氣流渦旋微粉機氣固兩相流場仿真分析①

何 鵬，肖 驍，2，張國旺，2，龍 淵，2，趙 湘，2，謝睿寧

（1.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.湖南金磨科技有限責任公司，湖南 長沙 410012）

氣流渦旋微粉機是一種集粉碎、分級為一體的微粉碎設備，該機結構簡單緊湊、粉碎性能良好，目前廣泛應用于食品、藥材、飼料粉碎等行業。該設備因其特殊結構以及粉磨機理受到了新材料領域生產廠商的青睞［1］，近年來廣泛應用于球形石墨的大規模工業化生產中。由于設備內部石墨顆粒運動復雜多樣，目前對氣流渦旋微粉機制備球形石墨的機理研究仍不充分。國內外研究人員主要通過制造實驗機，并不斷調整設備結構參數和工藝參數對氣流渦旋微粉機進行改進。

ANSYS fluent作為一款功能全面的流體動力學計算軟件，可對設備內部復雜多相流流場進行數值模擬，目前fluent多相流模型已成功應用于旋風分離器、輥磨機和錘片式粉碎機等設備的流場分析中［2－4］。氣流渦旋微粉機的結構設計較為簡單，但在制備球形石墨時內部流場相對復雜，難以直接進行測量觀察。為直觀了解氣流渦旋微粉機的石墨球形化過程，本文采用歐拉多相流模型對氣流渦旋微粉機腔室流場進行氣固兩相流模擬，通過數值計算出設備工作時腔室內部流體的真實流動狀態，并進行實驗驗證分析，初步揭示氣固兩相流場的運動規律，為設備進一步改進設計提供理論指導。

1 石墨顆粒球形化機理分析

以天然鱗片石墨為原料，使用氣流渦旋微粉機生產球形石墨。天然鱗片石墨顆粒呈片狀結構，受到沖擊碰撞時，顆粒內部產生應力，當該應力超過石墨顆粒的彈性極限時，石墨顆粒就會發生片狀彎曲的塑性變形。塑性變形過程主要分為：①大鱗片石墨顆粒受沖擊后發生折疊彎曲，逐漸被沖擊成球狀或類球狀，成為球形顆粒的主核；②片狀石墨顆粒包覆在球形顆粒主核表面，形成球形大顆粒；③鱗片石墨破碎產生的微細顆粒嵌入球形大顆粒內部間隙，在沖擊力作用下不斷緊實，最終形成球形石墨顆粒［5－6］。

2 氣流渦旋微粉機內部流場模擬

2.1 流場分析

氣流渦旋微粉機結構示意圖如圖1所示。設備生產過程中空氣從進氣口進入腔室，在高速旋轉錘頭作用下產生渦流。石墨顆粒從入料口進入，在錘頭、齒圈和渦流作用下發生碰撞、摩擦、剪切，實現石墨顆粒球形化，之后顆粒被包裹在上升氣流中通過分級輪排出腔室。石墨顆粒在腔室內部的運動可以簡化為顆粒的分散、碰撞以及輸送，空氣在這3種物料運動過程中都起關鍵性作用，所以在整個腔室內部都是空氣和石墨顆粒的耦合流場。

圖1 氣流渦旋微粉機結構

本文初步選定錘頭轉速6 000 r／min，分級輪轉速2 875 r／min，鱗片石墨顆粒粒徑20μm，氣體介質為20℃空氣，空氣密度1.225 kg／m3，空氣運動黏度1.48×10－5m2／s，設置參考壓力101 325 Pa。根據氣流渦旋微粉機工況參數和結構尺寸將腔室內部流場簡化為管道流場，對內部流場進行分析，計算得出氣體入口處氣體速度12 m／s，氣體入口等效管狀直徑0.17 m，腔室流場雷諾數計算式為：

式中Re為雷諾數；U為管道橫截面氣體流速（速度特征尺度）；L為管道等效直徑（長度特征尺度）；υ為運動黏度系數。

根據計算得出的雷諾數可以初步判定氣流渦旋微粉機內部腔室流場運動為湍流運動，因此選擇κ-ε標準湍流模型進行流場數值模擬［7］。

2.2 流場模型建立

根據氣流渦旋微粉機整機結構，使用Solid Works三維建模軟件對氣流渦旋微粉機進行三維實體建模。為降低計算成本并得到更高質量的網格模型，對氣流渦旋微粉機三維實體模型進行適當簡化，忽略微粉機內部部分細節（較小間隙、倒角等）以及各零部件之間的連接配合。利用meshing功能對流場模型進行網格劃分，對粉碎盤和齒圈所在的流場區域進行局部網格加密（見圖2）。

