基于Fluent的離心分離腔體內流場模擬仿真

顧宗幸 李浙昆 蔡培良 王勝枝 楊劍鋒 陸菲

摘 要：為研究離心式分離腔體內部氣流流動軌跡以及梗絲顆粒的運動規律，進一步深入研究梗絲分離效果，基于ANSYS建立流體域模型，利用流體仿真軟件Fluent，采用RNG湍流模型模擬腔體內氣流軌跡，拉格朗日離散相模型（DPM）模擬顆粒相運動規律，得到腔體內氣流軌跡、壓力和顆粒相運動軌跡云圖，并在入口處設定不同大小的氣流速度，當入射速度為6m/s時，氣流流動軌跡發生改變，達到8m/s時氣流軌跡比較理想，且顆粒運動軌跡正確。此時梗絲在離心分離腔體內可以得到有效分離，梗中含絲率降低到2.55%左右，煙絲利用率進一步提高。

關鍵詞：離心腔體;顆粒相;數值模擬;入射速度

DOI：10. 11907/rjdk. 191359 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）008-0159-03

Simulation of Flow Field in Centrifugal Separation Chamber Based on Fluent

GU Zong-xing1，LI Zhe-kun1，CAI Pei-liang2，WANG Sheng-zhi2，YANG Jian-feng2，LU Fei1

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2. Qujing Cigarette Factory， HongyunHonghe Tobacco （Group） Co.， Ltd.， Qujing 655001， China）

Abstract：In order to analyze the flow trajectory of the airflow inside the centrifugal separation chamber and the movement law of the stem-splitting particles， the separation effect of the stems was further studied. Based on ANSYS， the fluid domain model was established. Using the fluid simulation software Fluent， the RNG turbulence model was used to simulate the airflow trajectory in the cavity， and the Lagrangian discrete phase model （DPM） was used to simulate the motion law of the particle phase， then the air velocity trajectory ， pressure in cavity and motion trajectory of particle phase were obtained. The airflow velocity of different sizes was set at the entrance. When the incident velocity was 6m/s， the airflow trajectory changed. When the velocity reached 8m/s， the airflow trajectory was ideal and the particle motion trajectory was correct. The stem wire can be effectively separated in the centrifugal separation chamber， and the silk content in the stem was reduced to about 2.55%， which improved the utilization rate of the tobacco.

Key Words：centrifugal cavity;particle phase;numerical simulation;incidence speed

基金項目：云南中煙工業有限責任公司科技項目（2017GY05）

作者簡介：顧宗幸（1993-），男，昆明理工大學機電工程學院碩士研究生，研究方向為數字化設計與制造;李浙昆（1957-），男，博士，昆明理工大學機電工程學院教授、博士生導師，研究方向為機電系統設計及控制技術等。本文通訊作者：李浙昆。

0 引言

目前，大多數煙草企業采用真空浮選的方式對成品煙絲中多余梗簽進行分離[1-3]，將風送進入梗簽分離裝置進行分離后，還會有一大部分結團煙絲被分離進梗簽收集箱內[4-5]，為了使其在梗簽中分離、提高煙絲利用率，許多煙草企業對此進行了研究。劉程[6]在PROTOS70的基礎上設計一套新型梗絲分選裝置，該裝置加長梗絲提升通道，使梗絲一邊上升一邊左右擺動，使塊狀梗絲松散，調節風選氣壓使梗絲分離;廖艷培[7]針對YJ17卷煙機設計一套梗絲分離3次風選裝置，利用梗絲懸浮速度差異通過調壓裝置、吹風裝置使梗絲分離;劉瀾波[8]設計了一套煙梗打散型漂浮室裝置，將其安裝在“之”字形漂浮室垂直方向上，使煙絲與煙梗徹底分離，提高梗絲二次分離效果;張皓天[9]通過模擬仿真方形和圓形懸浮腔，得到的方形懸浮腔分離效果較好;蔡培良[10]對梗簽二次分離裝置工作原理、主要結構參數以及梗絲受力進行了分析研究，但并未對整個離心分離腔體內的氣流以及梗絲顆粒運動軌跡進行模擬仿真。本文通過Fluent軟件對離心分離腔體內的氣流及顆粒相運行軌跡進行模擬仿真，同時研究不同入射速度下腔體內速度變化，找出最優入射速度，進一步探討梗絲經過離心分離腔體后梗中含絲率。

