進口風速和轉速對渦流空氣分級機流場的影響

2016-01-22 02:39:23諶永祥,榮云,李雙躍等

浙江工業大學學報 2015年5期

諶永祥，榮云，李雙躍，李支茂，張勝林

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽 621010)

摘要：為了研究進口風速和轉速對渦流空氣分級機流場的影響,對不同進口風速和轉速組合下的轉籠葉片間的流場進行模擬，記錄并分析結果及參數.模擬結果表明：當進口風速分別為8，12，16 m/s時，與之匹配的最佳轉速分別約為800，1 100，1 500 r/min，在最佳匹配時轉籠葉片間的徑向速度波動最小，流場最均勻，旋渦最弱；實驗結果表明：在進口風速和轉速匹配最佳時，分級機的分級精度最高，從而間接驗證了模擬結果的正確性.該研究對分級機進口風速和轉速的匹配具有一定的指導意義.

關鍵詞：渦流空氣分級機；流場；最佳匹配；穩定

收稿日期：2014-11-13

基金項目：四川省科技廳支撐計劃項目(2010GZ0135)

作者簡介：諶永祥(1958—)，男，河南漯河人，教授，碩士生導師，研究方向為先進制造技術，E-mail：cyx@SWUST.edu.cn.

中圖分類號：TB44

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)05-0517-05

Abstract:In order to study the effect of inlet wind speed and rotating speed on flow field of vortex air classifier . The flow field between rotor cage’s blades was simulated under different inlet wind speed and rotating speed combinations. Recording and analyzing the results and parameters. The simulation Results showed that when inlet wind speed was 8, 12, 16 m/s respectively, the best matching rotate speed was approximately 800, 1100, 1500 r/min respectively.When inlet wind speed and rotating speed matched best radial velocity fluctuation was the weakest, flow field was the uniformest and vortex was the weakest. The experimental results showed that when inlet wind speed and rotating speed matched best, classification accuracy of classifier was the highest , so as to verify the validity of the simulation results indirectly. The research gave a direction to match inlet wind speed and rotating speed of classifier.

Keywords:vortex air classifier; flow field; best matching; stable

Effect of inlet wind speed and rotating speed on flow field

of vortex air classifier

CHEN Yongxiang, RONG Yun, LI Shuangyue, LI Zhimao, ZHANG Shenglin

(School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology

Technology, Mianyang 621010, China)

隨著科技的進步，各行各業對粉體的粒度分布要求越來越高，總體逐漸趨向細而窄的方向發展，對分級設備的分級性能提出了更高的要求[1].渦流空氣分級機由于其先進的渦流分級原理，并且具有能耗低、流場穩定等特點得到廣泛應用[2].由于分級機內流場的分布決定了分級力場和顆粒的運動軌跡[3-4].因此要提高分級機的分級性能，必須要保證分級流場的穩定[5].轉籠是渦流空氣分級機內重要的分級區，轉籠葉片間的分級流場的穩定性對渦流空氣分級機的分級性能具有重要的影響[6-8]，許多研究者對轉籠間的流場進行了研究.童聰等研究了轉籠葉片結構對分級區速度場的影響，結果表明改造后的Z形葉片的立磨渦流空氣分級機產量在直葉片轉籠結構的基礎上提高了15 t/h，且0.08 mm顆粒的篩余降低了10%[9].蓋國勝指出：為了延長顆粒在分級區的時間，可以將轉籠葉片的長度適度增加，有利于顆粒充分分級[10].杜妍辰等通過設計一個簡化的單顆粒動力學模型，對顆粒在轉籠葉片間的運動軌跡進行了模擬[11].但未對進口風速和轉籠轉速的匹配進行研究，筆者利用Fluent軟件對不同的風速和轉速的組合下轉子葉片間的流場的分布規律進行研究，得出分級機的進口風速和轉速的合理匹配方案.

1模擬對象與方法

1.1物理模型

模擬選用的渦流空氣分級機的結構參數如表1所示，葉片均勻分布在外圓周上，導風葉片與所在圓周的切線成15°傾角.根據該渦流空氣分級機的具體尺寸建立如圖1(a)所示.

