基于Fluent的新型氣流微粉機數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

謝睿寧，張國旺，2，龍 淵，2

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

氣流微粉機（高速氣流沖擊球化法）是利用圍繞水平或垂直軸高速旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體（棒、錘、板等）在空氣的攜帶作用下，使物料與固定體碰撞或顆粒之間沖擊碰撞，從而使物料球化的一種超細粉碎設(shè)備［1］，它具有分級精度高、分級精度可調(diào)、產(chǎn)能較大等優(yōu)勢，在天然石墨、人造石墨和水泥顆粒球化整形處理領(lǐng)域廣泛使用［2-7］。傳統(tǒng)氣流微粉機在天然石墨顆粒粉體球化加工中存在球化率低、產(chǎn)率低、生產(chǎn)線長、能耗高等問題［8］。針對傳統(tǒng)氣流微粉機的結(jié)構(gòu)缺陷，開發(fā)了新型氣流微粉機，在導(dǎo)流環(huán)、齒圈形狀、分級輪葉片數(shù)量、分級輪轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)方面進行了優(yōu)化。

Fluent軟件針對復(fù)雜流體的特點，采用適當?shù)碾x散格式和數(shù)值解法，能高效解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動計算問題［9-11］。為了研究石墨顆粒在新型氣流微粉機中流動的微觀特性以及氣流微粉機內(nèi)部整體流場的分布情況，本文借助Fluent流體仿真軟件對新型氣流微粉機的內(nèi)部流場進行建模，并應(yīng)用氣固兩相流的數(shù)學(xué)模型對石墨顆粒以及空氣的混合相進行替代模擬，初步揭示新型氣流微粉機內(nèi)部流場的運動規(guī)律，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)部流場的影響規(guī)律，可為后續(xù)裝備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 新型氣流微粉機內(nèi)部流場分析及多相流選擇

新型氣流微粉機主機簡化結(jié)構(gòu)剖面見圖1。

圖1 新型氣流微粉機主機簡化結(jié)構(gòu)剖面圖

自然界和工程中會遇到大量的多相流問題。多相流可分成4類：氣液或液液流動、氣固流動、液固流動和三相流動。新型氣流微粉機腔室內(nèi)部是空氣和石墨顆粒的耦合流場，由Fluent多相流模型選擇原則（如表1所示）可知本文的數(shù)值模擬屬于氣固兩相流動的粒子流類型，選用歐拉（Euler）模型進行后續(xù)的模擬仿真。

表1 Fluent多相流模型選擇原則

本文初步選定物料為中位徑D50＝17μm的石墨顆粒，氣體介質(zhì)為20℃空氣，空氣密度1.225 kg／m3，空氣運動黏度1.48×10－5m2／s，設(shè)置參考壓力101 325 Pa。根據(jù)新型氣流微粉機工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，將腔室內(nèi)部流場簡化為管道流場，對內(nèi)部流場進行分析，計算得出氣體入口處氣體速度10 m／s，氣體入口等效管狀直徑0.2 m，腔室流場雷諾數(shù)計算式如式（1）所示。根據(jù)計算得出的雷諾數(shù)可以初步判定新型氣流微粉機內(nèi)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(shù)值模擬。

式中Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度；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）；μ為運動黏度系數(shù)。

2 內(nèi)部流場模型建立及網(wǎng)格劃分

首先在不影響流場的情況下利用三維建模軟件SolidWorks建立新型氣流微粉機實體簡化模型，并利用meshing功能對粉碎盤、齒圈和分級輪附近的流場區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，增加網(wǎng)格數(shù)量、提高求解精度，適當減少進氣口以及出料口等區(qū)域網(wǎng)格的數(shù)量，最后對網(wǎng)格區(qū)域進行命名。網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 新型氣流微粉機內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分

3 邊界條件設(shè)置

邊界條件的設(shè)置直接影響流場問題分析的準確性。Fluent計算域中同時存在運動和靜止區(qū)域時，存在靜止、旋轉(zhuǎn)或平移幾種情況。本文所進行的Fluent模擬中錘頭-粉碎盤區(qū)域與壁面以及分級輪區(qū)域與壁面都屬于前者相對后者為定軸旋轉(zhuǎn)運動，需要利用多參考模型（MRF）進行求解，具體邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 區(qū)域及邊界類型設(shè)置