1 離心腔體數值仿真

1.1 幾何建模與網格劃分

離心分離腔體利用離心分離的原理[11]，在正壓吹風的作用下，梗絲混合物進入腔體內，由于腔體結構的改變使氣流發生改變，進而使重量較輕（小于氣流的升力）的煙絲、重量較重（大于氣流升力）的梗簽達到分離。其結構模型如圖1所示。

Fluent主要用于流場內的數值模擬[12]，流體域模型建好后利用Workbench中的Mesh模塊對已經建好的流域進行前處理工作，首先選擇右側底部圓形面作為入口，標為inlet，然后選擇左側上部矩形平面為出口1，標為outlet1，左側底部圓形平面為出口2，標為 outlet2，其余面定義為壁面，標記為wall，如圖2所示;然后將物理場選項設置為CFD，求解器設置選項為FLUENT，Relevance Center選項設置為fine，Smoothing設置為high，即將其劃分為分布較密、質量較高的網格[13-14]。點擊 Generate Mesh 按鈕可生成相應網格。

圖1 離心分離腔體? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 進出口及壁面定義

1.2 計算模型構建

氣相與顆粒相分離過程屬于兩相流，在腔體內部發生。固體顆粒主要在內部氣流場的作用下運動，在分析顆粒相分離前對離心分離裝置內的氣流場研究很重要，有助于進一步研究離心分離裝置性能。

離心腔內部流體遵循質量守恒和動量守恒規律。本模型數值仿真中，利用拉格朗日方程計算固相顆粒運動軌跡，研究對象采用RNG k-ε湍流模型，該模型與標準k-ε湍流相似，但RNG k-ε湍流模型應用范圍廣、結果可靠[15]。這是因為RNG k-ε方程中出現了新函數項，得到的湍動能和耗散率方程為[16-19]：

[？（pk）？τ+？（pkui）？xi=？？xiakueff+？k？xj+Gk+pε？（pk）？τ+]

[？（pkui）？xi=？？xjazueff+？k？xj+？igεkGk-？2gpg2k] （1）

式（1）中，[ak]、[az]、[？2g]、[η]和[β]為經驗常數，均采用Fluent默認數值。

采用DPM模型跟蹤固相顆粒運動，固相顆粒作用力平衡方程在笛卡爾坐標系下的形式為：

[dupdt=FD（μ-μP）+gx（pp-p）px+Fx]? ? （2）

式（2）中，[FD（μ-μP）]為顆粒單位質量曳力，[μ]為液相速度，[up]為顆粒速度，[μP]為流體動力黏度，[p]為流體密度，[pp]為顆粒密度，[gx]為顆粒受到的其它加速度，[Fx]為其它作用力。

1.3 材料物性、邊界條件與初始條件

（1）離心分離腔體的選材為1Cr18Ni9Ti，而Fluent默認固體材料為鋁，修改其相應屬性。離心分離腔仿真中，在腔體入口通入氣體;固體顆粒材料設置為wood，直徑取0.335～3.815mm。

（2）固體顆粒在氣體推動作用下進入離心腔體內，由于結構原因實現分離。因此設定氣體及固體顆粒速度相同，分別取5～8m/s之間速度進行模擬仿真。

（3）當模擬梗簽顆粒軌跡時，選擇面射流源將固體顆粒從進口面均勻射入腔體內，同時將集梗斗底面設為捕集面（trap），而集絲斗底面設為反射面（reflect）;當模擬煙絲顆粒軌跡時，將集梗斗底面設為反射面（reflect），而集絲斗底面設為捕集面（trap），出口永遠為逃逸面（escape）。

（4）求解，選用穩態求解：利用二階迎風格式離散的方法計算連續性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗方程，殘差均下降至1×10-4;采用欠松弛迭代方法避免非線性問題的發散[20-21]。

2 仿真結果及分析

2.1 腔體內速度分析

為了獲得最佳工作風速使梗絲得到有效分離，利用數值模擬的方法可以直接觀察到整個離心腔體內氣相流場的速度分布規律。取不同大小的速度，得到腔體內氣流軌跡及速度變化，如圖3所示。

