（机械制造及其自动化专业论文）基于多相流技术的立式磨磨腔流场分析.pdf

1 1 1 1111iii ii l l li ll i i l 17 4 7 6 6 5 a n a l y s i so f t h ef l o wf i e l di nv e r t i c a lr o l l e rm i l l c h a m b e rb a s e do nm u l t i p h a s ef l o wt e c h n o l o g y s u n y e w a n g u n d e rt h es u p e r v i s o ro f p r o f z ex i a n g b o at h e s i ss u b m i t t e dt ou n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y3 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：难日期：也 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之学导师签名：链日期：灶 济南大学硕 ：学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c l v 第一章绪论1 1 1 课题的工程背景、目的和研究意义1 1 2 国内外多相流理论在粉体加工中的应用2 1 3 论文主要内容4 第二章立式磨气固两相流理论基础5 2 1 立式磨粉体输运过程和气固流场数值计算5 2 1 1 立式磨粉体输运过程5 2 1 2 立式磨气固流场数值计算6 2 2 气固两相流输运理论7 2 3 本章小结8 第三章立式磨粉体输运磨腔流体模型9 3 1 立式磨粉体输运两相流建模方案9 3 2 立式磨磨腔三维简化流体几何模型9 3 3 立式磨磨腔流体网格模型1 0 3 3 1f l u e n t 软件使用及介绍1 0 3 3 2 磨腔气固两相流网格模型1 3 3 4 本章小结1 4 第四章磨腔气固两相流数值模型分析1 5 4 1f l u e n t 数值分析1 5 4 1 1f l u e n t 多相流模型分析1 5 4 1 2f l u e n t 湍流模型分析1 6 4 1 3f l u e n t 离散化格式1 7 4 2 磨腔气固流场数值模型1 8 4 2 1 磨腔流场多相流数值模型1 8 4 2 2 磨腔流场湍流模型1 9 基于多相流技术的市式磨磨腔流场分析 4 3 本章小结1 9 第五章立式磨磨腔气固流场模拟分析2 l 5 1 边界和算法设置2 1 5 2 磨腔粉体输运气固流场分析概述2 1 5 3 气固两相流耦合场分析2 2 5 3 1 气固两相流耦合场的速度矢量分析2 3 5 3 2 不同进风量时耦合场的速度和压强数值分析2 5 5 4 选粉机边壁对粉体输运气固流场的影响3 2 5 4 ：1 粉体输运局部流场速度矢量分析3 2 5 4 2 粉体输运局部流场速度和压强数值分析3 4 5 5 本章小结4 1 第六章立式磨磨腔流场工程分析与结构改造4 3 6 1 磨腔气固流场测量方法4 3 6 1 1 磨腔流场测量方法分析4 3 6 1 2 皮托管的功能分析：4 4 6 2 立式磨气固流场工程分析4 5 6 2 1 粉体输运流场的数据采集方案4 5 6 2 2h r m 磨腔样机流场工程分析4 6 6 3 立式磨磨腔结构改造与流场分析4 8 6 3 1 磨腔结构改造4 8 6 3 2h r m 立式磨结构改造流体模型4 8 6 3 3 磨腔结构改造流场分析4 9 6 4 本章小结5 2 第七章结论与展望5 3 7 1 论文结论5 3 7 2 论文展望5 4 参考文献5 5 致谢6 1 附录：攻读硕士学位期间的科研成果6 3 济南大学硕卜学位论文 摘要 为了研究立式磨粉体输运过程的流场情况，探究立式磨结构对粉体输运过程的 影响。针对立式磨粉体输运过程和立式磨结构特点，论文采用s o l i d w o r k s 和计算流 体动力学( c f d ) f l u e n t 软件创建了立式磨粉体输运过程的三维磨腔简化流体模型。 依据c f d 和工程流体动力学理论，采用m i x t u r e 多相流模型和r s m 湍流模型 分析磨腔流体粉体输运过程的气固两相流流场，研究结果表明：立式磨磨腔流场具 有明显的三维旋转流动特点，磨辊与磨盘交互影响区流场主要体现为剧烈的湍流脉 动特点，这一区域成为气固流体耦合的主要场所。