三转笼涡流空气分级机流场特性与分级性能分析_刘春雨.pdf

基金项目:国家自然科学基金(51904088);河北省普通高等学校青年拔尖人才计划项目(BJ2020042)收稿日期:2021-08-13 修回日期:2021-08-31 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0300-05三转笼涡流空气分级机流场特性与分级性能分析刘春雨,孙占朋,杨 光(河北科技大学机械工程学院,河北 石家庄 050018)摘要:设计了一种底部切向进气的卧式三转笼涡流空气分级机,利用数值模拟和颗粒分级试验进行流场分析与性能评价。模拟结果表明,分级机下部形成偏心竖直旋涡,切向速度在器壁附近较大,提供了颗粒分散、预分级流场;在竖直旋涡和转笼共同作用下,转笼区域流场分布不均匀,转笼叶片间存在惯性反旋涡;随进口气速增加,颗粒预分级流场和转笼区域流场强度均变大,与之匹配的转笼转速也增加,分级流场分布均匀性和对称性改善;转笼转速对流场的控制范围较小,仅对转笼区域流场产生影响。硅粉分级试验结果表明,单一操作参数(转笼转速或进口气速)过大或过小均对颗粒分级效果产生不利影响,试验可获得体积平均径为 6.9m 的细组分,分级精度最小值为 2.63。关键词:粉体技术;计算流体力学;涡流空气分级机;流场特性;分级性能中图分类号:TQ051.8 文献标识码:BAnalysis of Flow Field Characteristics and ClassificationPerformance of Turbo Air Classifier with Three Rotor CagesLIU Chun-yu,SUN Zhan-peng,YANG Guang(School of Mechanical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)ABSTRACT:A horizontal turbo air classifier with three rotor cages was designed.The flow field and classificationperformance of the classifier were investigated by the Fluent software and particle classification experiments.The nu-merical simulation results show that an eccentric vertical vortex forms at the bottom and the maximum tangential ve-locity appears near the wall.This provides the centrifugal force field for the particle dispersion and preliminary parti-cle classification.Under the combined action of vertical vortex and rotating cage,the flow field at the rotor cage is un-even,and there is an inertial counter-rotating vortex between the rotor cage blades.With the increase of the inlet airvelocity,the intensity of the flow field in the most areas increases,and the corresponding rotor cage speed has to in-creases.Moreover,the uniformity and symmetry of the flow field is improved.As a contrast,the rotor cage only domi-nates at the passages between the rotor cage blades.The particle classification experimental results show that too largeor too small rotor cage speed(or inlet air velocity)will have negative effect on the