王懷，樊瑜瑾，劉小川，蔡培良，唐軍，吳家喜

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院；2.563000 貴州省 遵義市 貴州航天天馬機電有限公司；3.655001 云南省 曲靖市 紅云紅河煙草(集團)有限責(zé)任公司曲靖卷煙廠；4.650106 云南省 昆明市 昆明昆開專用數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司；5.650051 云南省 昆明市 中船重工750 試驗場）

0 引言

通過對浮選腔梗絲風(fēng)選分離系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，在梗簽收集器中，成品煙絲的含量仍有10%～30%，這些梗絲混合物會被處理室全部處理掉，因而會造成大量煙絲浪費[1]。浮選腔內(nèi)部流域的不同形狀會產(chǎn)生不同的氣流速度及流動形式，流域的不同會對梗絲分離效果造成較大影響[2]，而浮選腔內(nèi)部流域形狀主要受擋風(fēng)塊形狀的影響，故研究浮選腔內(nèi)部不同形狀類型的擋風(fēng)塊對提高梗簽的分離效果有重要意義。

科研人員對不同類型風(fēng)選分離系統(tǒng)已進行了深入研究。熊克林[3]對PROTOS70 卷煙機組加裝離線梗絲分離裝置進行二次分離，使含絲率降低了4%。王聲揚[4]改進PROTOS 二次風(fēng)選系統(tǒng)，加長煙條輸送機、改變定位塊、定位座尺寸，可避免煙絲飛出造成的浪費。柏世繡[5]改進風(fēng)選漂浮腔，將上部腔體改為斜體，再在內(nèi)部設(shè)置4 塊擋風(fēng)塊錯位排列，可增大梗絲分選效果。姚佳[6]改進卷煙廠PROTOS2-2 卷接機組風(fēng)機傳動比、風(fēng)壓，并對帶輪進行優(yōu)化，可使煙絲消耗量降低139 g/箱。張皓天[7]通過對浮選腔彈絲松散裝置及擋風(fēng)塊位置分布的研究，確定了具有較優(yōu)分離效果的彈絲松散裝置與擋風(fēng)塊位置及個數(shù)。

CFD 理論常用于風(fēng)選分離的仿真模擬，GORIAL[8]利用CFD 算法對小麥種子與莖干在垂直負(fù)壓吸風(fēng)道中的分離運動進行研究，探索出風(fēng)分速度與莖干角度對分離效果的影響。本文采用CFD離散相模型對ZJ17 卷煙機離心腔分離過程中的內(nèi)部壓力場、速度場與顆粒運動軌跡進行研究，可確定入口風(fēng)速為8 m/s 時離心腔梗中含絲率最小[9]。由于CFD 軟件進行仿真分析時，仿真模型均是建立球體模型，且會忽視顆粒運動過程中的碰撞，與實際的梗簽、煙絲顆粒在流場中的受力存在差異。針對CFD 算法存在的缺陷，使用CFD-DEM 耦合技術(shù)對旋風(fēng)分選器模型的風(fēng)分流場進行數(shù)值模擬，研究流場中粉塵顆粒在氣流作用下的運動軌跡[10]。通過CFD-DEM 耦合技術(shù)對真空浮選腔梗絲分離在不同負(fù)壓下進行了數(shù)值模擬與仿真分析，確定浮選腔最佳分離負(fù)壓為-1.2 kPa，并通過實驗進行驗證，初步證明了耦合技術(shù)的可行性[11]，因此可以通過CFD-DEM 耦合仿真對不同形狀擋風(fēng)塊的真空浮選腔進行對比，通過對比內(nèi)部氣流的壓力云圖及速度圖，計算出煙絲、煙梗顆粒的分離效率，驗證仿真結(jié)果，從而確定具有較優(yōu)分離效果的浮選腔擋風(fēng)塊形狀，以達到減少煙絲浪費的目的。

1 浮選腔結(jié)構(gòu)及顆粒的受力分析

1.1 浮選腔結(jié)構(gòu)