圖2 簡化模型網格劃分

利用多重參考系模型（MRF）將分級輪回轉區域、粉碎盤回轉區域設置為定軸旋轉運動［8］。選用fluent壓力基求解器以及多相流模型中的歐拉模型對腔室內部氣固兩相流場進行模擬研究分析。

3 模擬結果分析

3.1 氣固兩相流場分析

圖3為氣固兩相從進入腔室到離開腔室的完整流動過程。氣體從進氣口進入設備腔室，受到粉碎盤高速旋轉的影響，進行螺旋上升運動。石墨顆粒從進料口進入，被氣流攜帶在錘頭和齒圈間隙處反復運動，再通過分級輪離開腔室。氣體和石墨顆粒在腔室內部發生氣固耦合，且耦合主要集中在球化室區域。

圖3 氣固兩相流線圖

圖4為氣流渦旋微粉機中心截面上的氣固兩相速度云圖，由于氣體從進氣室通過粉碎盤與齒圈的狹縫時流動面積急劇減小，且受到高速旋轉錘頭的影響，氣固兩相在錘頭與齒圈的環形區域產生高速流場。之后流體從導流圈下方通過時，流動面積減小，產生局部速度突變，在此處附近產生大規模渦流以及不規則流動。粉碎盤上方的流場流動面積沿著Y軸軸向方向增加而逐漸增大，流場受高速旋轉粉碎盤的影響也逐漸降低，且考慮到渦流導致流體間發生劇烈能量交換時產生的局部損失以及整個流動過程中的沿程損失，氣固兩相流體流動速度逐步趨于穩定。

圖4 中心截面氣固兩相速度云圖

為深入了解氣固兩相流場在球化室區域的運動狀態，選取距粉碎盤上表面10 mm處的截面進行具體分析。

圖5（a）為截面處氣固兩相流體流速矢量圖。由圖5（a）可看出在球化室區域，氣固兩相流動速度波動較為明顯，導流圈區域流動速度局部增大，在此區域產生高強度渦流。該渦流一方面受到粉碎盤高速旋轉的影響；另一方面由于導流圈區域流體流動面積減少，流體流經此區域時速度突然增大。

圖5 氣固兩相流體流速矢量圖

另外在高速旋轉錘頭的作用下，錘頭和齒圈之間的環形區域處產生了環形渦流，流體在該區域內做旋轉運動。該環形區域處流體速度變化梯度最大，說明石墨顆粒在此處受到的沖擊較為劇烈，顆粒球形化主要發生該環形區域內。

圖5（b）為齒圈局部區域流體速度矢量圖。由圖5（b）可看出，氣固兩相流體隨著錘頭高速旋轉時受到較大的離心力作用，在錘頭外緣產生徑向速度進入齒內，受齒圈齒形結構的影響產生局部渦流。在此局部渦流影響下，流體改變速度方向回到錘頭和齒圈之間的環形區域繼續做旋轉運動。

綜合流體流動速度變化，可以分析出石墨顆粒在球化室的運動狀態：石墨顆粒進入設備內部后在氣流的攜帶作用下首先受到錘頭的沖擊作用，獲取一定的初始動能，在錘頭和齒圈之間的環形區域高速旋轉。由于離心力的作用，石墨顆粒產生徑向速度，進入齒圈區域受到齒圈壁面的二次沖擊。在局部渦流影響下，石墨顆粒與齒圈壁面發生碰撞，顆粒速度方向發生改變，回到錘頭和齒圈之間的環形區域后繼續受到錘頭沖擊。

3.2 不同錘頭轉速下的氣固兩相流場變化

球化室內的渦流可分為導流圈區域渦流、錘頭和齒圈之間環形區域渦流以及齒圈齒間的局部渦流。導流圈區域流體流速變化較大會增大石墨顆粒與顆粒之間碰撞及摩擦幾率，從而提高球形化效率。而錘頭和齒圈之間環形區域渦流以及齒圈齒間的局部渦流強度過高則會導致石墨顆粒在設備內部主要發生粉碎破裂，影響顆粒球形化進程。

