（流体机械及工程专业论文）焦油渣切割泵内部流场的数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 切割粉碎是许多行业产鼹生产中不可缺少的一种工艺过程，随着工农业的发 展及社会的进步，工业生产中对物料的粉碎、细化的要求越来越高。传统切割粉 碎技术粉碎的颗粒直径分布范围大，均匀性差，且传统切割粉碎设备能耗大，生 产成本高，已经不能满足工业生产的需要。焦油渣切割泵采用一种颞的粉碎理念， 粉碎效率高、操作成本低、制备的产品粒度均匀，具有广阙的应用前景。 目前我国对切割粉碎技术的研究才刚刚起步，与国外相比仍有较大的差距， 需要进一步研究以缩小与国外设备的差距，：提高我圈切割粉碎技术的竞争力。因 此，本文以马鞍出钢铁厂焦油渣切割泵为研究对象，借助c 固方法对焦油切割泵 的内部流场进行数值研究，为以后此技术的进一步研究与发展提供参考依据。 本文采用c f d 数值模拟方法，对焦油渣切割泵的清水流场、固液嚣相流场及 非定常流场进行了数值模拟。本文主要工作及研究结果有： ( 1 ) 分析了焦油渣切割泵的工作原理，焦油渣切割泵改变了传统物料在粉碎过 程中处于自由状态被撞击、切割粉碎的粉碎方式，透过转子旋转产生的离心力将 物料推向切割齿边缘，瞬时受到强剪切力作用，从丽侵物料被切割粉碎。 通过数值模拟方法对切割泵进行清水流场在不同工况下的数值模拟，通过 网格无关性验证得到网格数为1 2 5 万时计算结果与试验数据最接近，并作为两相 流和j 参定常数值计算的网格。对焦油渣切割泵进行了性能预测，与试验所得性能 曲线进行对比。结果表明，在额定流量下，扬程相对误差为3 1 4 ，效率相对误差 为4 5 6 。 0 ) 对焦油切割泵内固液两榴流场进行数值分析，分析了不同的流量、转速、 颗粒大小及颗粒浓度对切割泵内流线及固体颗粒分布的影响。研究结果表明：小 流量时，进口区域涡流严重，但流量对固相浓度分布影响不大；固体颗粒大小和 浓度越大，转子工作面圆褶浓度越高，对转予表面的磨损与冲蚀越严重；增大转 速可以提高粉碎效率，但是对设备的要求也高，需要合理选择。 ( 4 ) 通过对三组具有不同定子槽倾斜角的切割泵模型进行固液两相流场的数 值模拟，结果表明较小的定子槽倾斜角度更有利予切割泵的切裁粉碎效栗。 ( 5 ) 在焦油渣切割泵清水流场模拟的基础上，采用非定常数值模拟对切割泵进 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 二一 行非定常计算。通过对不同流量时非定常压力脉动的分析得出，压力脉动波形具 有明显的周期性，瞬时扬程也发生周期性变化；压力脉动主要是由旋转的转子与 静止的定子间的动静干扰作用引起的，主频为2 4 5 h z ，且随着流量增大，主频幅 值增大。 关键词：焦油切割泵，切割粉碎，固液两相，非定常，数值模拟 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec u t t i n ga n dp u l v e r i z i n gi so n ei n d i s p e n s a b l ep r o c e s so fm a n yi n d u s t r y p r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ep r o g r e s so fs o c i e t y , i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n s h a v eh i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t t o m a t e r i a l s d i s p e r s i o n a n d r e f i n e m e n t t r a d i t i o n a lc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu n a b l et om e e tt h e n e e d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，f o rt h ep o o ru n i f o r m i t yo fp r o d u c tp a r t i c l es i z ea n dh i g h e n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g hp r o d u c t i o nc o s to ft h et r a d i t i o n a lc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n g e q u i p m e n t s p e t r o l e u mt a rc u t t i n gp u m p w i t han e wc r u s h i n gi d e ah a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t ，f o ri t sh i g he f f i c i e n c y , l o wo p e r a