ZJ17 卷煙機組梗絲風(fēng)選分離系統(tǒng)利用負(fù)壓風(fēng)選分離原理分離真空浮選腔中煙絲、煙梗顆粒[12]。整個裝置主要由梗簽收集器、進料板、落料口、出料管等組成，如圖1所示。浮選腔內(nèi)通入負(fù)壓，煙梗、煙絲顆粒通過進料板傳送進入真空浮選腔，2 種顆粒在浮選腔內(nèi)懸浮分離，較輕的煙絲顆粒從上方出料管分離出來，而較重的煙梗顆粒則通過下方落料口落入收集器。

圖1 真空浮選腔Fig.1 Vacuum flotation chamber

1.2 腔內(nèi)顆粒的受力分析

在真空浮選腔中，空氣和煙梗、煙絲分別為氣相與固相，由于氣相與固相之間的相互作用力，導(dǎo)致固相顆粒在流場中的受力較復(fù)雜，其中主要包括慣性力、壓力梯度力、重力和浮力、Basset 力、附加質(zhì)量力、Magnus 力等[13]。氣相與固相之間的相互作用力是影響顆粒數(shù)學(xué)模型的建立的重要因素之一，通過對固相顆粒進行物理學(xué)研究分析，才能更好地理解耦合仿真后顆粒分離效果的重要意義[14]。

（1）慣性力

固相顆粒在流場中會受到慣性力的作用：

式中：Fi——顆粒所受慣性力；ds——顆粒直徑；ρs——顆粒密度；vs——顆粒速度。

（2）壓力梯度力

在真空浮選腔上方出口處的負(fù)壓影響下，腔體內(nèi)部存在著不同的壓力梯度差，因此煙梗煙絲顆粒在腔內(nèi)的不同位置所受到的壓力不同，由此造成的壓力梯度力為

式中：Fs——壓力梯度力；Vs——梗絲顆粒的體積。

（3）重力和浮力分別為

其中：G——梗絲的重力；Ff——梗絲的浮力；ρs——梗絲密度；ds——梗絲的當(dāng)量直徑；ρg——空氣密度；g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

（4）Basset 力

煙梗、煙絲顆粒在腔體內(nèi)部的運動存在相對加速度，從而產(chǎn)生了一種不恒定的阻力，即Basset 力，其數(shù)值與流場以及固相顆粒的受力有關(guān)，可表示為

一般情況下，在氣固兩相流中，由于固相顆粒的密度較流體密度大太多，本文的研究中，煙梗煙絲顆粒的密度遠大于空氣密度，故Basset 力可以忽略不計。

（5）附加質(zhì)量力

顆粒在流場中做加速運動時會帶動顆粒周圍的流體也做加速運動，這些周圍流體做加速運動折算后的質(zhì)量稱為附加質(zhì)量，推動周圍流體做加速運動的力稱為附加質(zhì)量力。對于流體中的非球形顆粒，其附加質(zhì)量力表達式為

式中：αs——加速度；C ——質(zhì)量因子。

（6）Magnus 力

顆粒在流場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生一種與流場流動方向相垂直的由逆流側(cè)指向順流側(cè)方向的力，即是Magnus 力，也稱為馬格努斯效應(yīng)，公式為：

式中：ωs——梗絲顆粒旋轉(zhuǎn)角速度。

2 分析方法的選擇

當(dāng)煙絲、梗簽在真空浮選腔中進行負(fù)壓分離時，浮選腔內(nèi)安裝有彈絲松散機構(gòu)和擋風(fēng)塊，擋風(fēng)塊類型不同會產(chǎn)生不同的流域，流域不同導(dǎo)致顆粒在真空浮選腔運動過程中產(chǎn)生差異，從而影響分離效果。由于在CFD 算法中并未考慮顆粒碰撞帶來的影響，為了模擬負(fù)壓狀態(tài)下浮選腔內(nèi)更加真實的顆粒分離過程，需要進行CFD-DEM 耦合。