磨盘与壳体壁面交互区具有高速 流场，磨辊与选粉机边壁影响区流场主要体现为旋转流动的特点。选粉机边壁区流 场物理量参数变化特点基本符合流体连续性定理和伯努利定律，说明随着流场旋转 壁面影响的逐渐减小，流场运动稳定性逐渐增强。气固流场具有部分范围内的脉动 不对称特点，流场近壁面湍流具有线性变化的特点。 随着立式磨进风量的增加，气固两相流的速度和压降都明显增大。两相流速度 和压降的增大有助于促进立式磨粉体输运过程。同时，高速流体的较大惯性力进一 步造成了耦合区流场的湍涡增多现象，会增强磨腔内部阻力并延迟粉体输运过程， 增加电耗。进风量对选粉机固定边壁区流场压强的影响说明磨腔流场湍流物理量的 脉动现象不仅与流体惯性力有关，而且受到磨腔边壁条件属性的较大影响。 结合立式磨磨腔流场分析结果，对工程机械流场普遍使用的测量方法进行了工 作原理及流场理论应用分析，确定了立式磨流场工程测量方法与检测方案。整合立 式磨流场工程数据与仿真结果，对立式磨粉体输运流场进行工程分析。分析结果验 证了m i x t u r e 多相流模型和r s m 湍流模型可以有效分析具有较强湍流脉动特点的三 维旋转多相流流场。分析表明不同进风量边界条件下的磨腔流场物理参数差异显 著。流场工程分析揭示了立式磨粉体输运效率的提高需要根据立式磨的运行情况适 当调整。根据磨腔结构边壁对流场的影响情况可知粉体输运效率的提高不能单凭调 整进风量来实现，还需要结合立式磨局部结构改造。 根据磨腔流场的仿真结果与工程分析，本文提出立式磨结构改造主要侧重磨 盘、磨辊以及选粉机结构的改进。针对选粉机结构，设计了灰斗锥体的改造方案。 根据改造方案，建立了改造后的磨腔流体样机模型，并对样机模型流场进行了分析。 i i i 幂r 多相沉技术的市式磨磨腔流场分析 曼曼毫曼曼皇鼍曼曼曼曼曼皇曼鼍皇曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼蔓! 曼! 曼曼曼i i _ 一i ! 曼曼曼鼍皇皇篡 分析表明通过对灰斗结构的改造，流场湍流脉动及流动延迟现象减少，纵向区位流 场湍涡现象降低较大，有利于粉体输运过程。h r m 立式磨结构改造的流场分析结 果进一步验证了磨腔气固流场的理论分析，夯实了磨腔气固流场理论分析对立式磨 优化设计的借鉴与指导作用。 关键词：立式磨；粉体输运；两相流；计算流体动力学；工程分析；结构改造 i v 济南大学硕i j 学位论文 a b s t r a c t t h ef l o wf i e l do fp o w d e rt r a n s p o r t a t i o np r o c e s si nt h ev e r t i c a lr o l l e rm i l lw a s a n a l y z e dt os t u d yt h ee f f e c to fm i l l s t r u c t u r eo nt h ep o w d e rt r a n s p o r t a t i o np r o c e s s s o l i d w o r k sa n dc 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 ) f l u e n ts o f i w a r e sw e r eu s e dt o c r e a t et h r e ed i m e n s i o n a lf l o ws i m p l i f i e dc h a m b e rm o d e lo ft h ev e r t i c a lr o l l e rm i l l p o w d e rt r a n s p o r t a t i o no nt h eb a s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s sa n d m i l ls t r u c t u r e b a s e do nt h ec f dt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n gf l u i dd y n a m i c st h e o r y , m i x t u r e m u l t i p h a s e f l o wn u m e r i c a lm o d e la n dr s mt u r b u l e n tn u m e r i c a lm o d e lo fc f d t e c h n o