t i o n c o s ta n dt h eu n i f o r mp r o d u c tp a r t i c l e a tp r e s e n tt h er e s e a r c ho fc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n gt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r yi sj u s t b e g i n n i n g , c o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s t h e r ei ss t i l lal a r g eg a p - s o ，f u r t h e rr e s e a r c h i sn e e d e dt on a r r o wt h eg a pw i t hf o r e i g ne q u i p m e n ta n di m p r o v eo u rc o u n t r y s c o m p e t i t i v e n e s so fc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rr e g a r dt h ep e t r o l e u m t a rc u t t i n gp u m pa sr e s e a r c h i n go b j e c t t h ei n t e m a lf l o wf i e l do ft h ep e t r o l e u mt a r c u t t i n gp u m pw a sr e s e a r c h e dw i t h t h em e t h o do fc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt op r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h ef u t u r er e s e a r c ho fc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n gt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , u s i n gt h ec f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，t h ew a t e rf l o wf i e l d ， s o l i d 1 i q u i dt w o p h a s ef l o wa n du n s t e a d yf l o w f i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp e t r o l e u m t a rc u t t i n gp u m pw e r em a d e t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t sa r e a s f o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s e dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep e t r o l e u m t a rc u t t i n gp u m p ，f o u n di ti s d i f f e r e n tw i t ht h et r a d i t i o n a lc u t t i n ga n dc r u s h i n gm e t h o d i t sw o r k i n gp r i n c i p l e ：t h e m a t e r i a li st h r o w nt ot h ee d g eo ft h er o t o ra n ds u f f e rs t r o n gs h e a rf o r c e i nt h eg a p b e t w e e nt h er o t o ra n dt h es t a t o r , t h e nt h em a t e r i a li sc u ta n dp u l v e r i z e d ( 2 ) t h eg r i di n d e p e n d e n tv e r i f i c a t i o nw a ss t u d i e dt or e d u c et h ee f f e c to f t h eg r i d n u 刀1 b e ro nt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tw h e ng a dn u m b e r i s1 2 5 0 0 0 0t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si s c l o s e s tt o t