CFD-DEM 耦合的優(yōu)點在于，在Fluent 中可以選擇合適的湍流模型并設(shè)置腔內(nèi)壓力等，而在EDEM 中能夠表現(xiàn)出煙絲、煙梗顆粒的各項物理屬性，包括入射速度、密度、大小、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)等。計算浮選腔內(nèi)空氣流場與顆粒間作用力，模擬分析碰撞帶來的影響，并通過顆粒的運動方程計算各個顆粒的瞬態(tài)分布及壓力云圖，從而更準(zhǔn)確地模擬空氣和煙絲、煙梗顆粒相互作用后的結(jié)果，選擇具有較優(yōu)分離效果的擋風(fēng)塊形狀類型。

3 浮選腔內(nèi)氣流的仿真模擬

3.1 浮選腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)建模

由于方形浮選腔體比圓柱形腔體更適合懸浮分離[15]，故采用方形浮選腔外形，如圖2 所示。擋風(fēng)塊可將浮選腔正常工作過程中的團狀煙絲和梗簽混合物打散，也可以使流場中形成多處大小不同的渦流，增加分離效果。

圖2 方形浮選腔Fig.2 Square flotation chamber

基于不同形狀擋風(fēng)塊改變氣流運動的思路，擋風(fēng)塊分別設(shè)計了半圓形型、三角形型和梯形型3種方案，3 種模型如圖3 所示。彈絲松散裝置需有較大的可接觸面積，故將其設(shè)計為長方體。

圖3 3 種擋風(fēng)塊模型Fig.3 Three models of wind block

3.2 不同形狀擋風(fēng)塊的仿真

仿真前，先將彈絲松散裝置按預(yù)定位置裝配到矩形浮選腔內(nèi)壁。當(dāng)浮選腔正常工作時，腔體內(nèi)充滿了空氣，故用Fill 工具創(chuàng)建腔內(nèi)流體域，再導(dǎo)入 Meshing 劃分網(wǎng)格，如圖4 所示。在Fluent 中，先定義重力，設(shè)置求解模型為RNG k-ε（2eqn），設(shè)置邊界條件時將int1、int2 處氣壓設(shè)置為0，將out3 處的氣壓設(shè)置為負(fù)壓1.2 kPa，選用PISO 解算模式，解算器參數(shù)包括亞松弛因子等保持默認(rèn)。

圖4 Meshing 中的模型設(shè)置Fig.4 Model settings in Meshing

對EDEM 進行前處理。將模型設(shè)定為Hertz-Mindlin 無滑動碰撞模型，并設(shè)置材料、重力加速度。煙絲、煙梗顆粒的形狀如圖5 所示，其中煙絲、煙梗顆粒密度分別為223 kg/m3、557 kg/m3。內(nèi)壁與煙絲、煙梗顆粒的材料及相互作用系數(shù)分別如表1、表2 所示。設(shè)置顆粒工廠時，根據(jù)浮選腔實際工作狀態(tài)，設(shè)置為顆粒的入口int1，入射角度45°，入射速度均為5 m/s，最后通過UDF 程序?qū)luent 和EDEM 軟件進行耦合。

圖5 顆粒模型Fig.5 Particle model

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

表2 相互作用系數(shù)Tab.2 Interaction coefficients

3.3 不同形狀擋風(fēng)塊的浮選腔流場分析

浮選腔內(nèi)流場的狀態(tài)直接影響了煙絲、煙梗顆粒的懸浮運動[15]。對不同形狀浮選腔內(nèi)流域進行仿真分析，再通過surface 工具截出浮選腔中間位置的一個平面。對比3 種模型中間平面上的壓力云圖及速度大小分布圖的優(yōu)劣，綜合考慮可得出最適合懸浮分離的擋風(fēng)塊方案。

3 種擋風(fēng)塊類型的浮選腔壓力云圖如圖6 所示。在浮選腔上部出料口處壓力較大且壓力降低的梯度明顯，此段區(qū)域3種浮選腔的壓力分布幾乎相同。在浮選腔的中間部位，（顏色深表示負(fù)壓更大）半圓形型浮選腔壓力較大，導(dǎo)致壓力梯度變化小，壓差變化不大，不利于顆粒分離。