particle classification performance.The obtained fine fraction has the average volume diameter of 6.9m and the minimum classification accuracy indexof the classifier is 2.63.KEYWORDS:Powder technology;Computational fluid dynamics(CFD);Turbo air classifier;Flow field characteris-tics;Classification performance1 引言微粉是电子、矿物、食品、医药、化工等行业的重要基础材料,近些年,均匀化、窄分布粒径的颗粒需求逐渐增加,颗粒分级技术也获得了较大发展1。涡流空气分级机主要利用转笼形成的强制涡进行颗粒分级,其中立式涡流空气分级机的研究较多,主要集中在旋涡运动特征2、颗粒运动过程3,4、分级机理5及流场设计6,7等方面。立式涡流空气分级机的转笼常采用悬臂梁支撑,单台设备难以胜任超细粉体大规模加工,这是由于:超细粉体分级时转笼转速高,单003个大尺寸转笼长周期运转将面临动平衡失效、密封泄漏等难题8;受机械结构和流场布局等限制,分级室内难以安装多个小尺寸转笼。并联多台小型分级机虽可提高超细粉体产量,但工艺复杂性增加。卧式涡流空气分级机的转笼水平安装,尺寸也较小,易于实现两端支撑,转笼转速上限高。在分级室内安装多个小尺寸转笼,单台设备可用于超细粉体大规模加工,典型设备结构如图 1 所示,卧式多转笼涡流空气分级机的流场构成复杂,由转笼形成的水平旋涡和切向进风口形成的竖直旋涡正交耦合而成,但当前对多转笼涡流空气分级机内流场研究报道很少。本文在前期研究基础上9,10,以三转笼涡流空气分级机为研究示例,利用数值模拟和颗粒分级试验对其复杂流场和分级性能进行研究,研究结果不仅可揭示多正交旋涡耦合作用规律,还可为多转笼分级机的结构优化提供指导。2 三转笼涡流空气分级机模型2.1 分级机结构与尺寸三转笼涡流空气分级机结构和尺寸如图 1 所示,矩形切向进气口设于锥体下端,3 个转笼对称布置在直径为 350mm的上部筒体内,转笼轴线间夹角为 120,转笼内缘和外缘直径分别为 70mm 和 100mm,转笼水平长度为 88mm。数值模拟中分级机模型尺寸与试验中设备尺寸一致。图 1 三转笼涡流空气分级机结构示意图2.2 数值模拟利用 Fluent 软件开展流场分析,假定分级机内为不可压缩空气,将空气运动瞬时速度(u)分解为平均速度(v)和脉动速度(v),则流体运动连续性方程和动量方程如下ixi=0(1)it+ijxj=-pxi+xjixi+jxj-23ijixi|-vivj()xi(2)其中,i为流体平均速度,xi为位置坐标,t 为时间变量,为常温下空气密度,p 为流体压力,为流体黏度,i流体在 i方向的脉动速度,vivj为雷诺应力张量。湍流模型选择雷诺应力模型(RSM),雷诺应力方程如下t vivj()+xk(vivjvk)=Dij+pij+ij-ij(3)式(3)中右侧各项分别为应力扩散项、应力产生项、压力应变项和压力耗散项,各项求解方程如下Dij=xk(tk vivjxk),pij=-vivkvjxk+vjvkvixk|,ij=-1.8kvivj-23ijk()-0.60 pij-13ijpkk,ij=-23ij t为湍流黏度,k=(1/2)vivj为湍流动能,为湍流耗散率,k取 1.82。湍流耗散率的输运方程如下:t+(vi)xi=xj+t|xj|-C1kpijvixj-C22k(4)式(4)中、C1和 C2分别为 1.3、1.44 和 1.92。求解设置中,压力-速度耦合采用 SIMPLE 算法,压力梯度项插补格式采用 PRESTO,各方程对流项均采用 QUICK 差分格式,壁面条件采用无滑移及标准壁面函数进行处理。进气口采用速度入口边界,入口速度分别为 10m/s、15m/s 和20m/s,入口水力直径 DH 为 25mm,湍流强度根据公式(IT=0.16(DHv/)-0.125)计算,细粉出口为自由出流边界。使用 Gambit 软件对分级机进行网格划分,如图 2 所示,前期试算采用 4 种网格数量,分别为 86672、269324、531566和 885176。表 1 给出了不同入口速度和网格数量下压降测量值与模拟值,分析可知,随入口气速增加,分级机压降逐渐升高;网格数为 531566 时,压降模拟值与测量值误差小于5.5%,此外,分级试验中颗粒加入后压降试验值变化很小,因此认为数值计算方法可信。