h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i cc u r v ew a sm a d ea n dc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h er e s e a r c h i - e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a de r r o ri s3 1 4 a n dt h ee f f i c i e n c ye r r o ri s 一4 5 6 u n d e rd e s i g n c o n d i t i o n s ( 3 ) t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs o l i d 1 i q u i dt w o p h a s ef l o ws h o wt h a t i i i 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 t h ei n f l u e n c eo ff l o wr a t eo nt h ec u t t i n ga n dp u l v e r i z i n ge f f e c ti sl i t t l e i n c r e a s i n gs o l i d p a r t i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o ni si nf a v o ro fc u t t i n ga n dp u l v e r i z i n g ，b u tw i l li n c r e a s e t h ew e a ra n de r o s i o no nt h er o t o rs u r f a c e g r i n d i n ge f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e db y i n c r e a s i n gr o t a t i o n a ls p e e d ，b u tt h er e q u i r e m e n tf o re q u i p m e n tw i l lb eh i g h ，s ow em u s t c h o o s er e a s o n a b l e ( 4 ) t h ei n c l i n a t i o na n g l eo ft h es t a t o rs l o tw a sc h a n g e d ，a n dt h es i n g l ea n d t w o - p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r eu s e dt os i m u l a t et h et w op e t r o l e u mt a r c u t t i n gp u m pm o d e l s t h er e s u l t ss h o wt h a tr e d u c i n gt h ei n c l i n a t i o na n g l ec a l lg e tb e t t e r c u t t i n ga n dp u l v e r i z i n ge f f e c t ) i no r d e rt oa n a l y s et h ei n t e r n a lf l o wf i e l di nt h et a rc u t t i n gp u m p ，u n s t e a d y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt os i m u l a t et h ec u t t i n gp u m p 。a c c o r d i n gt ot h es t a t i c p r e s s u r ec h a n g e sa td i f f e r e n tf l o wr a t e s ，t h ec o n c l u s i o nt h a tp r e s s u r ep u l s a t i o n sh a v e o b v i o u sp e r i o d i c i t yw a so b t a i n e d t h em a i nr e a s o no fp r e s s u r ep u l s a t i o n si st h e r o t o r - s t a t o rc o u p l i n g , a n dt h ed o m i n a n tf r e q u e n c yw a s2 4 。