l o g yw e r ec h o s et os t u d yt h et r a i t s o ft h eg a s - - s o l i dt w o p h a s ef l o wf i e l di nt h e v e r t i c a lr o l l e rm i l lc h a m b e r t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h e r ei sv i s i b l e3 一dr o t a t i o n t u r b u l e n tf l o wi nt h ec h a m b e rf l o wf i e l da n dt h e r ei si n t e n s et u r b u l e n tp u l s a t i o ni nt h e t a b l e - r o l l e rf l o wf i e l dt ob et h em a i ng a s s o l i df l o wc o u p l i n gf i e l d t h e r ei sh i g hs p e e d f l o wi nt h et a b l e - s h e l lf l o wf i e l da n dt h e r ei s o n l y r o t a t i o nf l o wt r a i ti nt h e r o l l e r - s e p a r a t o rf l o wf i e l d w h a ti sm o r e ，t h ep a r a m e t e r sf e a t u r e si nt h ef l o wf i e l dn e a r t h es e p a r a t o rw a l lb o u n d a r ys u i t a b l ef o rt h eh y d r o d y n a m i c sc o n t i n u i t yt h e o r ya n dt h e b e r n o u l l ie q u a t i o nf l u i dt h e o r ys h o wt h a tt h el e s st h er o t a t i o nw a l lb o u n d a r i e s ，t h em o r e s t e a d yt h eg a s - s o l i df l o w a n dt h e r ea r ea s y m m e t r yf e a t u r e si nt h ep a r t i a lf l o wf i e l da n d l i n e a rc h a r a c t e r i s t i e sn e a rt h ew a l lb o u n d a r i e si nt h ec h a m b e rf l o wf i e l d w i t ht h ei n c r e a s eo fg a sf l u xo fv e r t i c a lr o l l e rm i l l ，t h ep r e s s u r ed r o pa n dv e l o c i t yo f t h eg a s s o l i df l o wa r ei n c r e a s e d t h eh i g h e rs p e e da n dp r e s s u r eb e n e f i tt h ep r o c e s so f p o w d e rt r a n s p o r t a t i o n b u ta tt h es a m et i m e ，t h et r a n s p o r t a t i o np r o c e s sw i l lb es l o w e r a n dt h ed i s s i p a t i o no fi n t e r n a lf r i c t i o nf o r c ea n de n e r g yi nt h em i l lw i l lb ei n c r e a s e dd u e t ot h em o r et u r b u l e n tv o r t e x e si n d u c e db yt h eh i g h e ri n e r t i af o r c eo ft h eh