高度方向徑向速度Fig.5 Rotor cage height direction radial velocity

4.3 轉(zhuǎn)籠橫向區(qū)速度分布

對于旋轉(zhuǎn)機械，轉(zhuǎn)籠葉片間的流場特性對旋轉(zhuǎn)機械的工作性能有很大的影響。對于分級機來說，轉(zhuǎn)籠葉片間出現(xiàn)正、反漩渦都將影響分級機分級精度[12]。在正、反漩渦的作用下，氣流攜帶的合格細粉顆粒可能再次返回到環(huán)形區(qū)中，一方面加大了分級機的工作負荷，另一方面，細粉顆?？赡芑烊氪址壑?，嚴重影響了分級機的分級效果。在入口風速一定，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速大小分別為200r/min，350r/min，500r/min，650r/min和800r/min條件下對轉(zhuǎn)籠中間高度的橫向截面徑向速度進行分析。其中間截面的徑向速度分布云圖如圖6所示。由圖可知：在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大小為200r/min時，在轉(zhuǎn)子葉片的進行面附件出現(xiàn)正漩渦，隨著轉(zhuǎn)速大小提高至350r/min，進行面附近的正漩渦逐漸減小。當轉(zhuǎn)速大小為500r/min和650r/min時，葉片間的正漩渦基本消失，而當轉(zhuǎn)速大小為800r/min時，在轉(zhuǎn)子葉片的退行面附近出現(xiàn)反旋渦，隨著轉(zhuǎn)速的提高，反旋渦現(xiàn)象越來越明顯。因此，不同轉(zhuǎn)速對分級機分級區(qū)的流場特性有較大差別，從而間接地嚴重影響了分級機的工作效率和分級性能。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)不斷地調(diào)試轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速，使分級機達到合理的轉(zhuǎn)速和選出滿足要求粒度的成品。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下蝸殼中間高度徑向速度云圖(a)200 r/min;(b) 350 r/min;(c)500 r/min;(d) 650 r/min;(e) 800 r/minFig.6 Radial velocity distribution in separator volute middle surface

5 物料實驗

本實驗采用石灰石粉為原料，在一定加料速度與入口風速為8m/s和不同轉(zhuǎn)速條件下進行分級實驗，粗、細粉篩余采用325目篩篩分測量，在不同轉(zhuǎn)速下的分級機分級粒徑、分級效率如表1所示，由表1可知：隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加，分級機的分級粒徑逐漸減小，這是由于轉(zhuǎn)子周圍的粉體顆粒所受到的離心力增加，細粉顆粒被作為粗粉分級的幾率增加，進入到成品中細粉顆粒粒度減小的原因。隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的提高，牛頓分級效率增加，這是由于轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速提高后，粗粉回收率增加，細粉回收率下降，兩者共同作用的結(jié)果。當轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為500～650r/min時，分級機的分級精度和牛頓分級效率都較高，這與數(shù)值模擬的結(jié)果相吻合。因此，在其他操作參數(shù)一定條件下，存在較優(yōu)的轉(zhuǎn)速使分級機的分級效率達到最高。

表1 不同轉(zhuǎn)速下分級機分級指標

6 結(jié) 論

(1)分級區(qū)流場穩(wěn)定性對分級機的分級性能有較大影響，而影響分級機分級性能的非操作參數(shù)主要為轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速和入口風速；

(2)不同轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速影響環(huán)形區(qū)氣流穩(wěn)定性，并且不同轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)籠葉片間的切向速度變化較大，存在一臨界轉(zhuǎn)速與入口風速匹配；

(3)在同一風速與不同轉(zhuǎn)速條件下，轉(zhuǎn)籠葉片間將出現(xiàn)正、反漩渦，存在一合適轉(zhuǎn)速與入口風速使正、反漩渦最?。?/p>

(4)通過模擬結(jié)果與碳酸鈣物料實驗可知，模擬仿真與物料實驗結(jié)果相吻合，數(shù)值模擬可作為實驗中經(jīng)濟而有利的工具。

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Simulation and Study on Flow Field Characteristics of Annular Regions in New Tpye Turbo Classifier

HE Fu-jun1，F(xiàn)ANG Ying1,2，QIN Jian-bo1,CHAI Shu-yuan1

(1.CollegeofMaterialScienceandEngineering，NanjingTechUniversity，Nanjing210009，China；2.JiangsuNationalSynergeticInnovationCenterforAdvancedMaterials(SICAM)，Nanjing210009，China)

Inordertoobtaintheflowfielddistributionofnewtypeturboclassifier,baseonairflowcharacteristicsofclassifier,therelationshipbetweenvelocityofannularregionandrotorcageandrotaryspeedunderdifferencerotaryspeedwasanalysisedbyusingcomputationalfluiddynamicsofwareANSYSCFX14.5.Thesimulationresultsshowthattherotaryspeedaffectsthestabilityofannularvelocityfield,itcanleadtothephenomenonofcountervortexbetweentheblades,thereisacertainrangespeedcanmakethestabilityofthegasfieldintheclassificationarea,soitwillimproveclassificationefficiencyofnewtypeturboclassifier.Finally,theexperimentalresultsshowthatthesimulationresultsareinagreementwiththeexperimentalresults,Thenumericalsimulationprovidesatheoretialbasisforcontrolandchoiceofreasonableoperatingparametersofclassifier.

rotorcage;annularregion;flowfieldcharacteristic;classificationperformance

建筑材料行業(yè)科技創(chuàng)新項目(2013-M1-11)

何富軍(1990-)，男，碩士研究生.主要從事粉體分級設(shè)備的研究與設(shè)計、CFD數(shù)值計算方面的研究.

方 瑩，博士，教授.

TD

A

1001-1625(2016)12-4128-05