入風口配置對SLK渦流選粉機預處理系統影響的數值模擬

2020-07-15 04:42:00趙云良李少鵬張子佳牟秀娟郭茂盛宋少先

硅酸鹽通報 2020年6期

溫通，趙云良，李少鵬，張子佳，牟秀娟，郭茂盛，宋少先

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070；2.中國科學院過程工程研究所，北京 100084)

0 引言

隨著科學技術研究的不斷發展，分級技術在建材、化工、食品等各個領域都得到了廣泛的應用，而喂料按粒度的分級效果是十分重要的[1-2]。在水泥、礦渣等處理加工工藝中，選粉機通過干法風選實現物料的分級分離，已經成為各工藝流程中關鍵的設備之一。

目前，選粉機設備已經經歷了三代的發展，渦輪選粉機作為最新的一代設備可實現高精度地分選作業[3]。其中SLK型選粉機受到了廣泛的關注，并根據不同情況進行了多種改進[4]。異形導風葉片、異形轉子葉片[5]以及懸浮式氣流散料裝置[6]等均取得了良好地優化效果，并且已經得到了實際的應用。選粉機工作過程中，物料在散料錐處堆積為物料錐并形成料簾，同時在送料筒底端入風的作用下均勻分散并進入選粉室進行粒度分級[7]。作為分級的主要區域，分級室的轉籠部件一直是研究的熱點[8]。然而，預處理系統在分級過程中也起到重要作用。優良的分散效果和穩定的喂料參數給分級室的穩定分級提供重要保障[9]。因此，聚焦預處理系統也是提高選粉機分級效率的重要研究思路。為了提供穩定分選的喂料參數，性能優異的預處理系統應該具有穩定且分布均勻的流場特性。入風口已被證實是一種改善湍流分布、優化流場特性的有效方法[10]。因此，通過總結入風口配置對流場特性的影響規律，可以實現選粉機分級精度的提升。

本文以SLK選粉機為研究對象，通過入風口配置的數值模擬及顆粒受力的理論分析，提出選粉機的改進方案。在理論分析的基礎上，通過關鍵部位的數據監測評價改進方案的優勢。

1 數值模擬

1.1 模型構建與網格劃分

參考SLK型選粉機實際尺寸參數構建了預處理系統的模型，模型參數如表1所示。為了使模型更具有代表性，在散料錐處添加了上錐形以代表物料錐的形成。模型的構建通過Solidworks軟件完成，并通過ANSYSICEM-CFD進行網格劃分。采用非結構性網格對計算區域劃分，同時在散料錐處進行網格加密以保證計算精度。四種模型劃分的網格總數均在10～17萬之間，且網格質量均超過0.36。模型及網格如圖1所示。

表1 模型參數Table 1 Model parameters

圖1 模型及網格劃分
Fig.1 Model and meshing

1.2 邊界條件

假設入口處流體已充分穩定，因此定義計算區域的入口為速度入口，同時，出口處定義為自由流出。根據公式:流速(v)=流量(Q)/截面積(S)，將入風量換算為風速，具體參數見表2。使用標準的k-ε模型進行計算。離散方式選用Simple算法作為壓力-速度耦合方程的算法，壓力梯度設置為“Presto!”，動量、湍流耗散等其它選項設置為“Quick”。殘差值設置為10-3，初始化后計算至收斂平衡。

表2 入風口設置Table 2 Air inlet settings

圖2 單口入風(a,b)、對口入風(c,d)和四口入風(e,f)配置下送料筒流場速度大小的切片云圖 (a,c,e:入風量20 m3/s；b,d,f:入風量40 m3/s)
Fig.2 Slice cloud diagram of the flow velocity in the feed cylinder with single inlet (a, b), opposite inlet (c, d) and four inlet (e, f) (a, c, e: air inflow 20 m3/s; b, d, f: air inflow 40 m3/s)