i g h e rs p e e d f l o w t h ea n a l y s i so ft h ef l o wp r e s s u r en e a rt h es e p a r a t o rw a l lf l o wf i e l du n d e rt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tg a sf l u x e ss h o w st h a tg a s - s o l i dt u r b u l e n tp u l s a t i o ni sn o to n l y r e l a t e dt ot h ef l o wi n e r t i a lf o r c e ，b u ta l s or e l a t e dt ot h ef l o ww a l lb o u n d a r i e s c o m b i n e dw i t ht h es t u d yo nt h ec h a m b e rf l o wf i e l d , t h ep r i n c i p l e so fa p p r o a c h e s v v i 济南大学硕i j 学位论文 第一章绪论 1 1 课题的工程背景、目的和研究意义 立式磨和传统球磨相比，效率高、磨耗少、电耗低，一般节省3 0 的耗电量。 立式磨建设费用低，与球磨机相比占地面积可减少5 0 ，建设费用减少7 0 左右。 并且立式磨噪音低、粉尘污染小、操作方便，特别是自从将加压设备改进为液压系 统后，其整体性能更加优越，立式磨起到了很好的社会经济效益，逐渐成为粉磨领 域的主要生产设备。目前，国外立式磨型主要有德国p f e i f f e r ( 非凡) 公司的m p s 磨， 德国l o e s c h e 公司的莱歇磨，德国k r t d ( 洪堡) 公司生产的v r 磨、p o l y s i u s ，丹麦f l s ( 史 密斯) 公司的a t o x 磨，日本石川岛播重工业株式会社( i h i ) 研制的生产非金属矿物 超细微细的i h i 立式磨，日本神户制钢与小田野水泥公司共同开发的粉磨水泥熟料 和矿渣的o k 磨。国内主要是天津院的t r m 磨，合肥院的h r m 磨和沈阳重型矿山机 械工程公司开发的m l s 磨等【1 4 】。 立式磨作为我国粉体加工行业的重要设备，在现代化建设中发挥着重要的作 用。伴随国家可持续发展战略和构建和谐社会的要求，立式磨的大型化和高效能进 程成为行业发展的主要方向。促进立式磨的高效节能成为建材机械行业的关键问 题，也是适应国家工业化路线要求和提高国际建材行业竞争力的必由之路。然而， 国内立式磨的发展较国外滞后较多，设备生产能力的提高主要通过仿形国外产品进 行结构尺寸改造。随着建材设备大型化的发展趋势，单一的仿形制造方法出现瓶颈。 立式磨存在设计冗余，工艺参数不合理，效率较低，结构创新难以推进的窘况。立 式磨的改造过程特别需要相关科学研究的技术指导，迫切需要通过立式磨粉体流场 的研究来探究立式磨生产过程的疑难问题。 在立式磨工作过程中，粉体输运和分离效率直接影响整个立式磨的工作效率， 其粉体分离多相流的研究关系到粉体制造业的发展前景【4 卅。长期以来，限于立式磨 内部粉体运动的多变性、难测量性、计算设备的落后性和相关粉体分离理论的不成 熟，国内外立式磨粉体研究只能集中在样机实验状态，颗粒分离关键性的流态运动 研究长期处于静止状态。2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术快速发展以及粉体分 离理论的不断涌现，国内外关于粉体分离气固两相流研究已经在旋风分离器和煤粉 基于多相流技术的市式磨磨腔流场分析 量曼曼曼曼曼曼曼寡曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇i i 一一 一。一- m m ；m i 。i i i i 一一i 鼍曼曼量! 曼舅曼鼍曼! 皇曼葛 粗粉选粉机中比较成功地应用。立式磨粉体加工过程的流场研究成为立式磨技术研 究的关键问题【7 - 9 。文章研究的立式磨粉腔内输运过程的流场状况分析将有利于立式 磨生产过程的技术改造。同时，粉体输运气固流场属于复杂的多相流研究问题，其 采用的多相流数值分析方法可以推广到冶金、煤炭等相关问题的分析环节。 