表1　渦流空氣分級機的結構參數

1.2網格模型與邊界條件

將上述的渦流空氣分級機的物理模型導入到ANSYS Meshing中進行網格劃分.由于出口和下錐體不存在分級過程，網格可適當偏大，所以劃分方法選用Automatic,Element size設置為10 mm.導風葉片區和轉籠葉片區是分級的核心區，計算精度要求較高，所以劃分方法選擇Sweep,Element size設置為3mm.這種不同區域采用不同的劃分方法可使計算精度和速度同時得到保證[12-13].分級機流體模型共計劃分網格647和696個，網格的最大畸形值(Skew)為0.72，平均畸形值(Skew)為0.18，由此可以看出網格質量非常理想.網格模型和邊界條件

圖1　渦流空氣分級機模型 Fig.1　Turbo air classifier model

如圖1(b)所示.一、二風口設定為Velocity-inlet，出口設置為Outflow，轉籠葉片壁面設為Moving wall,旋轉方向與轉籠一致，并且滿足右手定則.

1.3求解方法

由于細顆粒的氣流跟隨性較好，顆粒的運動特性可以通過氣流的運動來近似反應，通過對氣流的研究可以進一步探討渦流空氣分級機分級性能，因此筆者主要分析分級區的氣相的運動規律.由于渦流空氣分級機內部為中等強度的湍流流動，所以湍流模型選擇處理高應變率和流線彎曲率較好的RNGk—ε雙方程模型[14].求解方式采用Steady，Pressure based/Implicit，壓力梯度采用Standard，算法采用貼體曲線坐標系中的非交錯網格的SIMPLE.初始化后對其經行迭代計算，直至收斂.

2數值模擬結果分析及實驗

由于分級區的的流場由入口風速和轉籠一起決定，為了討論進口風速和轉速對轉籠分級區流場影響，設置了三組不同的模擬風速，分別為8，12，16 m/s，每組風速下對應四種不同的轉籠轉速，并且對它們進行編號，模擬條件及其代號如表2所示.

表2　模擬條件及其代號

2.1進口風速和轉速對轉籠葉片間流場的影響

轉籠葉片間的區域為第二分離功能區，該區的主要功能有兩個：輸送細粉，對粗粉進行隔離和分離功能[2]，該區流場的穩定性對提高渦流空氣分級機分級效率和分級精度的提高至關重要.圖2為在不同的進口風速和轉速組合下轉籠葉片進行面附近的徑向速度分布曲線圖.

圖2　轉籠葉片進行面附近徑向速度的分布曲線 Fig.2　Distribution curve of radial velocity near progressive surface of rotor cage blade

從圖2可以看出：進口風速為8 m/s和16 m/s時，A1和C1轉籠葉片進行面附近的徑向速度由葉片外側到內側先增大后減小(負號表示速度方向由轉籠外側指向轉籠內側，正號表示速度方向由轉籠內側指向轉籠外側),并且速度指向轉籠外側，即出現氣流倒流.這降低了氣流對合格細粉的輸送能力，增大了粗細顆粒反混的幾率，嚴重影響了分級精度.A4和C4的徑向速度波動太大，使得葉片進行面附近的流場不穩定，會加大顆粒在轉籠區的波動，影響分級精度.A2和C2雖然速度波動較小，但是速度太小，也會降低氣流對細粉的輸送能力.A3和C3的速度波動較小并且大小合適，葉片間的流場趨于穩定，對于減小物料反混，提高分級精度比較有利.

圖3為不同進口風速和轉速配合下的轉籠葉片退行面附近的徑向速度分布曲線圖.從圖3看出：A1和C1的徑向速度波動較大，A4和C4出現倒流，葉片間的流場的穩定性都較差.這都會降低渦流空氣分級機的分級精度.A3和C3，A2和C2的徑向速度波動都較小，對應的流場比較穩定，但根據上文的分析，A2和C2的進行面附近的速度過小，對提高渦流空氣分級機的分級精度不利.綜合考慮，A3和C3的流場對分級精度的提高最有利.

圖3　轉籠葉片退行面附近的徑向速度分布曲線圖 Fig.3　The radial velocity distribution curve of the rotor cage degenerative near the surface figure

根據以上分析得出：當風速為8 m/s和16 m/s時，與之匹配的最佳轉速約為800 r/min和1 500 r/min.對風速為12 m/s的不同轉速的分級區的流場進行模擬發現：與之匹配的最佳轉速約為1 100 r/min.

2.2進口風速和轉速對轉籠葉片間旋渦的影響

轉籠葉片間經常會出現不同大小和不同方向的旋渦，這些旋渦會引起葉片間的流場分布不穩定，導致粗細顆粒的反混，從而降低分級精度.因此必須對葉片間的旋渦進行討論，現主要針對由進口風速和轉速的匹配不同而引起的葉片間的慣性反旋渦和正旋渦進行討論.