5 h z w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e f l o w r a t e s ，a m p l i t u d eo fd o m i n a n t 蠹e q u e n c yi n c r e a s e k e yw o r d s ：p e t r o l e u mt a rc u t t i n gp u m p ，c u t t i n ga n dp u l v e r i z e ，s o l i d l i q u i dt w o - p h a s e f l o w s ，u n s t e a d yf i o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 在工业飞速发展的时代，许多行业产品生产中必不可少的一个环节就是物料 的粉碎。对物料进行粉碎的目的是为了提供具有合适粒径及粒度组成的原料，满 足进一步加工和使用的需要【1 】，粉碎技术是高新技术行业中一个不可缺少的基础技 术。物料在经过粉碎以后，物料的比表面积、吸附性、堆积性、化学反应速率及 溶解性等都可以得到大大的提高。例如中药材细化可以大大提高吸收率、疗效和 利用率；豆渣经过粉碎后不仅可以改善产品的口感，还可以改善食用品质，更容 易被吸收。然而传统粉碎技术粉碎的颗粒直径分布范围大，均匀性差，且传统粉 碎设备能量消耗大，生产成本高，已经不能满足目前生产的需要，为了满足当代 工业生产的需求以及人们对生活品质要求的提高，切割粉碎技术以其独特的优势 得到了广泛的应用。 切割粉碎技术是一种性能优异的粉碎技术，在国外近些年来发展迅速，具有 效率高、操作成本低、制各的产品粒度均匀等优点，而且加工的同时就可以将物 料排出，它提出了一种新的粉碎理念，具有广阔的应用前景。 目前，切割粉碎设备已广泛应用于水产品、谷物纤维、食品物料中果蔬、果 汁及调味品种的软性纤维和皮渣的粉碎加工，效果显著。另外，切割粉碎技术在 化工、中药、军事、电子、航天、日化等行业都有着广泛的应用。设备利用旋转 的转子产生强大的剪切力，对物料进行剪切，同时利用转子与定子间的齿隙控制 被粉碎物料的细度，达到粉碎要求。切割粉碎设备的粉碎效果明显优于传统的超 细粉碎机，符合现代工业发展的需求，在未来的加工领域中会得到更广泛的应用。 切割粉碎技术作为近年来新发展起来的一种技术，物料的适用性很广，可在 很多行业中得以应用。但是，目前我国对切割粉碎技术的研究才刚刚起步，与国 外相比仍有较大的差距，需要进一步研究以缩小与国外设备的差距，提高我国切 割粉碎技术的竞争力。因此，本文以马鞍山钢铁厂焦油渣切割泵为研究对象，采 用c f d 方法对焦油切割泵的内部流场进行数值研究，为以后此技术的进一步研究 与发展提供参考依据。 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1超细粉碎技术及设备的发展状况 国外从4 0 年代开始对超细粉碎技术等方面的研究就十分活跃，到6 0 年代该 技术已经褥到了迅速的发展，在一些工业化先进的国家，超细粉碎技术及设备的 研究已经进入成熟时期，具有了较高的水平。我国对超细粉碎技术和设备蟾研究 起步较晚，始于上世纪6 0 年代。但是，直到鳓年代，对超细粉碎技术的研究才 变得活跃，发展迅猛。目前国内主要的超细粉碎设备有气流磨、高速机械冲击磨、 球磨机、介质搅拌磨、射流粉碎机等。经过近些年的努力，这些设备在性能上已 可与世界上同类设备相媲美。 虽然我国超微粉碎技术的研究与应用已经取得很大进步，达到了较高的水平。 但是隧着社会的进步和科学的发展，对超细产晶提坦了“微细化、活性化、功能 化、高纯化、系期化”的性能要求，因此超细粉碎技术必须与时俱进，解决以下 难题【筇】： ( 1 ) 加强超微粉碎基本理论与技术的研究，使超细粉碎设备可以进行系列化 生产，以适应不同物料对设备性能的不同要求；。_ 。 ( 2 ) 研究开发与超微粉碎设备相关的精细分级设备及相关的闭路工艺，提高 综合性能和生产效率，保证合格的粒度要求； 3 ) 开发集超微粉碎、精缨分级及表露改性等功能于一体的多功能设备； ( 4 ) 研制高密度、离硬度研密介质，解决设备磨损部件的材质问题； ( 5 ) 开发相应的冷却系统以提高某些徽粉碎设备连续批量生产的可能性； ( 6 ) 优化并改进粉碎器结构参数以减少能量流失，使产品粒度分布更均匀。 。2 。2 切割粉碎技术的研究现状 切割粉碎技术是国夕 近些年来发展起来的性能优异的粉碎技术，它利用精密 配合的粉碎切割头与高速运转的转子，采用渐次剪切原理，使产品在通过粉碎切 割头时被粉碎【4 】。 囡外发展的切割粉碎设备主要有美国的u r s c h e l 公司及德国g o r a t o r 和顺粉碎 泵联合机组。g o r a t o r 德国和顺粉碎泵联合机组可以对圈体物的浆状介质进行粉碎 加工，并达到客户要求的颗粒大小静稳定强度，广泛应用于化学、工业、民用范 围。爵前已经在全国1 3 大钢铁焦化厂投入使用，节能环保。适用予纤维素、p v c 、 2 江苏大学硕士学位论文 芳纶、氨纶等的湿式聚合粉碎。德国和顺粉碎泵联合机组最大的特点是在加工的 同时将物料排出。 国内最早研究高速切割湿法粉碎技术的是无锡轻大食品装备有限公司，该公 司是国内较早专业从事湿法超细粉碎与高效分散混合技术的企业。在高剪切湿法 粉碎技术的基础之上，攻克了高速切割粉碎技术，并成功开发q d g x 、q d g p 等 系列高速切割湿法粉碎设备。 近年来，国内的学者和科研人员也逐渐开始重视切割粉碎技术的研究工作。 邵长金【5 j 等介绍了粘胶后溶解q g b 系列切割泵的结构设计和应用研究。 沈培玉，赵浩【6 1 等利用c f d 技术对高速切割粉碎机进行了流场的数值模拟， 并研究了叶轮叶片形状、刀片偏角、叶轮转速对流场的影响。 