沸騰式送粉器性能及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

戴俊豪 韋俊尤

摘要： 文章運(yùn)用氣固兩相流數(shù)值模擬的方法對送粉器輸送不同密度及不同顆粒直徑粉末進(jìn)行了仿真研究，并分析送粉器結(jié)構(gòu)對粉末輸送效果的影響，從而對送粉器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，隨著顆粒直徑的增大，相同氣流條件下得到的送粉流量減小。而相同顆粒直徑下，隨著粉末材料密度的增大，送粉的體積流量逐漸減小，而質(zhì)量流量的變化無規(guī)律可循。根據(jù)氣固兩相流理論，選取不同的送粉管與氣流入口高度值進(jìn)行模擬對比分析。該高度值的增大并不能改善送粉的均勻性，而從當(dāng)前高度降低6mm可得到更好的送粉均勻性。

關(guān)鍵詞：沸騰式送粉器，性能分析，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，數(shù)值模擬

前言

在高能束熔覆粉末輸送中，氣-固兩相流數(shù)值模擬已經(jīng)在粉末噴嘴流場模擬中得到很多的應(yīng)用[1-3]；此外，針對螺旋式送粉器，施陽和等[4]運(yùn)用Fluent模擬了送粉器內(nèi)部的速度分布、顆粒軌跡等進(jìn)行了仿真分析；對于該類需要追蹤流動(dòng)顆粒的數(shù)量較少的工況，用歐拉-拉格朗日法[5]可得到很好的效果。而針對本文所研究的送粉器，粉末與氣體混合的濃度大，涉及的顆粒數(shù)量多，離散相模型進(jìn)行仿真所需的計(jì)算時(shí)間久，因此運(yùn)用歐拉-歐拉法[6]對沸騰式送粉器的輸送過程進(jìn)行仿真。該方法已在氣固兩相流模擬中得到廣泛的應(yīng)用。K. Papadikis等[7]曾運(yùn)用數(shù)值模擬對快速裂解流化床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過修改不同的流化床結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)值模擬的流化床結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.沸騰式送粉器及其數(shù)值模擬

對本文所涉及的沸騰式送粉器，由于其不存在軸對稱性，無法簡化為二維模型進(jìn)行模擬。因此，按照現(xiàn)有設(shè)備的尺寸進(jìn)行模型建立如圖1所示，粉倉內(nèi)的粉末在下端沸騰氣流的作用下，隨氣體通過小孔進(jìn)入送粉管中，并由送粉氣路的氣流將混合的粉氣送入激光熔覆送粉噴嘴。粉倉的主要尺寸參數(shù)為：送粉管直徑為2mm，粉倉與送粉管連接的小孔直徑為1mm，下端氣流入口直徑20mm。

圖1送粉器的三維網(wǎng)格示意圖

在之前的研究中，確定了Mckeen曳力模型在該送粉器數(shù)值模擬中得到的送粉流量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合，因此，利用數(shù)值模擬的方法研究送粉器輸送粉末的性能時(shí)，只需對Fluent中粉末相的顆粒直徑或材料密度進(jìn)行修改。而對送粉器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要對不同結(jié)構(gòu)尺寸的送粉器重新建模及劃分網(wǎng)格。

2.對不同粉末輸送結(jié)果的模擬與分析

對于不同的粉末，流態(tài)化過程中臨界流化速度等參數(shù)也會(huì)不同，因此要對其輸送特性進(jìn)行全面的了解需要大量的實(shí)驗(yàn)，在確定了合適的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，通過修改數(shù)值計(jì)算時(shí)固體相的參數(shù)，能更方便快捷的了解送粉器對各類熔覆粉末輸送的性能。

2.1.不同顆粒直徑粉末的輸送效果模擬

選擇2.83L/min的沸騰氣流，2.4L/min送粉流量作為邊界條件，粉末固定為鎳基合金粉末，選取70μm，80μm，90μm，100μm，110μm五種不同顆粒直徑的粉末進(jìn)行仿真，粉末材料密度均為8830kg/m3，將其得到的粉末輸送結(jié)果進(jìn)行對比分析。

不同顆粒直徑下送粉流量穩(wěn)定后取平均值，結(jié)果如表1。可見顆粒直徑的不同，對送粉質(zhì)量流量也產(chǎn)生較大影響，在相同的沸騰進(jìn)氣量下，粉末顆粒直徑越大，送出的粉末流量越少，且流量并非雖顆粒直徑增大而等比例減小。

表1 不同等效顆粒直徑下得到的送粉流量

圖3顯示粉氣管中的粉末濃度在隨密度增大而降低。另外，在對密度大的粉末輸送，粉末濃度分布不均勻，有粉末濃度低的氣泡出現(xiàn)。當(dāng)氣-固兩相的密度差越大，流化床越容易形成聚式流態(tài)化。