103图 2 三转笼涡流空气分级机网格示意图表 1 压降试验值与数值模拟值对比入口气速(m/s)网格数压降(Pa)模拟值试验值1586,672841.7998269,324917.5531,566981.1885,176983.210531,566536.455820531,5661470.613992.3 颗粒分级试验试验原料为硅微粉,其体积中位粒径约 34m。变频器及进气口管路阀门分别控制转笼转速和进气流量,分级机内颗粒浓度恒为 0.2kg/m3。切向进气口和顶部排气管上均设计压力测点,分级机压降为两位置测点处静压差,利用 U 型管压差计读取。每组分级试验完成后,粗组分从分级机底部排出,细组分被布袋过滤器收集,分别对收集的粗、细组分进行称重并取样,利用 BT-9300S 型激光粒度仪对样品进行粒度分析。使用分级精度指数 K 和分级后粗、细组分粒径分布曲线进行分级性能评价,分级精度指数 K 计算法参见文献9。3 数值模拟结果与讨论3.1 耦合流场分布特征图 3 给出了分级机内气流运动轨迹。分析可知,空气从切向进气口进入后形成竖直旋涡,靠近筒、锥体器壁和中心处气流旋转强度大,为粉末原料提供了分散、预分级离心流场。气流升至分级室,在水平转笼的作用下,竖直旋涡和水平旋涡相互作用,竖直旋涡被破坏而形成不规则的流场,为粗、细颗粒实现分离的主要场所。气流穿过转笼叶片汇入细粉出口,并在出口管内形成旋流,这造成了部分能量损失。图 4 给出了分级机内压力和速度分布规律。分析图 4a可知,转笼下部空间静压呈边壁高、中心低的特点,即分级机中心出现低压区。从图 4b 可看出,转笼水平截面上气流速度分布较均匀,转笼附近出现速度最大值,细粉排出管内速度呈螺旋三角形分布。从图 4c 可看出,转笼叶片间存在强度不等的惯性反旋涡,这将引起转笼区域流场不均匀、不稳定,同时加剧了转笼叶片间的颗粒返混,对粗、细颗粒的定向分离产生不利影响。图 3 三转笼涡流空气分级机内气体流动轨迹图 4 三转笼涡流空气分级机内压力及速度分布3.2 转速对流场的影响图 5 给出了 Y=0.35m 截面上切向速度随转笼转速的变化规律。分析可知,转速从 1000r/min 增大到 3000r/min,分级室下部区域气流切向速度分布特征不变,从器壁至中心,切向速度先变大后减小,呈偏心的兰金涡分布。最大切向速度出现在器壁附近,最大切向速度值基本不随转笼转速的增加而变化,最大切向速度值在 12m/s 左右。以上分析说明,转笼转速对其下部筒、锥体内的气流运动影响很小,即调节转笼对分级室下部的颗粒预分散、分级流场基本不产生影响。分析图 6 转笼区域内气流运动速度变化可知,随转笼转速增加,气流运动速度显著增加,转笼内气流旋转中心从靠203近下部叶片逐渐向轴中心移动,流场分布均匀性改善。同时也发现,远离转笼区域的外侧,气流运动速度几乎不随转速变化。结合图 5 和图 6 分析可知,转笼主要控制叶片区域流场,转笼区气流旋转强度和颗粒碰撞频率均影响分级粒径和分级精度。图 5 Y=0.35m 截面上切向速度随转速的变化图 6 转笼转速对转笼区域气体流动的影响3.3 进口气速对流场的影响图 7 给出了 Y=0.35m 截面上切向速度随进口气速的变化规律。分析可知,随进口气速的增加,切向速度最大值逐渐增加,竖直旋涡强度增加,切向速度分布的均匀性和对称性也有所改善。当进口气速达到 20m/s,切向速度基本呈对称兰金涡分布,切向速度最大值到达 14m/s。粉末原料进入后,在竖直涡旋转气流的剪切、冲刷作用下被分散,并在离心力和气流曳力的共同作用下实现初步分级。分析图 8 中转笼区域气流运动变化可知,进口气速对流场强度及分布情况均有重要影响。进口气速较小,气体旋转中心靠近转笼下方叶片,流场分布均匀性较差。进口气速增加为 20m/s 后,气体旋转中心向转笼中心移动,流场分布逐渐均匀。此外,随进口气速增加,转笼区域气流旋转强度也图 7 Y=0.35m 截面上切向速度随进口气速的变化增大。结合图 7 和图 8 可知,进口气速对大部分区域内离心力场都有重要作用,进口气速为分级机设计的首要确定参数,而后通过匹配转笼转速进一步提高颗粒分级效果。图 8 进口气速对转笼区域气体流动的影响4 分级试验结果与分析4.1 分级精度变化规律分析图 9 中颗粒分级精度变化规律可知,转笼转速和进口气速均对分级精度有重要影响。转笼转速固定,进口气速在 1025m/s 变化,分级精度值先减小后增大。以上分析说明,进口气速过大将引起粗颗粒所受气流曳力迅速增加,造成粗颗粒跑损量增大,颗粒分级效果变差。