1 2 国内外多相流理论在粉体加工中的应用 气固流场的研究主要j h 2 0 世纪3 0 年代开始，伴随社会相关行业的发展，气固流 场从理论研究到工程研究应用主要分为三个阶段：2 0 世纪3 0 年代至8 0 年代粉体流场 的理论分析和实验研究；2 0 世纪8 0 年代到2 0 世纪末，粉体流场c f d 单相流数值模拟 研究；2 0 0 0 年至今，粉体流场气固两相流数值模拟试验分析。从气固流场的工程研 究应用角度主要体现为气固典型分离器的分析应用到流化床、选粉机等行业的扩展 应用。 ( 1 ) 2 0 世纪3 0 年代至8 0 年代粉体流场的理论分析和实验研究。范登格南于 1 9 2 9 1 9 3 9 年期间对旋风分离器的气流型式进行了广泛研究。他发现在旋风分离器 中存在双涡流。其后，西菲尔德和拉普尔于1 9 3 9 年报告了对旋风分离器中气流型式 的研究结果。1 9 5 6 年，b a r t h 对当时的旋风分离器建模和实验。提出了计算器壁速度 和控制圆筒体上切向速度的b a r t h 平衡轨道模型，成为旋风分离器研究先驱。实验得 出了经典的b a r t h 切割粒径拟合的粉体分级效率曲线( s 曲线) 。1 9 5 9 年，r i e t e m a 模 型，第一次将压降考虑为颗粒分离效率的影响因素。1 9 6 2 年，勒沃伦把不可压缩流 体的连续性方程和n s ( n a v i e r - s t o k e s ) 方程在圆柱坐标系和轴对称定常流动情况下 进行了简化，通过引入流函数和环量，得到了强旋转简化层流模型。1 9 7 5 年，布洛 尔、因格罕运用普朗特提出的混合场理论确定湍流表观粘度，并对水力旋流器流场 进行了分析，建立了适合于工程应用的初级湍流模型【n 1 9 1 。国内主要从2 0 世纪7 0 年 代开始研究，中科院力学研究所、上海化工研究院首先在旋风分离器模型上，用五 孔球形探针及热线风速仪对进行了测试。2 0 世纪8 0 年代，许宏庆用双色激光多普勒 测速仪进行了旋风分离器测试。这些流场测试图呈现出的规律大致与特林丹所得结 果相同，但他们都认为非对称的切向进口造成了涡流中心与几何中心不一致，径向 速度分布呈现非轴对称性等现象，同时还证实了上涡流的存在 2 0 - 2 5 。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 年代到2 0 世纪末，粉体流场c f d 单相流数值模拟研究2 0 世纪 8 0 年代，随着计算机技术的迅速发展并且在科研部门的广泛应用，国外对于分离器 2 济南人学硕f ：学位论文 的流态研究开始进入c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 领域。迅速出现了众多计 算模型，并且广泛在研究领域推广。1 9 8 2 年，b o y s a n 首次将c f d 技术用于模拟旋 风分离器的气相流场。波夷萨等人利用若迪推得的关于雷诺应力的近似代数关系 式，得到了高级湍流模型，用这些模型计算得到的切向速度数值解与实验测定结果 吻合得较好。并在1 9 8 6 年提出了介于a s m ( a l g e b r a i cs t r e s se q u a t i o nm o d e l ) 和 r s m ( r e y n o l d s s t r e s se q u a t i o nm o d e l ) 之间的混合模型( m i x t u r em o d e l ) 。1 9 8 5 年， 随着第一届国际多相流国际会议在美国的召开，理论研究开始逐渐与工业生产结 合。颗粒分离逐渐趋于分离效率研究。m o t h e s 和l o f t i e r 经过较全面的研究，提出 了m o t h e s l o f t i e r 模型。指出在分离器排气管下口有短路流，从而大大影响分离效 率，并提出偏心流现象。1 9 9 2 年，罗宁根大学的h o f f m a n n 、s a n t e n 和a l l e n 等人对 粉尘浓度、压力降与分离效率之间的关系进行了研究认为：当粉尘浓度增加时，压力 降和分离效率都将增加，力降、分离效率和粉尘浓度之间的相互影响变化与s m o l i k 和z e n z 根据他们丰富的工作经验所得出的结论完全一致。1 9 9 7 年，s m f r a s e r 、 a m a a b d e lr a x e k 和m z a b d u l l a h 等人用修正过的k s 模型对分离器内的速度 矢量分布作了研究，所得结果与实际测量结果基本吻合【2 7 】。