4 新型氣流微粉機內(nèi)部整體流場數(shù)值模擬

選用錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個、錘頭與齒圈之間間隙9 mm進行新型氣流微粉機內(nèi)部氣固兩相流流場分析，結(jié)果如圖3～5所示。由圖3～4可以看出，整體兩相流流動過程較為平衡，且分布較為均勻，只有在進風(fēng)口、高速錘頭、分級輪、出料口附近等區(qū)域發(fā)生了速度突變。氣流從底部進氣口進入腔體，在球化室內(nèi)粉碎盤高速旋轉(zhuǎn)的帶動下產(chǎn)生高速流場，進而上升到分級輪區(qū)域，最后在除塵設(shè)備負壓吸力的作用下進入除塵系統(tǒng)。由圖5可知，在錘頭周邊區(qū)域兩相流的速度明顯高于其他區(qū)域，由此可判斷石墨顆粒在此區(qū)域受到明顯的沖擊力作用，獲得高速的初始速度。因在錘頭撞擊和離心力的共同作用下石墨顆粒往齒圈區(qū)域移動，此飛行過程有一定的能量與速度損失，因此到達齒圈時速度有所降低。綜上，在球化區(qū)域內(nèi)，錘頭和齒圈流體速度變化梯度較大，且有明顯的受沖擊、旋轉(zhuǎn)的作用力，可推斷石墨顆粒的破碎、球化主要集中在此區(qū)域內(nèi)。

圖3 氣固兩相流速度流線圖

圖4 中心截面氣固兩相速度云圖

圖5 球化區(qū)域氣固兩相流體流速分布云圖

5 新型氣流微粉機結(jié)構(gòu)參數(shù)模擬

5.1 導(dǎo)流環(huán)對流場的影響

錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個、錘頭與齒圈之間間隙9 mm條件下，分別以有無加裝導(dǎo)流環(huán)為變量，進行流場數(shù)值模擬，結(jié)果如圖6所示。選取新型氣流微粉機主機截面作為壓力云圖觀測截面，可明顯看出裝有導(dǎo)流環(huán)的主機在球化區(qū)域尤其是錘頭齒圈附近的氣壓明顯更高，由此可推斷在導(dǎo)流環(huán)的回流作用下，更多氣流從分級輪處回流到球化區(qū)域，且導(dǎo)流環(huán)所在區(qū)域空間更狹小，使得球化區(qū)域氣流壓力增大。

圖6 有無導(dǎo)流環(huán)主機內(nèi)部壓力云圖

有無安裝導(dǎo)流環(huán)條件下球化區(qū)域平面湍動能變化曲線如圖7所示。由圖7可知，安裝有導(dǎo)流環(huán)的主機整體湍動能都要低于沒安裝導(dǎo)流環(huán)的情況，特別在X＝0 m處（即導(dǎo)流環(huán)下方區(qū)域），說明在此區(qū)域上升氣流與回流氣流的相互碰撞更為劇烈，導(dǎo)致剩余能量減小，湍動能降低。X＝0.20 m的區(qū)域為錘頭區(qū)，顆粒與錘頭在此區(qū)域的碰撞相比于其他區(qū)域更加劇烈，能量損耗更大，顆粒與氣流的剩余能量更少，因此在此區(qū)域內(nèi)湍動能會有明顯下降的趨勢。綜上分析，在新型氣流微粉機主機內(nèi)安裝導(dǎo)流環(huán)有利于增強氣流在腔體內(nèi)的循環(huán)流動，使得石墨顆粒與顆粒、顆粒與錘頭和齒圈的碰撞概率增大，石墨顆粒的球化效率更高。

圖7 有無安裝導(dǎo)流環(huán)條件下球化區(qū)域平面湍動能變化曲線

5.2 錘頭與齒圈間隙對流場的影響

錘頭轉(zhuǎn)速3 800 r／min、分級輪轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭數(shù)量12個條件下，對不同錘頭與齒圈之間間隙的流場進行數(shù)值模擬，并對粉碎盤Y＝0.37 m處X軸直線上的數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果見圖8。由圖8可見，從X＝0.20 m處開始，氣固兩相流體流速隨著錘頭高速旋轉(zhuǎn)而迅速提升。X＝0.25～0.30 m區(qū)域，流體同時受到錘頭與齒圈的相互作用，隨著齒圈與錘頭之間距離增大，此區(qū)域內(nèi)流體最大流速逐漸降低。錘頭與齒圈之間的區(qū)域為天然鱗片石墨主要球化區(qū)域，而氣固兩相流的流速直接決定了此區(qū)域內(nèi)渦流的強度，因此減小錘頭與齒圈的間隙可增大錘頭與齒圈之間的渦流強度，進而提升天然鱗片石墨球化效率。