孙志耐7 】对工业豆渣中使用的高速切割粉碎设计进行了研究，借助a n s y s 软 件对高速切割粉碎设备的转子进行建模，对其进行可靠性分析。采用计算流体力 学软件f l u e n t ，对高速切割粉碎设备粉碎过程进行研究，分析齿间周向和径向 上的压力场和速度场等，对斜槽齿型流场也进行了初步的分析。 赵浩，张玲玲【8 】等介绍了高速切割粉碎设备的工作原理，并对其核心部分的关 键结构参数对粉碎效果的影响进行了探讨，为高速切割粉碎设备的深入研究、设 计与制造提供理论依据。 张茂龙，陈锡春【9 】等对高速切割粉碎的关键技术进行研究，并利用研制的高速 切割粉碎机对鲜湿豆渣粉碎进行正交试验，探究了叶轮转速、静刀片数量、循环 次数对豆渣粉碎粒度的影响。 王晓峰【1 0 】利用计算流体力学软件f l u e n t 对粉碎腔内的气一固两相三维流场 进行数模拟，探讨了压力场、速度场等的分布情况。通过改变转速、锤筛间隙和 压力等因素，分析操作参数和结构参数的改变对粉碎腔内流场和粉碎效果的影响。 并总结出多相流模型和离散相模型模拟过程的具体步骤和各项操作的采用条件， 并对模拟中经常出现的问题进行了概括和解说。 1 3 切割粉碎设备 1 3 1 切割泵的结构及工作原理 本文中所研究的焦油渣切割泵主要由定子、转子、泵体、泵盖和吸入段等组 成，其总体结构图如图1 1 所示，其中关键部件为转子与定子，如图1 2 所示。转 3 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 子呈板状，转子的板面与水平面成一夹角，绕穿过转子板面的水平线旋转的转子 的侧缘上设置有齿，所有齿的齿顶位于同一个回转面上，齿的齿顶延伸方向与回 转面的切线方向相同。切割定子呈筒状，内侧筒壁上环设有齿圈，即环状的齿槽， 齿圈所在的平面与定子的中轴线相垂直，另外定子上还开设有贯穿其本体的流槽， 流体从流槽流出流向出口。 4 图1 1 切割泵总体结构图 切割泵转子与定子 铭嬲蜂瓣铺端麟嬲鳜描鞘臻鞘嘲猫翰獬蛹鞘赠秘勰罐麟糍端稚燃 誓i 昂i _ _ _ i 嘲嘲_ 嘲嘲稍_ _ - i _ 啊_ _ i 鞠鞠翻霸瓣 _ 图1 2 转子与定子的三维模型 江苏大学硕士学位论文 卜 溅慧 图1 3 切割泵工作示意图 图1 3 所示为切割泵工作原理图。其工作原理是通过转子旋转产生的离心力将 物料推向切割齿边缘，使物料瞬时受到强剪切力的作用，从而被切割粉碎。它是 采用物理及机械的方法对物料进行处理，处理过程中存在两相介质。该设备技术 中起关键作用的是轴端具有斜角的转子。物料首先被导向旋转的转子中央，转子 表面撞击物料，使物料产生旋转，旋转运动引起物料在轴向与径向方向均产生加 速运动，从而产生推力及剪切力。离心作用将物料甩至转子边缘，并被转子边缘 的齿牙粉碎。与离心泵相似，由于离心力的作用，通过压力将物料输送至出口。 物料首先通过定子，并通过定子上的槽排出进入蜗壳，进而被输送至泵的出口。 切割泵是集粉碎、纤维分离、研磨、混合、均质和输送于一体的设备，转子与定 子间的间隙大小决定了切割泵可以输出的最大粒径。 1 3 2 特点及应用领域 1 本课题中所研究的切割粉碎设备具有以f 特点： ( 1 ) 高剪切性能； ( 2 ) 粉碎后颗粒粒径细小且分布均匀：物料在压紧状态下，被有序的按照既定 切割深度进行粉碎，从而使颗粒大小均匀； ( 3 ) 无堵塞，易于供料和排料； ( 4 ) 加工的同时将物质排出： ( 5 ) 易于维修，节约成本； 2 切割粉碎设备的应用领域 切割粉碎设备的应用十分广泛，主要包括食品、日化及药剂领域，设备不同， 5 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 可处理的产品也会不同。分别为粘性和液体产品、自由流动的干燥和半干燥产晶、 水分多的产品和浆状、膏状或液体产品。具体应用范围如下： ( 1 ) 调节晶体悬浊液，使其达到均质行并同时输啦； 国混合2 5 0 。c 温度下的粘胶、纤维胶等介质； ( 3 ) 对生产过程中的p v c 等物质进行粉碎加工； ( 4 ) 粉碎焦油渣； ( 5 ) 使氨水中的焦油达到均质性； ， ) 粉碎、蒸馏并提炼水果和蔬菜元素； 0 ) 混合液体和糊状垃圾物质。 1 3 3 粉碎机理分析 1 常用粉碎方法 目前，粉碎技术中常用的粉碎方法有压碎、劈碎、剪碎、击碎和磨碎： ( 1 ) 压碎：物料在两平面之间受到压力作用而被粉碎。挤压粉碎适糟于脆饿物 料，食品加工中常用的对辊粉碎机。 ( 劲劈碎：物料受楔状刀具的作用分裂。用于脆性和韧性物料的破碎，能耗较 低。 ( 3 ) 剪碎：物料在两个破碎工作面阀，如同承受载荷的嚣支点供多支点) 梁， 除了在外力作用点受劈力井，还发生弯髓折断。多用于较大块的长或薄的硬、脆 性物料粉碎。 “) 击碎；物料在瞬间受到冲击而破碎，用于脆性物料的粉碎，粉碎范围大。 $ ) 磨碎：物料在两工作面或各种形状的研磨介质之间受到摩擦、剪切作用而 被磨削成为细粒，多用于小块物料或韧性物料的粉碎【1 1 】。 2 粉碎动力学模型 研究粉碎过程的一个重要的理论工具是粉碎动力学模型，能够较合理地描述 粉碎过程中颗粒的粉碎过程，主要有以下几种【1 2 ，1 3 】： 1 ) 基于单颗粒的粉碎模型：此模型将粉碎看作一种功能转换过程，研究表明， 粒度的变化与单位重量的颗粒所消耗的能量成正比，与原料粒度的某种函数成反 比。