從圖3中可以看出，進口風速在5m/s時氣流軌跡主要流向左下通道，在左上通道流出比較稀疏，這樣當梗絲進入腔體后，大部分梗絲會從左下通道流出，無法實現梗絲進一步分離。當進口速度進一步增大到6m/s時，氣流軌跡發生變化，主要從左上通道流出，左下通道氣流變得稀疏。進一步增大進口速度至6.5、7.0、7.5、8.0m/s時，發現氣流也主要從左上通道流出，左下通道很少，相互比較發現當進口速度為8m/s時氣流軌跡較好，在分離口處不會有漩渦出現，且在分口處速度也降低到4.1m/s左右，這是通道截面積增大引起的，如此會使煙絲與梗簽受力發生變化，煙絲不能克服離心力，繼續在氣流作用下從左上通道流出，而梗簽本身比煙絲沉，由于重力大于離心力便會下落，從左下通道流出，從而實現梗簽與煙絲分離。

（a）5.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）5.5m/s

（c）6.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （d）6.5m/s

（e）7.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （f）8.0m/s

圖3 不同進口速度下腔體內速度軌跡

2.2 腔體內壓力分析

經過后處理得到整個離心分離腔內及z=0.05m時的壓力云圖，在腔體右半部分壓力逐漸減小，左半部分壓力基本保持不變，如圖4所示。

圖4 離心分離腔體內壓力云圖

2.3 腔體內顆粒軌跡

梗絲顆粒運動軌跡跟蹤是進行梗絲分離裝置性能研究的重要環節。由于該分離裝置結構設計相對簡單，顆粒在分離裝置內的運動情況不是很復雜，考慮除受到氣流曳力外，還受到顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的碰撞。本文主要跟蹤顆粒粒徑在0.335～3.815mm梗簽顆粒與煙絲顆粒的軌跡，在入口處釋放一定數量的顆粒，找到顆粒運動規律，如圖5-6所示。

圖5 煙絲顆粒軌跡? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6 梗簽顆粒軌跡

由圖5、圖6可以看出，煙絲及梗簽顆粒受湍流氣流影響，其隨機性較大，相互之間與壁面之間均會發生碰撞，但煙絲及梗簽顆粒的相對運動正確，在圖5中可以看出大部分煙絲在氣流作用下直接沿外壁面流出，只有極少量流入左下通道。而在圖6中梗簽在到達分口處時，由于氣流速度變小以及自身重密度大，會有向下運動趨勢，梗簽從左下通道流出，不過也有一些細碎的梗簽從左上通道流出，但數量極少，這是不可避免的。

為了研究分離效率，通過多次模擬在入口處加入不同數量的煙絲及梗簽顆粒，得到梗簽顆粒平均捕集效97.83%，煙絲顆粒捕集效率為76.14%。若按照原始梗中含絲率為20.27%[～]22.56%計算最后收集到的梗中含絲率，設梗絲混合物的數量為[γ]個，則按照公式（3）可計算出經過離心分離腔體后梗中含絲率：

[γ（1-97.83%）（20.27%～22.56%）γ1-97.83%77.44%～79.73%+γ76.14%（20.27%～22.56%）][=（2.51%～2.59%）] （3）

從而利用該分離裝置使煙絲及梗簽得到進一步分離，梗中含絲率由原先的20.27%[～]22.56%降低到2.51%～2.59%，可極大提高經濟效益。

4 結語

本文采用離散相模型對離心分離腔體內的流場及顆粒軌跡進行仿真分析，進口通入的風速大小不同，當進口風速在5.0～6.0m/s時氣流軌跡主要流向左下通道，而達到6.5m/s時氣流軌跡發生改變，主要流向左上通道，當進口氣流速度為8m/s時達到最佳。同時在入口處入射一定量的煙絲和梗簽顆粒，大部分煙絲會從左上通道流出，多數梗簽會直接落入左下通道流出，煙絲及梗簽通過該分離裝置后可得到有效分離，梗中含絲率大幅降低。通過該數值模擬分析可為后續梗絲分離裝置研究與開發提供支持。

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（責任編輯：江 艷）