2 0 世纪9 0 年代末期， 上海理工大学动力工程学院也在这方面作了一些研究，他们认为在分离器中心处存 在滞流和回流现象，进一步验证了范登格南和特林丹的理论。1 9 9 9 年，孙国刚用智 能型五孔球形探针系统地对涡轮式离心气流分级机内全范围流场进行了测量和分 析。实验测得的该流场不同于一般的切流式旋风分离器或的旋转流场，它是由于顶 部分级轮产生的强旋流和底部风筛切向进气迭加而综合形成鲥3 s - 4 5 。 ( 3 ) 2 0 0 0 年至今，粉体流场气固两相流数值模拟试验分析。2 0 0 0 - - 一2 0 0 1 年，浙 江大学热能工程研究所和华中科技大学煤燃烧国家重点实验室应用三维颗粒动态 分析仪( 3 dp d a ) 对方形下排气分离器内的气固两相流场进行了测试，得到了几种工 况条件下的流场矢量分布。研究发现分离器方腔内的流场偏离其几何中心，并呈中 间为强旋流动和边壁附近为弱旋的准自由涡区的特点，且在边角处存在局部小旋 涡。从而验证了国外同行所有成熟的研究理论。2 0 0 3 年，中科院工程热物理研究所 王海刚分别采用r n g k 一占、标准k - - 6 、r s m ( s s g ) 模型分析研究了旋风分离器 气固流场，证明了s s g 的优越性。2 0 0 4 年，武汉理工大学黎国华对涡轮分级机笼 型叶片间气固流场首次采用双方程模型进行分析。2 0 0 4 年，北京化工大学张宇研究 了涡流空气分级机分级过程中由于颗粒细化而导致在t r o m p 曲线上产生“鱼钩效 基于多相流技术的立式磨磨腔流场分析 应”，导致分级效率降低。根据实验分析了在涡流空气分级机分级中，分级转笼转 速、进口风速、给料固体浓度以及给料粒度对“鱼钩效应”的影响。2 0 0 4 年，吉林大 学以数值模拟为基础研究了粗粉分离器内部的气固两相流动，找出影响粗粉分离器 效率及分离器阻力的因素。同时在煤粉分离领域，应用气固两相流理论，采用最新 的三维数值模拟理论，介绍了具有复杂几何结构空间的气固两相流动的模拟技术。 2 0 0 5 年，周力行，张夏等分析了分离器壁面粗糙度对粉体流场的影响。2 0 0 6 年， 北京科技大学郝雪弟、卞致瑞，初步研究分析了立式行星磨磨腔内部的气固流场特 点【4 8 1 。近年来，气固流场的研究领域不断扩大，借助计算机c f d 软件技术的工 程应用已经在国内外广泛推广。特别是c f d 气固流场研究的低成本性、便捷性、 可操控性和直观性使极端环境下的工程研究步入新的快车道。 1 3 论文主要内容 本课题以立式磨磨腔气固流场为研究对象，拟以s o l i d w o r k s 和f l u e n t 软件为研 究工具。针对立式磨粉体加工和输运过程，建立立式磨粉体输运过程的磨腔流体几 何模型，并依据计算流体动力学和工程动力学理论方法对流体模型进行分析研究。 全文共分六章。 第一章分析课题研究的工程背景及意义，综述国内外相关领域的研究概况。 第二章分析立式磨的粉体输运过程和气力输运粉体的科学原理，并根据立式 磨的相关工艺参数计算分析立式磨粉体输运流场的基本流态参数。 第三章根据立式磨结构，利用s o l i d w o r k s 和f l u e n t 软件构建立式磨粉体输运 过程的气固磨腔流体模型。 第四章分析立式磨气固两相流的数值模型，确定流场分析数值模型方案。 第五章对立式磨气固两相流的数值模型进行仿真分析，研究立式磨结构和工 艺参数对粉体输运流场的影响。 第六章对立式磨气固流场进行工程分析，验证了立式磨磨腔流场仿真结果； 并进一步对立式磨结构进行改造以及分析了立式磨局部结构改造的流场情况。 第七章结论与展望。 4 济南人学顶 j 学位论文 第二章立式磨气固两相流理论基础 2 1 立式磨粉体输运过程和气固流场数值计算 2 1 1 立式磨粉体输运过程 本文以h r m 立式磨为研究对象，其主要结构如图2 1 所示，工况参数如表2 1 所示。立式磨粉体输运过程：物料从进料口4 进入磨腔，落到磨盘2 表面。落入磨 盘上的物料在旋转磨盘的离心力作用下进入磨辊与磨盘间的粉碎区。粉碎后的细颗 粒受到磨盘的离心力作用被甩出，并被立即包裹在从进风口l 进入的高速气流中。 细粉被上升气流冲散带走，进入选粉机5 内被充分筛分，筛分出的细粉通过出料口 6 排出。粉体颗粒在立式磨粉腔内上升过程中由于受到重力作用，少部分较大的颗 粒首先分离出来；其余颗粒被带入到选粉机内，进行充分分离。选出的细粉排出磨 外，余下部分重新返回到磨盘上，继续粉碎。由于细粉的及时排出，所以物料的过 粉碎现象和细粉的软垫层缓冲作用可大大降低。所以，粉体输运与分离直接影响立 式磨的生产效率。立式磨的气固耦合流场研究成为分析立式磨粉体输运特性的重要 途径。 