高效转子式选粉机的数值模拟的研究.pdf

2023年第3期中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）03-19-04【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.03.005高效转子式选粉机的数值模拟的研究李镇1，方莹2（1.中国中材国际工程股份有限公司（南京），江苏 南京 211100；2.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 200009）摘要：设计高效转子式选粉机，利用ANSYS CFX11.0软件进行数值模拟研究高效转子式选粉机内部流场。发现转子转动条件下，转子附近分级区域的速度不是沿转子叶片均匀分布，其流场因转子的转动分成两部分：一部分进入转子，在转子内部形成巨大的涡，具有较小的切向速度。一部分与转子上部形成60左右的夹角，与壁面之间形成一个涡，这两部分的流场形成双层强流场。通过对气固两相流运动模拟发现处于60 m与100 m之间颗粒部分通过转子区域。关键词：选粉机；高效转子式；数值模拟；流场Research on numerical simulation of high efficiency rotary powder sorterLi Zhen1,Fang Ying2（1.China National Materials International Engineering Co.,Ltd.(Nanjing),Nanjing 211100,China）Abstract:Design an efficient rotor type powder concentrator and conduct numerical simulation using ANSYS CFX11.0 software tostudy the internal flow field of the high-efficiency rotor type powder concentrator.It was found that under the condition of rotor rotation,the velocity in the graded area near the rotor is not uniformly distributed along the rotor blades.The flow field is divided into two partsdue to the rotation of the rotor:one part enters the rotor and forms a huge vortex inside the rotor,with a smaller tangential velocity.Apart forms an angle of about 60 with the upper part of the rotor,and a vortex forms between the two parts and the wall,forming a double-layer strong flow field.Through simulation of gas-solid two-phase flow,it is found that some particles between 60 m and 100 mpass through the rotor region.Key words:powder concentrator;efficient rotor type;numerical simulation;flow field0前言选粉机随水泥干法圈流粉磨技术进步而快速发展。在国内外对选粉机的性能研究过程中，注重分级室中颗粒受力的变化，在此基础上研究其性能。随着计算机技术的发展，利用计算机数值模拟技术研究选粉机空气动力特性，对优化选粉机空气流动、优化选粉机的工况提供帮助。新型高效转子式选粉机有颗粒细度可调、均匀性比较好、分离效率高及降低电耗等优点1-3。本文将利用 ANSYS CFX11.0 软件数值模拟，研究高效转子式选粉机内部流场情况。