圖8 X軸方向上球化室內(nèi)氣固兩相流流速變化曲線

6 實驗研究

6.1 實驗原料及方法

實驗原料為天然鱗片石墨（D50＝72.045μm，固定碳含量為95.04%，普通灰分為3.91%）。實驗主要設(shè)備為新型氣流渦旋微粉機系統(tǒng)，測量儀器包括振實密度測試儀（丹東百特BT-302型）和激光粒徑分析儀（歐美克LS-609型）。待新型氣流渦旋微粉機主機、除塵等設(shè)備運行穩(wěn)定后，將天然鱗片石墨通過真空上料機加入新型氣流渦旋微粉機進行球化。

6.2 有無安裝導(dǎo)流環(huán)實驗研究

單次給料量5 kg、石墨顆粒球化時間6 min、分級機轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭與齒圈間隙5 mm、齒圈角度45°、錘頭數(shù)量12個，有無安裝導(dǎo)流環(huán)對成品中位粒徑及成品率的影響分別如表3和圖9所示。

表3 成品中位粒徑與成品率隨錘頭轉(zhuǎn)速變化情況

圖9 主機電機電流隨時間變化曲線

由表3可知，安裝導(dǎo)流環(huán)的主機，在相同的轉(zhuǎn)速下可通過更短的球化時間達到相近的粒度，且振實密度更高，整體成品率更高，石墨顆粒中位粒徑可達到35.97μm，振實密度達到0.924 g／cm3，成品率64.8%。由圖9可知，在相同主機頻率下，安裝導(dǎo)流環(huán)的主機電機電流比未安裝導(dǎo)流環(huán)的主機電機電流更大。這是由于安裝導(dǎo)流環(huán)后，會有更多未通過分級輪的石墨顆粒在導(dǎo)流環(huán)的引導(dǎo)作用下回到粉碎盤附近，此時粉碎盤受到負載更大，所需電流則更大。未安裝導(dǎo)流環(huán)時，石墨顆粒在球化腔體內(nèi)做自由運動，懸浮在空中，石墨顆粒無法與錘頭和齒圈進行充分碰撞，粉碎盤負載減小，主機所需電流減小。綜上，選擇安裝導(dǎo)流環(huán)更有利于石墨顆粒在主機內(nèi)進行球化加工。

6.3 錘頭與齒圈間隙實驗研究

單次給料量5 kg、石墨顆粒球化時間6 min、分級機轉(zhuǎn)速3 000 r／min、錘頭與齒圈間隙5 mm、安裝導(dǎo)流環(huán)、齒圈角度45°、錘頭數(shù)量12個，錘頭與齒圈間隙對成品中位粒徑D50及成品率的影響見圖10。由圖10可知，石墨顆粒中位粒徑和成品率均隨著錘頭與齒圈間隙增大而增大。當錘頭與齒圈間隙為5 mm時，球形石墨成品中位粒徑可達到35.97μm，當錘頭與齒圈間隙為10 mm時，錘頭與齒圈距離較大，石墨顆粒在受到錘頭沖擊后到達齒圈之前的行程較長，能量損失較大，且此過程中部分顆粒會被高速氣流帶動而離開球化區(qū)域，受到的沖擊力不充分，最終導(dǎo)致石墨顆粒粉碎和球化概率、效率降低，同時也驗證了數(shù)值模擬的可靠性。宜選擇錘頭與齒圈間隙5 mm進行石墨球形化加工。

圖10 成品中位粒徑和成品率隨錘頭齒圈間隙變化曲線

7 結(jié) 論

1）新型氣流微粉機內(nèi)部氣固兩相流數(shù)值模擬結(jié)果表明，整體兩相流流動過程較為平衡，且分布較為均勻，只有在進風(fēng)口、高速錘頭、分級輪、出料口附近等區(qū)域發(fā)生速度突變；球化區(qū)域內(nèi)錘頭和齒圈流體速度變化梯度較大，石墨顆粒的破碎、球化主要集中在該區(qū)域內(nèi)進行。

2）是否安裝導(dǎo)流環(huán)主要影響球化效率和成品率，加裝導(dǎo)流環(huán)有利于內(nèi)部流場的循環(huán)以及上升氣流的回落，可增大球化室內(nèi)氣壓，進而增大石墨顆粒的球化及破碎概率。錘頭與齒圈間隙主要影響石墨顆粒成品中位粒徑和振實密度。