基于CFD的建筑陶瓷干法制粉造粒室傾斜率的分析

陳 濤，劉玉濤，花擁斌，寧 翔，徐佳杰，廖達海

（景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403）

基于CFD的建筑陶瓷干法制粉造粒室傾斜率的分析

陳 濤，劉玉濤，花擁斌，寧 翔，徐佳杰，廖達海

（景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403）

針對造粒室傾斜率對干法制粉造粒效果的影響。基于歐拉-歐拉雙流體模型建立干法造粒數學模型，簡化干法造粒裝置建立物理模型，模擬不同造粒室傾斜率對造粒室內坯料顆粒的分布情況，優化造粒室傾斜率，結合實驗分析坯料顆粒的流動性指數驗證數值仿真的正確性。數值分析表明：當造粒室傾斜角分別為5°、15°、25°、35°、45°時，坯料顆粒在造粒室內的體積分布依次為1/3、2/5、1/2、1/2、1/2，造粒室內坯料顆粒的最大堆積度依次為0.6、0.45、0.42、0.42、0.6，且造粒室傾斜角為25°時坯料顆粒在造粒室內分布均勻性最好。實驗分析表明：當造粒室傾斜角分別為5°、15°、25°、35°、45°時，坯料顆粒的流動性指數分別為61.11、78.45、93.06、88.23、72.11，造粒室傾斜角為25°時坯料顆粒的流動性最佳。綜上分析可知：造粒室最佳傾斜角為25°，此時造粒室內坯料顆粒的體積分布最大，堆積密度最小，分布均勻性最好，且坯料顆粒的流動性最佳。

干法制粉；歐拉-歐拉雙流體模型；傾斜率；體積分布

0 引 言

隨著國家節能環保戰略措施的進一步深入，高能耗、高污染的建筑陶瓷產業面臨著巨大的沖擊，如何改善建筑陶瓷行業的生產工藝是本行業得以持續發展的首要突破口[1]。當前，建筑陶瓷行業制粉工藝主要還是沿用“球磨-噴霧”濕法制粉技術，該技術最大的缺陷是高能耗、高污染，同時浪費大量的水資源[2,3]；因此，相對的干法制粉技術在很大程度上可以解決陶瓷行業原料制備車間的高能耗、高污染問題，其節能35%以上、節水35%以上、制粉成本降低15%，且粉塵等污染可以得以控制[4,5]。但是，干法制粉技術制備的建筑陶瓷坯料顆粒存在顆粒級配不均勻、顆粒壓縮度小、顆粒流動性差等缺陷，嚴重阻礙了干法制粉技術在建筑陶瓷行業的全面推廣[6,7]。

鑒于干法制粉技術制備的坯料顆粒存在的缺陷，筆者結合自身研制的干法制粉試驗樣機，探究造粒室傾斜率對造粒效果的影響。基于歐拉雙流體模型[8-10]建立建筑陶瓷干法制粉數學模型，簡化干法制粉試驗樣機建立干法制粉物理模型，通過計算流體力學軟件模擬仿真不同造粒室傾斜率對造粒效果的影響，改善造粒效果，為干法制粉技術在建筑陶瓷行業進一步推廣提供理論指導。

1 模擬區域簡化

建筑陶瓷干法制粉造粒工藝在造粒室內完成，故選取整個造粒室為模擬區域，造粒室內的細粉體為模擬對象，模擬造粒過程混料階段陶瓷粉體的分布情況。干法制粉工作原理：將立式磨機研磨的硬質原料、軟質原料經精密配稱儀稱量后加入造粒室，造粒主軸以1400 r/min高速旋轉，造粒室以80 r/min低速相反方向旋轉，且在造粒過程中造粒室傾斜30 °放置，陶瓷細粉體在鉸刀、圓柱棒體的高速旋轉下實現充分混合、造粒效果。具體干法制粉模擬區域示意圖如圖1所示。