在这一模型的基础上提缝了面积学说、裂缝学说和体积学说，这类模型揭示 了物料强度、粒度与产品粒度及功耗等重要因素之闯豹关系。 6 江苏大学硕士学位论文 2 ) 基于粒群理论的粉碎模型：此模型将粉碎过程当作一个物理能耗过程，希 望通过数学模型对粉碎设备中的粉碎过程进行接近真实状态的模拟，此模型中认 为颗粒满足某种函数分布，主要分为动力学模型和输运模型。 3 ) 其他模型：除上述模型外，还有只适用于某类粉碎机粉碎过程的模型，如 随机模型、基于粒群理论的力学模型等。 3 切割粉碎机理【1 4 1 本文研究的切割粉碎设备的粉碎机理是通过设备中产生的剪切力和压力使分 散在混合物料中的分散相颗粒产生破碎，而粗颗粒的破碎主要靠剪切作用。流场 中的剪切力和压力分别是由湍流效应和空穴效应引起的，流体力学研究表明无因 次韦伯准数矾和分散相与连续相粘度之比尺是引起颗粒变形与破碎的主要原因。 韦伯准数计算公式如下： w e ：p u t 2 x ( 1 1 ) 式中：甜为脉动速度均方值，石为粒径，o 为界面张力。册吧为湍流张力( 又称 为雷诺张力) ，其大小代表了湍流强度。 一般我们假设切割头内流场中的湍流为各向同性湍流，那么式( 1 1 ) 中的脉动 速度二重相关量矿可由下式计算： u “= 墨9 2 7 3 x 2 7 3( 1 2 ) 式中局为常系数，g 为耗散能量，耗散能量s 与转速 和切割头内等效直径噍有 关，其关系式如下： so c1 3 d 。2 ( 1 3 ) 切割头内等效直径以与微型切割头直径d 的关系为： d 。= k 。d ( 1 - 4 ) 式中恐为等效系数，由实验确定。 将式( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 代入式( 1 ) 得： w e ：茎! 缨：垡竺兰竺0 - 5 ) h i n z e 研究指出，韦伯准数存在一个临界值，它是分散相与连续相粘度之 比尺的函数，当在湍流应力作用下的韦伯准数大于该临界值时颗粒就会破碎。 7 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 物料粉碎完成后，检验粉碎效果的最重要的评价指标是颗粒细度。在研究中 常用的描述颗粒细度的工程参数是比表面积s 。所谓比表面积是指单位质量微粒的 表面积之和，s = 6 和，单位为m 2 k g ，其中d 为颗粒直径( m ) ，p 为颗粒材料的 密度( 蚝m 3 ) 。 1 4 本文研究主要内容 本文通过c f d 技术分析焦油渣切割泵内部流场的特性，同时对样机进行试验 研究。文中所研究切割泵的主要参数为：流量：q = 2 8 m 3 t l ，扬程：h - 8 m ，转速 n - - 1 4 7 0 r m i n ，转子外径d = 2 3 0 r a m 。具体的研究内容有以下几方面： ( 1 ) 分析焦油切割泵内清水流场计算采用的控制方程、湍流模型、边界条件及 数值计算方法。在此基础上对切割泵转子、定子、蜗壳及其他部件进行实体建模 和网格生成。 ( 2 ) 运用c f x 软件进对焦油渣切割泵行性能预测，并通过试验验证。将预测 结果与试验结果进行对比。 ( 3 ) 选择合理的计算模型及两相流模型，对泵腔内固液两相流场进行数值模拟 研究，获得速度、压力及颗粒浓度分布等信息。 ( 4 ) 改变定子槽倾斜角度，对改变后的两组焦油切割泵模型固液两相流场的数 值模拟，观察定子槽倾斜角度对泵内固液两相流场的影响。 ( 5 ) 对焦油渣切割泵进行非定常数值模拟，研究不同时刻的速度、压力分布， 并分析其压力脉动特性。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章切割泵单相流场数值模拟 焦油渣切割泵主要用于对物料的切割粉碎，但工程应用也有一定的扬程要求， 因此，为了验证切割泵扬程和效率是否满足工程应用的需要，采用c f d 方法对焦 油切割泵进行清水流场的数值模拟，分析其内部流场，对其性能进行预测，将预 测得到的扬程与效率与试验所得数据进行比较。 2 1 计算流体动力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是建立在经典流体动力 学与数值计算方法基础之上的- - f - j 新型独立学科，通过计算机数值计算和图像输 出显示，在空间和时间上定量描述流场的数值解，对包含有流体运动和热传导等 相关物理现象的系统进行研究分析。 计算流体动力学涉及计算机科学、流体力学、偏微分方程的数学理论、计算 几何、数值分析等多门学科，是一门多领域交叉学科，于2 0 世纪中叶得到迅速的 发展【1 5 】。c f d 最早运用于汽车制造业、航天工业及核工业，用离散方程解决空气 动力学中的流体力学问题【1 6 1 。目前经过半个世纪的迅猛发展，在航空航天、能源、 冶金化工、海洋结构、食品工程、水利、环境和核能等众多领域也得到了广泛的 应用。c f d 的基本思想是：用有限的离散点代替原来在时间域和空间域上连续分 布的物理量场，并依据一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关 系的方程组，然后求解代数方程组获得各离散点场变量的近似值【1 7 , 1 8 l 。 