圖6 3 種不同擋塊浮選腔壓力云圖Fig.6 Three kinds of different block flotation chamber pressure cloud diagram

3 種模型的速度大小分布圖如圖7 所示。半圓形型擋風(fēng)塊的速度大小分布圖可明顯看出中間流域速度很大，容易造成梗絲還未分離就離開腔體，且速度分布很不均勻，并且在梯形型擋風(fēng)塊的腔內(nèi)流域中，擋風(fēng)塊附近的速度梯度沒有三角形型擋塊流域明顯，且速度大小的種類沒有三角形型流域豐富。綜合比較，三角形型擋風(fēng)塊的方案能更徹底地分離煙絲和梗簽顆粒。

圖7 3 種不同擋風(fēng)塊浮選腔速度大小分布圖Fig.7 Three kinds of different block flotation chamber velocity distribution diagram

3.4 煙梗顆粒的運動分析

耦合仿真過程中，利用EnSight 對EDEM 中的梗絲顆粒進行統(tǒng)計，以煙梗顆粒作為觀察對象，將煙梗顆粒顏色設(shè)置為黑色，選取分離時間為1.35 s，分別對比該時刻下3 種不同擋風(fēng)塊下煙梗的分離效果。從圖8 中觀察發(fā)現(xiàn)，在同一時刻，若選取彈絲松散機構(gòu)作為參考，則在松散機構(gòu)位置之上的煙梗顆粒數(shù)量分別是10，15，20，且安裝三角形型擋風(fēng)塊的浮選腔內(nèi)，煙梗顆粒大都集中在落料口，由此可以看出其分離速度最快，而安裝梯形型擋風(fēng)塊懸浮腔內(nèi)的煙梗顆粒分布較廣，顆粒數(shù)最多，故分離速度最慢。

圖8 煙梗顆粒分離Fig.8 Tobacco stem particle separation

3.5 3 種擋風(fēng)塊腔內(nèi)顆粒的統(tǒng)計分析

為了分析出每種擋風(fēng)塊方案在腔體豎直氣流中分離效果的差異，分別對EDEM-Fluent 耦合后梗絲分離的煙絲和煙梗顆粒數(shù)量進行統(tǒng)計。為便于獲得實驗數(shù)據(jù)，分別設(shè)置上方出料口及下方落料口為統(tǒng)計區(qū)域，對3 種擋風(fēng)塊裝置分別進行6次分離仿真實驗，每次投入顆粒數(shù)增加100，為確保浮選腔內(nèi)充滿負(fù)壓，待耦合仿真開始一段時間后，統(tǒng)計投入顆粒到仿真結(jié)束時間內(nèi)出料口及落料口的煙絲、煙梗顆粒數(shù)量，計算出分離效率，結(jié)果如表3 所示。

表3 三角形型、半圓形型、梯形型裝置分離效率Tab.3 Separation efficiency of triangular,semicircular,and trapezoidal devices

由表3 可以看出，每次投入顆粒之后，3 種不同形狀的擋風(fēng)塊裝置分離效率不同，其中分離效率由高到低依次為三角形型擋風(fēng)塊懸浮腔、梯形型擋風(fēng)塊懸浮腔、半圓形型擋風(fēng)塊懸浮腔，統(tǒng)計結(jié)果與之前的仿真分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

基于CFD-DEM 理論，通過EDEM-Fluent 耦合技術(shù)，對浮選腔在不同擋風(fēng)塊形狀下進行了梗簽分離的耦合仿真分析，并對顆粒的分離數(shù)量、分離效果進行了統(tǒng)計，分析數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較表明，當(dāng)分離負(fù)壓為-1.2 kPa 時，EDEM-Fluent 耦合仿真情況下，三角形型浮選腔的分離效果比梯形型和半圓形型好。流場分析表明，三角形型擋塊腔內(nèi)壓力分布和速度分布更合理，三角形型擋塊的方案能更徹底分離煙絲和梗簽顆粒。顆粒統(tǒng)計分析說明，三角形型浮選腔的分離效率高于梯形型和半圓形型浮選腔。