1高效转子式选粉机的结构高效转子式选粉机结构见图1。皮带轮及传动轴细粉及气流出口转子盘转子叶片约束筒体滴流装置反射锥体粗粉卸料口风料进管图1高效转子式选粉机模型图2数值模拟结果分析本文利用 ANSYS CFX11.0 软件对高效转子式选粉机进行数值模拟。2.1收敛性分析对于给定的方程，ANSYS CFX 11.0可以对其进行迭代求解，通过数值参差曲线获得方程的收敛情况。在模拟的过程中分别对其纯流场及气固两相流进行计算机模拟。变量值累积时间步长图2精细纯流场计算机残差曲线由图2可知，在U、V及W方向上的收敛都较好，在残差曲线中呈明显下降趋势。此次计算机模拟结果通过残差控制可以达到设定的要求。2.2静态流场分析设计研究李 镇，等：高效转子式选粉机的数值模拟的研究-192023年第3期对高效转子式选粉机的流场进行研究可知气体流场在选粉机内部的流场分布，为改性选粉机内部结构提供依据。以进口处理风量为2 400 m3/h进行数值模拟，可得到其静态场流场分布情况，见图3。出口分级转子约束筒体滴流装置反射锥体进口图3模型的静态全局速度矢量分布图通过对全局速度矢量分布可知，其流场在内部分布不均匀。经过反射锥体流场分成两部分，在滴流装置中部分形成几个大小不同的涡，速度有所减慢，在出口部分速度有所增加，但其从进口到反射锥体的过程中，其流场分布均匀，有利于物料的添加及分散。静态场中的转子区域速度矢量分布见图4。图4静态场中转子区域速度矢量分布图由图4可知在静态场中的转子区域速度矢量分布相对比较均匀，进入转子区域的流体基本进入转子分级区域，在传动轴的反射下，在分级区域形成一个巨大的涡，结合静态场全局速度分布矢量图可知大部分物料通过管道到达出口。反射锥体的流体曲线见图5。由图5可知，反射锥体对物料有很好的分散作用。颗粒在经过反射锥体时，首先与反射锥体下接触，由于气流携带的物料有一定速度，颗粒与反射锥体发生碰撞，大部分颗粒改变原有的运动轨迹。反射锥体对颗粒进行分散。有助于颗粒的分级。滴流装置上的速度矢量分布见图6。由图6可知，气流经滴流装置导向作用形成三个大小不同的涡。流体由进口进入，经反射锥的作用，流体均匀分布的经过滴流装置，靠近反射锥体部分速度偏大且密集。经过下滴流和中滴流洗涤，流场分成三部分：沿壁面上升部分、沿中滴流上升部分及沿下滴流回流部分。沿壁面及中滴流上升部分进入转子分级区，而沿下滴流回流流体部分沿约束筒体上升，部分回流。所以，这种滴流装置有较好的洗涤作用。图5在反射锥体的流体曲线图6滴流装置上的速度矢量分布图滴流装置上的速度矢量分布见图7。中滴流下滴流ab图7滴流装置上的速度矢量分布图由图7可知，气流经过滴流装置时形成两个大小不同的涡。经滴流装置分流作用，在滴流装置中间部分形成一个流场分叉，流场经滴流装置后部分沿滴流装置向上，而大部经滴流装置中间部分经约束筒体的导向作用沿约束筒体向上流动。2.3动态流场分析经分析，在动态场中流体在反射锥及滴流装置附近的流场分布与静态场基本相似，但其在分级区域有较大的差别。如图8所示，转子在转动条件下的分级区域速度不是沿转子叶片均匀分布，其流场因转子的转动分成两部分：大部分经叶片进入转子内部，在转子底设计研究李 镇，等：高效转子式选粉机的数值模拟的研究-202023年第3期部形成一定的漩涡。此气流以斜上的角度进入转子部分。颗粒主要进入此部分进行颗粒的分级。一部分在转子上部与转子横截面形成60左右的夹角，在其转子与壁面之间形成一个涡，此气流使较大颗粒有一个初速度甩向壁面，再次进入分级区域。图8动态场中分级区域的流场速度矢量分布与静态场相比，在转子分级区与壁面之间形成涡，较大颗粒容易在离心力场的作用下甩向壁面；同时在转子的分级区域存在双层强流场，在分级区域形成反复的运动，利于颗粒的分级。YZ截面分级区域的切向速度分布见图9。由图9可知，其转子区域沿着YZ截面的速度分布。由图9可清楚的知道，在其截面上的切向速度沿Z轴负方向增加，其在转子上部边缘地区达到最大。颗粒进入这个区域中在其离心力场的作用下甩出分级区域，对颗粒起到较好分级作用。如图10所示，Z方向距离反射锥0.576040mXY截面上的速度分布图，可见其速度不是在水平方向上均匀分布，而沿面形成波浪式的速度分布，其速度可使进入分级区域的颗粒进行螺旋式运动，对颗粒起到分级作用。