超細攪拌磨數值模擬研究

趙梅　韋智豪　楊宇　劉嘯天　李天嬌

當前，超細攪拌磨廣泛應用于礦物加工領域，其應用極大促進了超細粉體的發展。本文基于fluent軟件建立超細攪拌磨三維數值模型，分析了超細攪拌磨的內部流場特性，獲得了流場的速度分布和湍流強度的分布規律，研究了不同轉速對湍流強度的影響規律。研究結果對于開發新型超細攪拌磨設計和運行具有指導意義。

超細攪拌磨;流體仿真;數學物理建模;轉速

0 前言

目前國內外學者對超細攪拌磨開展了研究且獲得了一定研究成果。張國旺等對超細攪拌磨機的流場進行了數值模擬研究，分析了不同類型的攪拌器對超細攪拌磨研磨室內流場特性的影響。研制出了大型超細攪拌磨機并成功應用于生產亞微米超細重質碳酸鈣。孫新明采用DEM-CFD固液耦合法對攪拌磨進行了仿真與實驗研究，分析了礦漿對攪拌磨的影響規律。任廷志采用EDEM技術對塔式磨機進行研磨過程數值模擬研究，結果表明攪拌器轉速、直徑和介質填充率越大，塔式磨機的研磨力越大結論。Simon Larsson等人提出一種模擬攪拌磨漿體、研磨介質和磨機結構之間物理相互作用的新方法。

本文借助fluent軟件對攪拌磨流場開展數值模擬研究，為超細攪拌磨設計提供設計依據。

1模型的建立

1.1 幾何建模

超細攪拌磨的幾何模型如圖1所示，為了節省計算時間，忽略進出口物料流動對流場的影響，即假設整個研磨室是封閉的，無物料進出，其具體幾何尺寸見表1。

1.2 網格劃分與邊界條件

超細攪拌磨在研磨過程中采用非結構化的混合網格劃分，并對攪拌器壁面進行局部網格加密處理。劃分后的網格如圖2所示。固體表面邊界條件采用無滑移網格邊界條件;攪拌器設為旋轉壁面，轉速分別設為n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。

2 結果分析

取轉速n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。以攪拌棒臂長為特征長度，通過計算，n=700 r/min時雷諾數Re=709<Re=2 300，故采用湍流模型進行流場分析。

2.1 速度場分析

棒式超細攪拌磨轉數n=700 r/min時不同截面的速度等值線分布如圖3所示。從圖3（a）和（b）顯示，在攪拌棒的周圍和攪拌棒頂端到攪拌桶內壁面的區域等值線分布較密，即速度梯度較大;但在攪拌棒之間的區域及攪拌器上部空腔靠近自由液面的區域的速度梯度較小。從圖3（c）中還可以看出攪拌棒前端的等值線分布較后端密集。

2.2 湍流強度分析

圖4結果表明，在攪拌棒頂端處及靠近壁面附近區域的湍流強度較大，說明此區域內有利于漿料的研磨粉碎;在攪拌棒之間及攪拌裝置上部空腔區域中，湍流強度相對較低，說明了在這些區域中研磨效果不佳。

圖5所示，其湍流強度主要分布在20%～40%之間，轉速n=700 r/min時占比67.59%，轉速n為600 r/min時占比為71.28%，轉速n=500 r/min時占比為71.15%;在湍流強度為10%～20%時，低轉速下的對應比重遠遠高于高轉速時的湍流強度占比。當湍流強度大于30%時，低轉速下的湍流強度對應比重低于高轉速時的占比，且流體湍流強度隨轉速的增大而增大。

3 結論

通過開展超細攪拌魔數值模擬研究，主要得出以下幾點結論：

（1）建立了超細攪拌三維數值模擬模型，并分析了不同轉速對湍流強度的影響規律。

（2）在攪拌棒上流體速度隨徑向距離增大而增大，在攪拌棒附近及攪拌棒頂端到內壁面之間的區域速度梯度較大，此處為超細攪拌磨的主要研磨粉碎區域;其他區域的速度梯度小。

[1]張國旺.超細攪拌磨機的流場模擬和應用研究[D].長沙：中南大學，2005.

[2]張國旺，黃圣生.高效超細攪拌磨的設計和應用[J].礦山機械，2002（7）：15-17.

[3]寧曉斌，孫新明，佘翊妮，等.攪拌磨DEM-CFD耦合仿真研究及攪拌器強度分析[J].有色金屬工程，2016（4）：63-67+72.

[4]任廷志，李卓，劉長遠，等.基于離散元法的塔磨機數值模擬分析[J].中國粉體術，2016，22（4）：88-91.

[5]吳建明，曹永新.GJ5×2大型雙槽高強度攪拌磨機的開發與應用[J].有色金屬（選礦部分），2009，61（3）：46-51.

At present， the ultra-fine stirring mill is widely used in the field of mineral processing， and its application greatly promotes the development of ultra-fine powder. In this paper， a three-dimensional numerical model of the ultra-fine stirring mill is established based on the fluent software， the internal flow field characteristics of the ultra-fine stirring mill are analyzed， the velocity distribution of the flow field and the distribution of turbulence intensity are obtained， and the influence of different speeds on turbulence intensity is studied. The research results have guiding significance for the development of the design and operation of a new type of ultrafine stirring mill.

ultrafine stirred mill;fluid simulation;mathematical-physics model; rotate speed