圖1 干法制粉模擬區域Fig.1 Simulation of dry granulation room

2 模型建立及網格劃分

由于鉸刀、圓柱棒體結構相對復雜，數量較多，對此采用SolidWorks三維軟件繪制三維模型，再通過GAMBIT軟件和攪拌專用前處理軟件Mixsim中完善模型、劃分網格及設定初步的邊界條件，從而最終通過Fluent軟件設定相關參數進行模型求解，選取整個造粒室區域作為計算域。

⑴ 物理模型及邊界條件

由干法制粉模擬區域可知，陶瓷粉體混合、造粒主要是通過鉸刀、圓柱棒體實現，故將整個造粒室劃分為兩個區域，鉸刀、圓柱棒體臨近區域為動域，剩余造粒區域劃分為靜域；動域和靜域的對接面設定為交界面，其它壁面設定為墻體。具體干法制粉物理模型及邊界設定如圖2所示。

⑵ 網格劃分

由于主軸旋轉速度相對較大，故屬于非定常流問題，采用滑移網格模型，將整個造粒室區域劃分為兩個旋轉參考坐標系，動域選用相對坐標系，以四面體網格為主的非結構網格劃分；靜域選用絕對坐標系，以六面體為主的非結構網格劃分。動域的網格數為21439個，靜域的網格數為139912個，總網格數為161351個，其中動域的網格模型、靜域的網格模型分別如圖3(a)、(b)所示。

圖2 干法制粉物理模型圖Fig.2 Physical model of dry granulation

圖3 網格劃分模型圖Fig.3 Model diagram of grid division

3 參數設定

⑴ 模型設定

求解器選擇基于壓力(Pressure Based)求解，時間選擇非穩態(Unsteady)，梯度選擇選取基于格林-高斯節點法(Green-Gauss Node Based)，多相流模型選擇歐拉-歐拉模型中的Eulerian模型，湍流模型選擇RNG 模型，近壁面處理選擇標準壁面公式，多相流模型選擇離散型(Dispersed)。

⑵ 材料定義

干法制粉過程混料階段造粒室內只有空氣相、粉體顆粒相，而空氣相所占體積百分比較大。因此，將空氣相設定為首相，粉體顆粒相設定為第二相，粉體顆粒相設定為顆粒相，具體模擬對象材料定義如表1所示：

⑶ 求解控制器的設定

松弛因子設置如表2所示。

4 仿真結果

筆者針對干法制粉試樣樣機造粒過程造粒室傾斜率對造粒效果的影響，分別模擬了造粒室傾斜角為5 °、15 °、25 °、35 °、45 °時，造粒室內粉體顆粒的分布情況，從而確定造粒室的最佳傾斜角度。

⑴ 造粒室剖視云圖分析

從數值模擬結果造粒室剖視云圖分析可知：當造粒室傾斜角α1=5 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/3，且粉體顆粒在造粒室內分布均勻性很差，部分粉體顆粒集中在造粒室底端，團聚現象明顯，最大堆積度為0.6；當造粒室傾斜角α2=15 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為2/5，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性較差，部分粉體顆粒集中在造粒室底端，團聚現象較少，最大堆積度為0.45；當造粒室傾斜角α2=25 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性較好，少量粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象不明顯，最大堆積度為0.42；當造粒室傾斜角α2=35 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性稍有變差，少量粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象不明顯，最大堆積度為0.42；當造粒室傾斜角α2=45 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性很差，部分粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象明顯，最大堆積度為0.6。