进口气速分别为 10m/s 和 15m/s 时,分级精度值随转速的增加先减小后逐渐变大,分级精度最小值对应的转速分别为 2000r/min 和 3000r/min。进口气速继续增大为 20m/s 和25m/s,分级精度最小值对应的转速也变大。试验操作参数下,分级精度最小值为 2.63,此时分级机处于较好的工作状态。从分级精度数值看,三转笼涡流空气分级机的分级效果仍需改善,可从以下方面进行:1、粉末原料进入分级机前进行预分散;2、优化分级机结构,改善分级流场分布,使转笼区303图 9 转笼转速和进口气速对分级精度指数的影响域的分级力场稳定均匀分布。4.2 粗、细组分粒径分布图 10 为分级后粗、细组分的粒径分布曲线(n=4000r/min,V=20m/s)。分析可知,细组分的粒径范围为 0 29.3m,体积平均径为 6.9m。粗组分的体积平均径为88.2m,29.3m 以下的颗粒含量为 16.5%。可见,三转笼涡流空气分级机可获得超细粉末,但分级后粗、细组分的粒径范围部分重合,粗组分中仍夹带较多的细颗粒。图 10 分级后粗、细组分粒径分布5 结论以典型的多转笼涡流空气分级机为基础,设计了一种卧式三转笼涡流空气分级机,利用数值模拟和硅粉分级试验对其流场特性和颗粒分级性能进行了研究,得到如下结论:1)三转笼涡流空气分级机内多个正交旋涡耦合作用后,转笼区域流场分布不均匀,转笼叶片间存在明显的惯性反旋涡,气流在锥体段形成偏心旋涡,优化该分级机结构以改善其流场分布十分必要。2)转笼转速主要控制叶片区域流场,较高的转笼转速有利于提高叶片区流场强度,改善流场分布均匀性。进口气速设备内对各区域流场均有较大影响,进口气速越大,锥体段颗粒预分级流场和转笼区域强制分级流场的强度也变大。3)分级试验表明,转笼转速和进口气速均对分级效果有重要影响,进口气速越大,与之匹配的转笼转速越高。试验中三转笼涡流空气分级机的分级精度最小值为 2.63,可获得体积平均径为 6.9m 的细组分。参考文献:1 韦鲁滨,李大虎,陈赞歌,孙铭阳,朱学帅.颗粒在脉动气流场中受力和分选的数值模拟J.中国矿业大学学报,2017,46(1):162-168,176.2 Rim Guizani,HatemMhiri,Philippe Bournot.Effects of the Geom-etry of Fine Powder Outlet on Pressure Drop and Separation Per-formances for Dynamic SeparatorsJ.Powder Technology,2017,314:599-607.3Gao Liping,Yu Yuan,Liu Jiaxiang.Study on the Cut Size of aTurbo Air ClassifierJ.Powder Technology,2013,237:520-528.4 陈作炳,于永杰,范雄.立式辊磨机颗粒分级筛选研究J.计算机仿真,2019,36(11):215-219,294.5Y Yamada,M Yasuguchi,Klinoya.Effects of Particle Dispersionand Circulation Systems on Classification PerformanceJ.PowderTechnology,1987,24(11):693-699.6 孙占朋,韩晓鹏,孙国刚,韩笑,魏庆.离心式气流分级机的现状与发展J.中国粉体技术,2017,23(2):39-43.7 任成,刘家祥,于源.导风叶片对涡流空气分级机内流场的影响J.化工进展,2019,38(9):3988-3994.8 田巍,田坪.选粉机动态密封检测装置的研究与开发J.中国粉体技术,2011,17(6):67-70.9 孙占朋,孙国刚,许杰.挡板对卧轮式气流选粉机性能的影响J.中国粉体技术,2016,22(1):6-10.10Sun Zhanpeng,Sun Guogang,Liu Jianxin,YangXiaonan.CFDSimulation and Optimization of the Flow Field in Horizontal TurboAir ClassifiersJ.Advanced Powder Technology,2017,28(6):1474-1485.作者简介刘春雨(1996-),女(汉族),河北省唐山市人,硕士研究生,主要研究领域为颗粒分级技术及理论。孙占朋(1989-),男(汉族),河北省石家庄市人,讲师,硕士研究生导师,主要研究领域为颗粒分级技术及理论。杨 光(1974-),男(汉族),河北省石家庄市人,教授,硕士研究生导师,主要研究领域为制造业信息化。403