2 1 1 基本控制方程 流体运动必须遵循物理学中的三大基本守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律。控制方程是对这些守恒定律的数学描述，分别称为质量守恒 方程( 亦称连续方程) 、动量守恒方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 和能量守恒方程【1 9 1 。 连续性方程：挈+ 型尘：0 ( 2 1 ) 动量方程：昙妇小毒b i u j ) = 一瓦c 3 p + 云l ( 考+ 善) + 墨c 2 - 劲 9 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 以2 + h ( 2 。3 ) 对于稳态不可压流动，上述方程组可简化为： 连续性方程：警= o ( 2 - 4 ) 彩。 动量方程：毒小三p 至o x , = 毒悟+ 等卜础；蝇 ( 2 固 式中，以为湍流粘性系数；为分子粘性系数；以为涡粘性系数：啦，h ，( f ，j = l ， 2 ，3 ) 为各时均速度分量；鼍( z ，j = a ，2 ，3 ) 代表各坐标分量；p 为流体的时均压力； 矿为流体的运动粘性系数；矿为流体密度；u l u ：为未知r e y n o l d s 应力分量；s ，是 动量守恒方程的广义源项。 畿量守恒擒掣咧加= 水胛寸爵 ， 其中，c ，是比热容，t 是温度，更为流体的传热系数，s ，为流体的内热源及由予粘 性作用流体机械能转换为热能的部分，简称为粘性耗散项。s ，的表达式见参考文 献【1 9 】。 以上所列公式均为瞬态控制方程，但目前工程上所用的控制方程一般要进行 时均化处理，时均化后的控制方程为： 连续方程：望+ 掣：o r 3 t ( 2 - 7 ) t i tc 瞄 动量方程：昙佩) + 毒氟) 毒+ 毒卜善一面1 氆 g 一龄 2 1 2 湍流数值模拟方法 目前处理湍流数值计算问题的方法主要有：直接数值模拟方恶k ( d k e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 、大涡模拟方法( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 和雷诺 时均n s 方程( r e y n o l d sa v e r a g en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，气n s 方法嘟玎。 1 直接数值模拟方法 直接数值方法就是直接利用用瞬时n a v i e r s t o k e s 方程对湍流进行计算，这种方 法无需对湍流流动作任何简化或近似，能对湍流流动中最小尺度涡进行求解，但 1 0 江苏大学硕士学位论文 是如果所要计算的湍流运动特别复杂，要想分辨出湍流中详细的空间结构及变化 剧烈的时间特性，所采用的时间和空间步长必须要足够小，这样的话，对计算机 的要求就非常高，目前还无法用于真正意义上的工程计算【2 2 2 3 1 。 2 大涡模拟方法 大涡模拟( l e s ) 【2 4 2 5 】：l e s 是把包括脉动运动在内的湍流瞬时运动量通过某种 滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度的涡获得能量并将得到 的能量通过相互作用传递给小尺度涡，小尺度的涡主要作用是耗散能量；大尺度 的涡是高度各向异性，且随流动的情形而异；小尺度涡几乎是各向同性的，且不 同流动中的小尺度涡有许多共性【2 6 期。用瞬时的n s 方程直接模拟湍流中的大尺 度涡，而小尺度涡对大尺度涡的影响则通过建立近似的模型来模拟。l e s 是目前 c f d 研究和应用的热点之一，在未来的流体数值模拟计算中大涡模拟会得到更广 泛的应用【2 8 。1 1 。 3 雷诺时均n s 方程方法 r a n s 方法是求解时均化的r e y n o l d s 方程，该方法是目前使用最广泛的湍流 数值模拟方法【3 2 1 。r a n s 方法中关于湍流脉动值的雷诺应力项属于新的未知量， 要使方程组封闭，需要建立新的湍流模型方程把湍流脉动值与时均值等联系起来。 目前对雷诺应力的假设或处理的湍流模型主要有雷诺应力模型和涡粘模型两种。 雷诺应力模型直接建立微分方程式并求解，可以有效解决旋转与大曲率壁面的湍 流；涡粘模型引入湍动粘度p 3 】来计算湍流应力，然后将湍流应力表示为湍动粘度 的函数，因此，计算湍流流动的关键就在于如何确定湍动粘度。 2 1 3 湍流数值计算模型 在雷诺时均n s 方程中需要建立新的湍流模型来封闭方程组，而目前没有特 定的物理定律可以用来建立湍流封闭模型，只能以大量实验数据为基础建立湍流 静压模型，使方程组封闭，然后经过学者的不断修正和改进，发展为通用的湍流 模型。目前常用的湍流模型有层流模型、一方程模型、两方程模型、雷诺应力模 型、大涡模型及s s t 模型等，其中两方程的肛f 湍流模型得到了最广泛的应用。 标准缸占模型是l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的1 3 4 1 ，其中湍动能k 和湍 动耗散率占是两个基本未知量，其中占定义为： 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 = 氖斟矧 老和与之相对应的输运方程分别为： 型a t + 掣= 冰+ 纠针伍竹胆小瓯 酝 觑爪。