⑵ 造粒室壁面云圖分析

從數值模擬結果造粒室壁面云圖分析可知：當造粒室傾斜角α1=5 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/3，且粉體顆粒在造粒室內分布均勻性呈階梯狀分布，部分粉體顆粒集中在造粒室底端，團聚現象明顯，最大堆積度為0.6；當造粒室傾斜角α2=15 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為2/5，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性有所改善，部分粉體顆粒集中在造粒室底端，團聚現象較少，最大堆積度為0.45；當造粒室傾斜角α2=25 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性較好，少量粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象不明顯，最大堆積度為0.42；當造粒室傾斜角α2=35 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性稍有變差，少量粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象不明顯，最大堆積度為0.42；當造粒室傾斜角α2=45 °，粉體顆粒在造粒室內的體積分布約為1/2，粉體顆粒在造粒室內分布均勻性很差，部分粉體顆粒集中在造粒室壁面與底端交界處，團聚現象明顯，最大堆積度為0.6。

表1 模擬對象材料定義Tab.1 Material definition of simulation object

表2 松弛因子設置Tab.2 Relaxation factor settings

圖4 造粒室剖視云圖Fig.4 Sectional cloud picture of granulation room

圖5 造粒室壁面云圖Fig.5 Wall cloud picture of granulation room

5 實驗結果

搭建試驗平臺，使用YTN-1001型粉體綜合特性測試儀分別測量坯料顆粒的休止角、壓縮率、均勻率、平板角，分析坯料顆粒的流動性，從而確定最佳造粒室傾斜角，間接驗證仿真結果的正確性。由表6不同傾斜角坯料顆粒流動性指數可知：當造粒室傾斜角為5 °時，坯料顆粒的休止角為59.52 °、壓縮率為21.47%、均勻率為19.77、平板角54.68 °，坯料顆粒的流動性評價指數為61.11；當造粒室傾斜角為15 °時，坯料顆粒的休止角為38.24 °、壓縮率為15.67%、均勻率為11.21、平板角36.33 °，坯料顆粒的流動性評價指數為78.47；當造粒室傾斜角為25 °時，坯料顆粒的休止角為26.58 °、壓縮率為8.21%、均勻率為5.93、平板角27.16 °，坯料顆粒的流動性評價指數為93.06；當造粒室傾斜角為35 °時，坯料顆粒的休止角為29.36 °、壓縮率為10.78%、均勻率為7.12、平板角30.11 °，坯料顆粒的流動性評價指數為88.23；當造粒室傾斜角為45 °時，坯料顆粒的休止角為40.21 °、壓縮率為17.32%、均勻率為16.98、平板角41.11 °，坯料顆粒的流動性評價指數為72.11。其中當造粒室傾斜角為25 °，坯料顆粒的流動性評價指數為93.06，流動性指數最佳，表明造粒室傾斜角為25 °時造粒室效果最好，與仿真結果基本吻合，說明了數值仿真模型的正確性。

圖6 不同傾斜角坯料顆粒流動性指數Fig.6 Liquidity indexes of ceramic body particles granulated at different tilting angle

6 結 論

⑴采用歐拉-歐拉雙流體模型建立了干法制粉數學模型，同時簡化干法制粉試驗裝置建立了物理模型，模擬不同造粒室傾斜率的制粉過程粉體顆粒的分布情況，并對不同造粒室傾斜率造粒室內坯料顆粒體積分布大小進行對比分析，為建筑陶瓷干法造粒制粉技術提供了新的研究方法。

⑵數值模擬與實驗分析綜合分析可知：干法造粒試驗機造粒室的最佳傾斜角為25 °，此時造粒過程坯料顆粒的體積分布最大，堆積密度最小，分布均勻性最優，且坯料顆粒的流動性最佳，造粒效果最好。

[1] 黃建平. 建筑陶瓷行業發展現狀與節能減排技術探討[J]. 廣東建材, 2015, (8): 44-46.

HUANG J P. Guangdong Building Materials, 2015 (8): 44-46.

[2] 王續寧, 薛群虎, 田曉利, 等. 陶瓷墻地磚濕法球磨漿料基本性能研究[J]. 硅酸鹽通報, 2013, (1): 94-99.

WANG X N, XUE Q H, TIAN X L, et al. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2013 (1): 94-99.