上述3種渦流的強度主要受錘頭轉速影響。因此選取錘頭轉速2 400 r／min、3 600 r／min和4 800 r／min條件下的流場進行數值模擬，并與錘頭轉速6 000 r／min條件下流場進行對比分析，結果見圖6。

圖6 不同錘頭轉速下氣固兩相流速變化

由圖6可知，錘頭轉速6 000 r／min和4 800 r／min時，錘頭與齒圈的環形區域處最高流速分別達到92 m／s和73 m／s，石墨顆粒受到沖擊力較大，石墨顆粒可能主要進行破碎而非球化塑性變形，降低了石墨顆粒球形化效率。且導流圈區域流體流速波動較小，石墨顆粒與顆粒之間的碰撞幾率較低。錘頭轉速3 600 r／min和2 400 r／min時，流場流動速度較低，錘頭與齒圈的環形區域處最高流速分別為54 m／s和35 m／s，齒間局部渦流強度較低，石墨顆粒受到的沖擊較小，石墨顆粒在設備內部可能主要發生塑性變形。導流圈區域流體流速波動較大，顆粒在此區域碰撞幾率較高。

綜上可知，在氣流渦旋微粉機腔室結構不變的情況下，錘頭轉速存在較優值。根據本次模擬結果，錘頭轉速2 400 r／min和3 600 r／min時，石墨顆粒受到的沖擊較小，且導流圈區域流體流速波動明顯，石墨顆粒球形化效率可能較高。

4 實驗驗證

4.1 實驗原料及方法

實驗原料為天然鱗片石墨（中位徑20.204μm）。

氣流渦旋微粉機主機電流穩定后，將天然鱗片石墨加入氣流渦旋微粉機進行球化。實驗過程中控制石墨顆粒球化時間1 h，分級機頻率50 Hz，風機風量1 605 m3／h，并定時記錄氣流渦旋微粉機主機能耗等參數。記錄成品出料量，并測量成品的振實密度以及粒徑分布。

4.2 實驗結果

為分析出最佳錘頭轉速，驗證錘頭轉速對石墨顆粒球形化效率的影響，利用氣流渦旋微粉機進行上述4種錘頭轉速下石墨球形化效率的對比實驗，結果如表1和圖7所示。錘頭轉速6 000 r／min和4 800 r／min時，石墨顆粒中位徑均有降低，振實密度增長緩慢，說明在此過程中石墨顆粒受到的沖擊較大，發生了較大程度的破碎，影響石墨顆粒的球形化進程；錘頭轉速2 400 r／min時，石墨顆粒中位徑增至22.172μm，在此過程中石墨顆粒可能主要發生了片狀石墨的包覆，石墨顆粒受到的沖擊力還不足以實現緊實過程；錘頭轉速3 600 r／min時，石墨顆粒中位徑基本保持穩定，產率較高，受到的沖擊大小更適合石墨顆粒的球化塑性變形。

表1 錘頭轉速對粒度及產率的影響

圖7 錘頭轉速對振實密度的影響

5 結 語

1）氣固兩相流體流經導流圈區域時，因流動面積減少會產生大規模渦流，導致該區域流體流速波動較大。增大該區域流體流速波動會增大石墨顆粒與顆粒之間的碰撞幾率，提高石墨顆粒的球形化效率。

2）錘頭和齒圈之間的環形區域處會產生高速渦流，該區域流體流速梯度較大，石墨顆粒球形化主要發生在該環形區域內。氣固兩相流體單齒內部也會產生局部渦流，通過改變錘頭轉速和齒圈齒形結構可以調節局部渦流強度。

3）氣流渦旋微粉機的錘頭轉速存在較優值，錘頭轉速過大或過小均會影響石墨顆粒的球形化效率。驗證實驗結果表明，錘頭轉速3 600 r／min時，石墨顆粒受到的沖擊較為合適，球形化效率最高。

4）利用歐拉多相流模型研究氣流渦旋微粉機內部氣固流場的運動規律，有利于進一步理解氣流渦旋微粉機的球形化機理，為設備優化改進提供理論依據。