嚷夕l 叫 一一7 掣+ 掣= 毒纠讣g 。妻蛾+ 乞砂p 和哪) 穰 魄 缸jll 。 t j 瓠j 玷詹、 雏 砧后 、7 式中：繇为平均速度梯度所引起的湍动能产生项；酝为浮力所引起的湍动能产生 项，对不可压流体g b = o ；为可压湍流中脉动扩张的贡献项，对不可压流体y m = o ； 吒、t 为七和占对应的p r a n d t l 数；s ps 。为用户自定义源项；g 。、c 知、c 3 。均 为常数；从为湍动粘度，可表示成湍动能七和湍动能耗散率g 的函数： 哆t ：薛p 芝 譬 ( 2 1 2 ) 其中标准k - e 模型中的常数默认为g 。= l 。4 4 ，c 拓= 1 9 2 ，g ，：o 。0 9 ，o t = 1 0 ，吒= 1 3 。 2 1 4 边界条件和初始条件 所有c f d 数值计算都需要有边界条件，瞬态问题计算中还需要初始条件。边 界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其一阶导数随时闻和地点的变化规 律。初始条件是指流动区域内各计算点的所有流动变量的初值。 l ) 边界条件 在c f d 模拟时，基本边界条件有： 1 。流动进口边界：常用的进疆边界有速度进口、压力进口、质量进口，它是 指在进口处指定流动参数的情况。在设置进口边界条件时，需要特别考虑下绝对 压力、湍动能及耗散率这些流动参数。 2 流动出口边界：常用的出口边界包括速度出口、压力出口等，它是在几何 出口处指定流动参数的情况。出口一般要设在远离几何扰动的地方，使用时要综 合考虑流动进口边界条件。 3 壁面边界：壁面边界条件用于限潮流体和固体区域。 4 恒压边界：在流动分布信息未知，边界压力值已知的情况下，使用恒压边 界条件。 江苏大学硕士学位论文 5 对称边界：当所求解问题在物理上存在对称性时应用此边界。 6 周期性边界：流动区域可划分为几个同样的子域，主要针对对称问题提出 的，在子域的起始边界和中止边界上，就是周期性边界。 2 1 初始条件 在瞬态问题中，除了要在计算开始之前初始化相关的数据外，不需要其他特 殊处理。给定初始条件时要注意的是：要针对所有计算变量，给定整个计算域内 各单元的初始条件；初始条件一定是物理上合理的，要靠经验或实测结果。 2 2 网格生成技术 任何数值模拟软件的数值计算均是以计算区域的离散为基础的，因此在进行 数值模拟计算前需要先进行计算区域的网格划分。网格划分是计算流体力学( c f d ) 的重要组成部分，网格质量对c f d 计算精度和计算效率有很重要的影响，因此， 有必要对网格生成方式给以足够的关注。 算区域划分为许多个互不重叠的子区域， 计算区域离散化是指将空间上连续的计 并确定每个区域中节点的位置及 其所代表的体积，从而生成网格，然后将控制方程在网格节点上进行离散，即将 偏微分格式方程转化为各个节点数的方程组；这种对计算区域进行离散以生成网 格的方法，称为网格生成技术【3 5 1 。 目前，对复杂外形的网格生成技术主要从结构网格和非结构网格两个不同的 方向进行了研究 3 6 _ 3 9 】。 2 2 1结构化网格 结构化网格在网格系统中节点排列有序、每个节点与邻点的关系固定不变， 适于流体和表面应力集中等方面的计算，较易实现区域的边界拟合。结构网格的 优点是概念简单、生成方便、网格生成质量好、易于自动化；缺点是对不规则边 界适应性差。目前结构网格生成方法主要包括保角变换法、代数法【加】和微分方程 法【4 1 4 2 】。 2 2 2 非结构化网格 非结构化网格在网格系统中节点的编号命名并无一定规则，甚至是完全随意 的，而且每一个节点的邻点个数也不是固定不变的，能更好的处理边界。非结构 焦油渣切割泵内部流场的数值模拟 网格生成方法主要有前沿推进法【4 3 1 和d e l a u n a y 三角形化方法 4 4 1 及其他一些方法， 如八叉树方法【4 5 1 。 2 2 3 结构化、非结构化混合网格 近年来，随着边界复杂程度的提高，结构和非结构混合网格技术越来越得到 人们的重视，得到了迅速的发展，被广泛应用。 2 2 4 网格划分软件 目前常用的网格划分软件有i c e mc f d 和f l u e n t 的前处理软件g a m b i t 。本文 中采用网格划分功能强大的i c e mc f d 软件对焦油切割泵进行网格划分。i c e m 软 件可以划分结构与非结构网格，并且可以通过对面、线的网格尺寸的调节来实现 对局部区域的网格加密 4 6 , 4 7 。采用i c e mt e t r a 工具进行网格划分【4 8 , 4 9 1 ，网格划分 完成后，通过网格质量检查功能对网格质量进行检查，并通过网格光滑功能对已 划分网格进行均匀化处理，提高网格质量。采用i c e m 进行网格划分的具体步骤 为： 1 将建立的三维模型以s t e p 格式导入i c e m 中，并对模型进行检查； 2 定义p a r t ，将模型中的面根据需要定义成不同的p a r t ； 3 定义网格大小，进行网格划分； 4 检查网格质量，光滑网格； 5 输出网格文件。 2 2 5 网格无关性 数值计算的与实验值之间的误差来源主要有这几个：物理模型近似误差、离 散误差、迭代误差、舍入误差等等【5 0 】。物理模型近似误差主要指是否考虑了流体 粘性以及流动的定常与否等，