圖4為四種不同密度合金粉末輸送時(shí)粉末流量隨時(shí)間的變化，該圖顯示的結(jié)果與之前對粉末體積分?jǐn)?shù)分布圖的分析結(jié)果一致，兩種密度比較大的粉末輸送時(shí)，流量的波動(dòng)比較明顯。而對后兩種密度較小的粉末（鋁合金和鈦合金）則可得到較均勻的粉末流量。因此，這類基于流態(tài)化的送粉器對密度小的金屬粉末會(huì)得到更加穩(wěn)定的送粉效果。

3.送粉器結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬結(jié)果表明，該尺寸的送粉器送粉流量仍然有比較大的不均勻性，這會(huì)導(dǎo)致熔覆層高度不均勻，因此，利用數(shù)值模擬的方法，修改送粉器的結(jié)構(gòu)，從而能對送粉器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

基于流化床理論的初步分析，通過數(shù)值模擬，對不同送粉管高度下的送粉流量結(jié)果進(jìn)行分析比較。下端沸騰進(jìn)氣口到送粉管上的小孔的高度為H=20mm，本節(jié)重新更改送粉器結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，參數(shù)H分別取14mm，17mm，23mm，29mm四種高度。

重新設(shè)計(jì)送粉器結(jié)構(gòu)后，在其他邊界條件和參數(shù)不變的情況下，進(jìn)行送粉模擬，圖5顯示了不同結(jié)構(gòu)下粉末流量隨時(shí)間變化。為了對比不同參數(shù)下送粉流量的波動(dòng)性。

不同的高度H下粉末輸送的效果不盡相同，而H為17mm、23mm和29mm時(shí)，送粉流量的波動(dòng)均比較大，其平均值分別為30.1g/min、28.1g/min和25.8g/min。而送粉過程中最大的流量可能達(dá)近80g/min。

通過對比H為14mm和29mm兩種情況下粉末濃度分布，圖6（a），（b）分別為H=14mm時(shí)送粉器中的粉末濃度分布基本保持不變，不存在氣泡的上升和聚并而導(dǎo)致送粉流量的波動(dòng)。圖6（c），（d）分別為H=29mm的送粉器結(jié)構(gòu)中所得到的粉末濃度，在送粉管兩邊容易產(chǎn)生流量不均勻的氣泡，導(dǎo)致送粉流量存在波動(dòng)性。

可見，送粉管距離篩網(wǎng)的高度H降低到14mm，可得到穩(wěn)定的粉末輸出，且減少了送粉時(shí)剩余無法輸送的粉末量，參數(shù)H可作為對送粉器優(yōu)化的參數(shù)之一。

4.結(jié)論

通過數(shù)值模擬，表明對于該類流態(tài)化粉末輸送設(shè)備，粉體的密度，顆粒直徑等均會(huì)關(guān)系粉末輸送的流量。在一定的輸送氣流下，隨著顆粒直徑的增大，送粉器輸送的粉末質(zhì)量流量逐漸減小，且粉末顆粒直徑大于一定值后，將很難送出粉末。而對于相同顆粒直徑的粉末，隨著粉末材料密度的增大，粉末的體積流量減小。

對送粉管距離下端沸騰進(jìn)氣口的高度參數(shù)H進(jìn)行調(diào)整，分析不同H下的送粉效果。結(jié)果表明，H參數(shù)減小到14mm時(shí)，可得到相對穩(wěn)定的送粉效果。一定程度上改進(jìn)了送粉器的性能，而其它高度下送粉流量波動(dòng)性都很大。因此，現(xiàn)有送粉器中送粉管與篩網(wǎng)的高度可適當(dāng)?shù)南抡{(diào)，而該高度的增大并不能得到更好的送粉效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔海濤， 李強(qiáng)， 武強(qiáng)等. 激光快速成型送粉器及其特性[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2002， 28（3）.

[2]沈文， 李言祥. 激光熔覆陶瓷送粉器的研制[J]. 新技術(shù)新工藝. 1996（02）.

[3]李朋， 楊慧賓等. 激光熔覆同步送粉器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 表面技術(shù). 2007（01）.

[4]施陽和， 邵宗恒. 螺旋送粉器內(nèi)流場的三維數(shù)值模擬[J]. 中國粉體技術(shù). 2011， 17（4）.

[5]欽蘭云， 王維等. 激光加工同軸送粉噴嘴兩相流流場的數(shù)值模擬[J]. 應(yīng)用激光. 2012（06）.

[6]李會(huì)山， 王春嫻等. 同軸載氣送粉激光熔覆粉末流參數(shù)研究[J]. 應(yīng)用激光. 2006（04）.

作者簡介：戴俊豪（1986-），男，浙江紹興人。浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士研究生，主要從事數(shù)控教學(xué)工作與金屬材料表面改性研究。