图9YZ截面分级区域的切向速度分布为进一步说明转子区域的速度分布及颗粒运动情况，采用追踪某一固定点的气体流线的方法来描述，其流线见图 11、12。由图 11 点（0.178 50，-0.13841，-0.568 44）的流体曲线表明：在转子转动条件下，转子的上部因其速度较大做绕轴运动，且其流体曲线不做平滑的穿过运动，而是在转子强大离心场的作用下做绕转子的螺旋运动，这与图10中的波浪形的速度矢量分布相吻合。同时可以看出，转子上部分的流线明显多于中下部。在实际应用中，选粉机转子叶片上部磨损严重，与模拟的结果相吻合。图10分级区域XY截面（0.576040m）上的速度分布图11通过点（0.17850，-0.13841，-0.56844）的流体曲线如 图 12 所 示，通 过 点（0.16187，-0.16211，-0.46581）的流体曲线。开始点刚到达转子的分级区域，在转子的带动下达到转子上部边缘，此处可近似认为流体颗粒能进入转子叶片的临界位置。图12通过点（0.16187，-0.16211，-0.46581）的流体曲线2.4气固两相流运动模拟在模拟转子转动的基础上添加粒子追踪的物料。在前处理软件中定义流体的物理性质，设定粒子的基本物理性质及初速度、定义颗粒的尺寸，在转子转速为350 r/min、处理风量为2 400 m3/h的条件下利用拉格朗日法进行粒子追踪，对其进行数值模拟。由图13可知，通过对20m及60m的颗粒进行粒子追踪发现：20m细小颗粒经转子分级区域极易通过选粉机内部，经管道到达出口。而600m设计研究李 镇，等：高效转子式选粉机的数值模拟的研究-212023年第3期颗粒经转子区域时在离心力场作用下形成螺旋式轨迹，在转子附近绕轴运动，经过转子区域达到出口。（a）20m（b）60m图1320m及60m颗粒的运动轨迹图14为100 m颗粒的运动轨迹，100 m不能通过转子，颗粒难以进入转子分级区域进行颗粒分级。从不同方向看反射锥体对物料有较好的分散效果，而滴流装置对物料有较好的洗涤作用。由图14可知：颗粒经反射锥撞击作用后，速度发生反向，气流带动下沿约束筒体向上运动，而进入转子分级区域，受离心力和径向阻力作用，加之本身质量限制，无法通过转子进入成品粉，只能作为粗粉返回。图14100 m颗粒的运动轨迹由图15可知，80m的颗粒运动轨迹，其小部分能通过转子区域，大部分不能通过。由80m颗粒运动的轨迹可知，颗粒在转子分级区域因离心力场的作用下形成螺旋式的绕轴运动（主要集中在分级转子的底部），且停留时间较长。其原因在于该粒子在分级转子区域受到离心力和径向阻力的作用，使受力达到瞬间的平衡，所以绕轴运动且停留时间较长。同时颗粒受到碰撞等其他作用力，改变颗粒的运动状态，使其达到分级的效果。3切割粒径分析由切割粒径的公式可知处理风量为2400m3/h，转速为350r/min，标准状态下其理论分级粒径dc为75.1m，由切割粒径的定义可知：ddc时，难以通过转子。图15800m颗粒的运动轨迹4结论利用ANSYS CFX11.0软件进行计算机模拟，研究了高效转子式选粉机内部的流场分布及两相流的粒子追踪问题，发现：（1）对静态场的模拟可知：转子在没有转动的条件下，选粉机对颗粒没有分级作用。（2）在转子转动条件下，转子附近分级区域的速度不是沿转子叶片均匀分布，其流场因转子的转动分成两部分：一部分进入转子，在转子内部形成巨大的涡，具有较小的切向速度。一部分与转子上部形成60左右的夹角，与壁面之间形成一个涡，这两部分的流场形成双层强流场。（3）通过对气固两相流运动模拟发现小于600m的颗粒易通过转子分级区域，而大于1000m的颗粒则不易通过转子分级区域，处于 600m 与1000m之间颗粒的则是部分通过转子区域，保证成品粉可以达到要求。参考文献1高瑞永，解少红，陈娟玲.MD动态选粉机在煤粉制备系统中的应用J.河南建材,2004（3）：25-41.2 魏焕海.SDMFX动态选粉机在风扫煤磨上的应用J.水泥2006.9：45-46.3 关学军，丁丽林，高树朋.高效动态选粉机在煤粉制备系统中的应用J.水泥，2002（7）:34-35.（编辑：于欢）（收稿日期：2023-04-16）设计研究李 镇，等：高效转子式选粉机的数值模拟的研究-22