[3] 肖志鋒, 樂建波, 吳南星. 陶瓷料漿噴霧干燥三維DPM數值模擬[J]. 人工晶體學報, 2015, (6): 1690-1696.

XIAO Z F, LE J B, WU N X. Journal of Synthetic Crystals, 2015, (6): 1690-1696.

[4] 李鳳嬌. 干法制粉在陶瓷外墻磚生產中的應用探討[D]. 華南理工大學, 2015.

[5] KHASANOV O L, DVILIS E S, SOKOLOV V M, et al. Ceramic powder dry compaction under powerful ultrasound action [J]. Key Engineering Materials, 2004, 264-268: 73-76.

[6] STEGK T A, JANSSEN R, SCHNEIDER G A. Highthroughput synthesis and characterization of bulk ceramics from dry powders [J]. Journal of Combinatorial Chemistry, 2008, 10(2): 274-9.

[7] 吳南星, 廖達海, 占甜甜. 陶瓷干法制粉機攪拌軸偏心距對顆粒分散性的影響[J]. 硅酸鹽通報, 2014, (12): 3300-3303.

WU N X, LIAO D H, ZHAN T T. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2014(12): 3300-3303.

[8] WU N X, ZHAN T T, LIAO D H. The effect of dry granulating machine spindle eccentricity on the granulation [J]. Advanced Materials Research, 2015, 1094: 374-378.

[9] LOHA C, CHATTOPADHYAY H, CHATTERJEE P K. Effect of coefficient of restitution in Euler-Euler CFD simulation of fluidized-bed hydrodynamics [J]. Particuology, 2014, 15(4): 170-177.

[10] YOON S, JAMESON A. Lower-upper symmetric-Gauss-Seidel method for the Euler and Navier-Stokes equations [J]. AIAA Journal, 2015, 26(9): 1025.

Inclination Rate Analysis of the Dry Granulating Chamber for Building Ceramics Based on CFD

CHEN Tao, LIU Yutao, HUA Yongbin, NING Xiang, XU Jiajie, LIAO Dahai
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In order to study the effect of the tilting rate of the granulation chamber on the granulation of the dry powder of building ceramics, a mathematical model for dry granulating was established based on Eulerian-Eulerian two-fluid model. It simulated the volume distribution of powder particles for different inclination rates of the granulation chamber. At the same time, the correctness of the simulation model was verified by the experimental analysis of the flow index of body particles. The simulation results showed, when the tilting rate of the granulation chamber was 5°, 15°, 25°, 35°, and 45°, the volume distribution of powder particles in granulation chamber was approximately 1/3, 2/5, 1/2, 1/2, and 1/2, and the maximum accumulation of powder particles in granulation chamber was approximately 0.6, 0.45, 0.42, 0.42, and 0.6; when the tilting rate of the granulation chamber was 25°, the distribution of the powder particles in the granulation chamber was the best. The experimental analysis showed, when the tilting rate of the granulation chamber was 5°, 15°, 25°, 35°, and 45°, the liquidity index of the ceramic body was respectively 61.11, 78.45, 93.06, 88.23, and 72.11. The results show that with the optimum tilt angle of the granulation chamber at 25°, the volume distribution of the powder particles was the largest, the bulk density was the smallest, the distribution uniformity was the best, and the fluidity of the ceramic body was the best.

dry granulating; Eulerian-Eulerian two-fluid model; inclination rate; volume distribution

TQ174.5

A

1000-2278(2016)06-0724-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.026

2016-04-17。

2016-06-08。

國家自然科學基金(51365018)；江西省高等學校科技落地計劃(KJLD14074)；江西省科技支撐計劃(20151BBE50041)。

陳濤(1977-)，女，碩士，副教授。

Received date: 2016-04-17. Revised date: 2016-06-08.

Correspondent author:CHEN Tao(1977-), Master, Associate professor.

E-mail:56713276@qq.com