1 气体入口，2 一磨盘，3 - 磨辊，禾物料入口，5 进粉机，6 出口，7 灰斗 图2 1h r m 立式磨结构示意图 基于多相流技术的立式磨磨腔流场分析 2 1 2 立式磨气固流场数值计算 ( 1 ) 确定磨腔流场流动状态 根据立式磨磨腔结构特点，将磨腔流场归于加压导管中的定常流问题分析。根 据流体雷诺数的不同可以将流场分为层流和湍流。规定圆管内流体流动的上临界雷 诺数为2 3 2 0 。大于临界值为湍流流动。雷诺数越大，表示流动中粘性力相对于惯性 力较小，惯性力容易使流体微团发生紊乱运动【5 9 1 。研究立式磨磨腔内部的流场情况， 要首先在立式磨工况参数下初步计算出流场边界参数。以h r m 4 8 0 0 为研究对象， 其主要工况参数如表2 1 所示。 表2 1h r m 4 8 0 0 主要技术参数 根据表2 1 数据结合立式磨结构尺寸，采用工程流体计算方法得到磨腔流场的 初步数据如下： 输送气体雷诺数为： r ：一v d 一6 2 1 0 6 ( 2 1 ) 其中：r 一雷诺数；y 一圆管横截面上流体平均速度，m - s ；d 一圆管直径( 特 征长度) ，m ；v 一运动粘性系数。 磨腔r 为6 2 x 1 0 6 大于管道湍流临界值2 3 2 0 ，所以磨腔内部流动过程是主要体 现为湍流流动。 ( 2 ) 湍流参数计算 湍流计算参数主要有湍流强度、湍动能和湍动耗散率掣6 0 1 。计算过程如下： i = o 1 6 x 化广j 2 5 = o 0 2 3 ( 2 2 ) k = 1 5x ) 2 = 3 6 ( 2 3 ) 济南大学硕 学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼兰曼曼曼曼曼量鼍曼曼曼曼曼! 曼曼毫皇! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼i i i 一 一 一 ； 一曼i i 曼曼曼曼曼篡 三：丝= 丝m ：2 s1 0 l = 0 0 7 三 s ：c 盯s 坐：6 z ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中：卜湍流强度；瑚动能，m 2 s 乏；_ 一湍动耗散率；l 湍流长度，m ； 三一等效直径，m ；a 一流体入口面积，m 2 ；p 流体入口周长，m 。 2 2 气固两相流输运理论 气固两相流，又称气力输送，是一种利用空气动力输送粉体颗粒的方法。物料 气力输送过程比较复杂，主要受到气流速度和颗粒量的影响。当气流速度较大时， 物料颗粒在输送过程中接近均匀分布，成悬浮状。随着气流速度降低，作用在颗粒 上的气流力逐渐减小，颗粒输运速度减小，颗粒浓度相对增加，出现明显颗粒问的 碰撞现象。此时气固流体能量会急剧耗散，输运效率降低。颗粒依靠高速气流的输 运过程主要是动压输送。气固两相流中，颗粒的惯性力对于流场的影响很大，而惯 性力的大小直接决定了两相流的雷诺数大小，成为流场运动状态的主要影响因素。 在立式磨的粉体输运过程中，由 于磨盘的旋转作用必然造成颗粒的 旋转上升运动。颗粒旋转运动形式归 属于环状边壁空间的颗粒分离输运 过程，如图2 2 所示。根据颗粒的大 小和流经颗粒的气流速度情况，颗粒 气力输运过程中存在着多种状态。空 气动力学实验研究得知空气的动力 大小与动压力和物料颗粒的特征面 积乘积成正比，即【6 2 击3 】： f = c s p v 2 2 图2 2 旋转环状空腔的颗粒输运过程 ( 2 7 ) 式中：f 一空气动力，n ；卜空气动力系数：趾颗粒垂直气流平面的投影面积， 7 基于多相流技术的立式磨磨腔流场分析 nm。i i i 鼍曼曼曼曼曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量鼍 m ? ；旷空气密度，k g m - 3 ；吨流速度，m s - 1 。 根据图2 3 立式磨颗粒输运中受力情况可知，当气流从料层下面通过的速度y 较低时，根据公式( 2 7 ) 空气动力，较低。颗粒受到自身重力g 的影响上升运动 缓慢，或者静止不动，气流只能穿过颗粒间空隙。此时的状态颗粒层叫固定床。随 着气流速度增大，颗粒间隙随之增大。当f = g 时，相邻颗粒间气流速度方向的挤 压力为零，料层出现流化状态。此种状态的颗粒床层叫做流化床，此时的速度也成 为颗粒输运的最低速度。当气流速度继续升高时，粉料颗粒被气流带走，此时颗粒 浓度显著下降，颗粒间的摩擦力急剧减 小。此种状态已经没有料层形式，称为 稀相流态化。