慣性反旋渦產生的過程為：當轉籠轉速相對較高時，轉籠葉片帶動氣流隨葉片一起旋轉，由于轉籠速度相對較高，導致氣流的切向速度小于葉片的切向速度，在相鄰葉片間會產生一個與轉籠旋轉方向相反的旋渦.這種現象會造成葉片進行面附近的徑向速度迅速增大，而葉片退行面附近的速度迅速減小甚至反向[15].如圖4中A4和圖5中C4所示，葉片進行附近的徑向速度較高，A4最高約6 m/s,C4最高約8 m/s.而葉片退行面附近的徑向速度產生反向，方向由轉籠內側指向轉籠外側.受到慣性反旋渦現象的影響，葉片間的流場分布極不穩定.

正旋渦產生的過程：當轉籠速度相對較低時，轉籠葉片間的氣流的切向速度大于葉片的切向速度，氣流會與葉片推行面發生撞擊，此時會在相鄰葉片間產生一個與轉籠旋轉方向相同的正旋渦.與慣性反旋渦相反，正旋渦會造成葉片進行面附件氣流的徑向速度減小甚至反向，退行面附近的徑向速度增大.如圖4的A1和圖5的C1所示：葉片退行面附近氣流的徑向速度急劇增大，A1最高約5 m/s,C1最高約8 m/s，而葉片進行面附近的速度產生倒流.正旋渦也嚴重影響了轉籠葉片間流場的穩定性.

圖4，5中A2和C2的流場逐漸趨于穩定，A3和C3的流場最穩定，轉籠葉片間的正旋渦和慣性反旋渦基本消失.說明在A3和C3的工藝條件下，渦流空氣分級機葉片間的流場最穩定，分級精度最高.

圖4　A 1～A 4轉籠葉片間徑向速度分布云圖(風速8 m/s) Fig.4　A 1-A 4 distribution nephogram of radial velocity between cage (wind speed 8 m/s)

圖5　C 1～C 4轉籠葉片間徑向速度分布云圖(風速16 m/s) Fig.5　C 1-C 4 distribution nephogram of radial velocity between cage(wind speed 16 m/s)

由以上分析得出：為了流場的穩定性，減小葉片間的旋渦.必須對分級機的進口風速和轉籠轉速進行匹配，風速和轉速匹配越不合理，轉籠葉片間正旋渦和慣性反旋渦現象越嚴重，顆粒在葉片間的波動程度越大，粗細顆粒反混的幾率也就越大，越不利于分級.反之，分級流場越穩定，渦流空氣分級機的分級精度越高.如風速分別為8，12，16 m/s時，與之匹配的最佳轉速分別為800，1 100，1 500 r/min，反之亦然.

2.3實驗

實驗原料選用水泥生料，進料速度為3 kg/min，分級機選用型號為N-350的O-Sepa選粉機.渦流空氣分級機的進口風速和轉速如表3所示，由LS-POP6(Ⅲ)型激光粒度分析儀測量顆粒粒徑.實驗結果如表3所示,從表3可以看出：在8 m/s和16 m/s的條件下，隨著轉速的增加，分級精度都先增加后減小，當對應轉速分別約為800 r/min和1 500 r/min時，渦流空氣分級機的分級精度最高，分別為0.610和0.682.另外,在風速不變的條件下，切割粒徑隨著轉速的增加而減小.由此可見，在轉速和風速匹配合理的條件下，渦流空氣分級機內部流場穩定，分級精度最高.實驗結果間接驗證了模擬結果的可靠性.

表3　進口風速和轉速對渦流空氣分級機分級精度的影響

3結論

為了流場的穩定性，減小轉籠葉片間的正旋渦和慣性反旋渦現象，必須對風速和轉速進行匹配.合理的進口風速和轉速的匹配使得轉籠葉片間的氣流分布均勻，葉片間的正旋渦和慣性反旋渦減弱或基本消失.有利于渦流空氣分級機分級精度的提高.模擬結果和實驗結果表明：風速分別為8，12，16 m/s時，與之匹配的最佳轉速分別約為800，1 100，1 500 r/min，此時葉片間的徑向速度波動最小，旋渦基本消失，對應的分級精度最高.通過該模擬方法，在進口風速或轉速兩者確定一個參數的條件下，改變另一個參數，可以方便地找到與之匹配的另一個參數.

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