2 結果與討論

2.1 入風口配置對預處理系統的影響

圖2展示了不同入風量條件下單口入風、對口入風和四口入風配置對送料筒內流場分布的影響。切片云圖和流體流線直觀地反映了流場流速的大小和流體的運動情況，并且從展示的結果來看，入風量的差異沒有明顯地改變流場分布的規律。因此為了方便討論，在之后的分析中以Q=20 m3/s得出的數據為例進行參照及比對。從圖2(a)和(b)可知，單口入風配置下，氣流會發生嚴重地偏移，急劇地匯集在入風口對側。匯集的氣流造成強的擠壓作用，產生了高達30 m/s的流體流速。然而，在入風口一側流體流速僅為9 m/s，與對側共同組成極為不均的流速分布。此外，嚴重的偏移行為還導致差異性的氣壓分布，迫使流體形成旋風狀的運動軌跡。因此，氣流在送料筒內流向混亂，從而以雙螺旋形態上升直至預處理系統出口。相比于單口入風，對口入風緩解了由于氣流偏移而導致的流場混亂。從圖2(c)和(d)可以看出，氣流從入風口流入后會在軸線處產生強的擠壓和剪切的對沖行為，這使得氣體匯集在送料筒軸線處。這改善了由于偏移現象而為流場分布帶來的負面影響，但氣流的對沖行為會使氣流向側面高速溢出，在如圖2(c)中虛線框所示的入風口上方，產生了相當長的一段速度分布不均勻的流體區域。Z=0.2 m切面中的Y=0 m線上的流速均勻地分布在17 m/s左右，而X=0 m線上高流速集中在靠近軸線的區域，這不可避免地導致了較為明顯的擾動。但在經歷擾動后，氣流能夠重新整流從出口流出。四口入風配置相當于垂直放置了兩組對口入風，而根據圖2(e)和(f)的模擬結果來看，這一配置優化了對口入風方案。氣流從多個入口流入明顯地減少了由于對沖而導致的氣流溢出現象。在X=0 m和Y=0 m平面上能夠觀察到流速分布相似的流場，即流體越靠近軸線流速越快。雖然四口入風已經極大地壓縮了氣體可溢出的區域，但是仍然不可避免會在入風口的間隔產生缺漏，因而不能完全消除溢流現象導致的氣流擾動。但是，總的來說，無論是從氣流偏移，還是從氣體對沖溢出的角度出發，配置更多面的入風口似乎是一種十分有效的優化送料筒內氣流的策略。

圖3 單口入風(a,b)、對口入風(c,d)和四口入風(e,f)送風筒湍流動能大小的切片云圖 (a,c,e:入風量20 m3/s；b,d,f:入風量40 m3/s)
Fig.3 The slice cloud diagram of the turbulent kinetic energy in the feed cylinder with single inlet (a, b), opposite inlet (c, d) and four inlet (e, f) (a, c, e: air inflow 20 m3/s; b, d, f: air inflow 40 m3/s)

湍流動能反映了湍流強度，它決定了流動維持湍流或發展成為湍流的能力，是流體穩定性的標志。同時，由于湍流是能量耗散的一種途徑，因此湍流動能也能夠在一定程度上反應能量耗散的情況。圖3(a)和(b)展示的是單口入風配置下湍流動能的切片云圖。在入風口對側以及入風口兩側能夠觀察到高的湍流動能數值，而這與流速切片云圖分析的結論相吻合。由于氣流偏移而導致流場混亂，流體在入風口兩側及對側便會產生強烈的擾動，因而在這些區域產生了強湍流。圖3(c)和(d)所表示的對口入風配置結果也與之前的結論相同，氣流對沖、剪切和溢出區域會產生高的湍流動能。然而與單口入風相比，對口入風將最大湍流動能的數值降低了大約2/3，同時高湍流動能區域也得到了有效地降低。令人欣喜的是，四口入風進一步優化了對口入風流場的湍流情況。如圖3(e)和(f)，云圖中湍流動能數值基本維持在30 m2/s2以下，并且湍流區域僅出現在不可避免的近壁面處。當然，仍然會存在其他切面出現更高強的湍流區域，但是這無法掩蓋四口入風在這三種如風配置中的優勢，并且這一優勢在20 m3/s和40 m3/s的入風量條件下都可以觀察到。結合流場流速分布的結果可以得出結論，即配置多面的入風口能夠在送料筒的流場內產生更加優異的流場特性。

2.2 顆粒受力分析

圖4 顆粒在送料筒的受力分析示意圖Fig.4 Schematic diagram about the force analysis of the particles in the feeding cylinder

顆粒在送料筒中的受力示意圖如圖4所示。軸向方向上顆粒受到向上的流體有效拖拽力(Fd)和自身浮力(Fb)，受到向下的重力(Fg)。此外，由于氣流在送料筒內產生擾動等情況而改變其流向，因此顆粒還會受到流體拽力的分力，流體擾動拽力(Fdi)。各物理量的表達方式如下[11]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，m為固體顆粒質量；ρs和ρg分別為固體顆粒和氣體的密度；V為固體顆粒體積；d為顆粒直徑；g為重力加速度；vg，vs，vgi分別為流體軸向上的有效分解速度，固體顆粒速度和分解的流體擾動速度；A為等效體積顆粒的迎風面積；CD為代表拽力系數，與顆粒雷諾數(Rep)有關。CD可以通過下式計算得出：

(5)

FT=Fd+Fb-Fg

(6)

(7)

由式(7)可知，顆粒軸向受力受到氣流有效速度和顆粒粒徑的影響。因此在給料穩定的前提下，流場對顆粒運輸起到決定性作用，這也與趙冬梅和童聰的研究結論相同[11]。

2.3 環面入風配置

有利于顆粒穩定運輸的流場特性是指流體具有大小均勻分布的流速、足夠的有效速度、統一的流向以及低的湍流發生率。而研究表明，徑向入口是影響分級機流場穩定性的主要因素[12-13]。SLK選粉機的入風配置呈徑向分布，因而優化入風口配置可以實現對分級機流場的調控。同時，根據不同入風口配置對流場影響的規律可知，入風口面積越大流場性質越優異。Safikhani等[14]的研究也指出更多數量的切向入風口對分級機分選效率的有明顯的提升作用。因此提出環面入風的配置形式，它被期待能夠在增強四口入風優勢的同時，削弱其潛在的氣流擾動行為。

圖5為環形入風配置的模擬結果，切片云圖直觀地展示了這一配置的優點。氣流從入風口進入后首先對沖剪切，由于在水平面內幾乎不存在可溢出區域，因而難以觀察到氣流的擾動行為。同時，在對沖區域沒有觀察到高數值的湍流動能，說明環形入口配置有效地抑制了湍流的形成及發展。以Q=20 m3/s條件為例，經歷對沖區域后，氣流以大約9 m/s的速度流向預處理系統出口，這一數值略高于前面提到的三種入口配置。在水平面上，氣流速度遵循從軸線處向筒壁逐漸降低的規律分布，但高流速區域較四口入風有更大的面積且湍流動能更低。這樣的流場特性給予了喂料顆粒以均勻恒定的受力，因而在進入分選室之前保持更為穩定的顆粒運輸，為高精度分選提供基礎。

圖5 環形入風在入風量為20 m3/s(a,b)和40 m3/s(c,d)的速度及湍流動能大小的切片云圖
Fig.5 Slice cloud diagram of the velocity and the turbulent flow energy at the air inflow of 20 m3/s (a, b) and 40 m3/s (c, d) with annular inlet

由于物料初始位置位于散料錐處(Z=0.55 m水平面處)，因而流體流速及湍流動能在該水平面的連續變化規律顯得更為關鍵。圖6和圖7分別就流速和湍流動能在不同直線上的連續變化進行了數據比較。以Q=20 m3/s條件為例，流體在靠近散料錐(|X|或|Y|<0.05 m)和壁面(|X|或|Y|=0.12 m)處有急劇的流速降低現象，這是由于粘性作用而導致的。此外，在單口入風條件下，散料錐附近(以|X|或|Y|=0.07 m為標準)流速僅能達到5.7 m/s左右，而對口、四口以及環形入風能夠將其分別提升至7.3 m/s、9.8 m/s和10.2 m/s左右。這一規律在近壁面處正好相反，單口入風條件流速最高，其次是對口入風、四口入風，最后是環形入風。預處理系統的主要作用是分散并穩定輸送物料，近散料錐處氣流流速越高送料筒性能越優異。同時，在靠近壁面處有相對較低的流速也是降低能耗的一個方面。此外，四口入風和環形入風都能夠在散料錐水平面上產生對散料有利的流速分布，然而，環形入風在散料料簾處形成更大的高流速區域。相對較大的流速區域是保證物料能夠充分分散和輸送的關鍵，因此環形入風配置具有很大的優勢。

而對于圖7展示的湍流動能的分布，可以得出結論,入風口數量越多，湍流動能數值越低。低的湍流動能帶來的優勢就是得到更加穩定的流場，以及降低由于擾動而帶來的不必要能量耗散。穩定的流場提供穩定的物料輸送，而能量耗散的降低則為送料筒內整體流速的提升提供積極影響。因此，環形入風配置是一個比較成功的改造方案，具有實際應用潛力。

圖6 入風量分別為20 m3/s和40 m3/s時散料錐處(Z=0.55 m)Y=0 m(a,c)和X=0 m(b,d)直線上的速度大小分布
Fig.6 Velocity distribution onY=0 m (a, c) andX=0 m (b, d) near the bulk cone (Z=0.55 m) respectively at the air inflow of 20 m3/s and 40 m3/s

圖7 入風量分別為20 m3/s和40 m3/s時散料錐處(Z=0.55 m)Y=0 m(a,c)和X=0 m(b,d)直線上的湍流動能大小分布
Fig.7 Turbulent kinetic energy distribution onY=0 m (a, c) andX=0 m (b, d) near the bulk cone (Z=0.55 m) respectively at the air inflow of 20 m3/s and 40 m3/s