颗粒的气力输送就是颗粒 层保持在稀相流化态时进行的。立式磨 颗粒输运过程伴随旋转运动，根据旋转 颗粒的运动分析图2 2 和图2 3 可知受 到向心力斥和离心力e 作用，气固局 部流场的颗粒流体存在分离现象。 2 3 本章小结 图2 3 旋转颗粒输运过程受力分析 挥 力 ( 1 ) 本章分析了立式磨基本结构和磨腔内部粉体颗粒的气力输运过程。根据立 式磨粉体加工的工艺参数，以工程流体动力学为基础，计算分析了立式磨磨腔气固 两相流的湍流流动状态和湍流强度、湍动能和湍动耗散率等主要湍流参数。为粉体 输运过程的气固两相流数值分析研究奠定了理论基础。 ( 2 ) 本章阐述了气固两相流输运理论，并且初步分析了立式磨磨腔粉体颗粒气 力输运过程的产生条件和机理。 8 济南人学硕i ：学位论文 第三章立式磨粉体输运磨腔流体模型 3 1 立式磨粉体输运两相流建模方案 如图3 1 所示立式磨三维实体结构，h r m 立式磨主要包括壳体、磨辊、磨盘和 选粉机。根据数值模拟方法以及工程应用经验，必须对复杂结构的研究对象进行结 构简化。粉体输运过程主要收到磨辊和磨盘的旋转影响，立式磨外部结构和结构局 部拐角对两相流流场影响很小。考虑几何模型拐角划分网格的局限性以及立式磨气 固流场分析的主要影响因素，可以对立式磨结构进行平滑性简化。同时，对于磨辊 和磨盘交接处几何结构的斜度也适当简化。 根据立式磨结构特点和流体 模型数值分析要求，颗粒相与气体 相在流体模型中都是实体结构。立 式磨的实体结构仅仅是流场模型 的边界条件，所以应该将立式磨实 体结构边界化，立式磨空腔实体化 建模。结合立式磨的复杂结构特 点，立式磨磨腔流体建模方案：首 先，选用商业通用三维软件 s o l i d w o r k s 建立三维立式磨磨腔简 化流体模型。其次，通过f l u e n t 流 体软件的前处理模块g am b i t 对 三维磨腔流体模型进行网格划分 和边界设置。建立立式磨磨腔流体 网格模型。 1 选粉机，2 壳体，3 一磨辊，4 磨盘，5 - 入风口 图3 1 立式磨三维实体结构( 部分结构透明显示) 3 2 立式磨磨腔三维简化流体几何模型 s o l i d w o r k s 是当今世界通用的三维机械工程软件。根据图3 1 和气固流体模型 9 基于多相流技术的直式磨磨腔流场分析 要求，分别对立式磨的壳体、磨辊、磨盘和入风- 口简化建模。建模过程中考虑立式 磨结构尺寸较大，计算困难的因素，对立式磨结构进行适当缩放。所建立的磨腔三 维简化流体模型如图3 2 所示。 a ) 实体简化模型b ) 三维实体透视模型 1 选粉机边界，2 灰斗边界，3 磨辊边界，4 磨盘边界，5 气流入口 图3 2 立式磨磨腔三维简化流体模型 3 3 立式磨磨腔流体网格模型 3 3 1f l u e n t 软件使用及介绍 将建立的磨腔流体几何模型导入f l u e n t 软件中进行网格模型的处理工作。f l u e n t 软件采用c + + 语言编写，可以大大提高对计算机内存的利用率。f l u e n t 给出了模拟 计算的具体步骤，它包括设置求解参数初始化、计算求解、判断收敛与否等。f l u e n t 只是一个求解器，程序包括网格导入、提供计算物理模型、施加边界条件和材料特 性、求解和后处理m 彤j 。f l u e n t 网格的划分可以根据具体的计算实体，采用不同的 网格结构形式。对于立式磨磨腔气固两相流模型数值计算过程如图3 3 所示。 ( 1 ) g a m b i t 的特点及功能分析 1 0 济南人学硕j 学位论文 g a m b i t 是面向c f d 的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力，。既可 以在g a m b i t 内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的p r o e 、u g 、c a t i a 、 s o l i d w o r k s 等c a d 软件导入几何体。g a m b i t 对几何模型的划分主要基于f v m 方 法。可以根据模型结构的复杂性调整网格大小以及类型。网格模型生成后，为了方 便f l u e n t 求解计算和边界参数设置，g a m b i t 可以首先对网格模型进行边界属性定 义，这些边界定义在很大范围内可以进一步在f l u e n t 求解运行时进行改正或者修订。 从而满足工程数值计算 g 撕a m b 的i t 耋篡二匮的三维建模与二 一t 一 维建模方法有较大的区 别。二维建模主要遵循 点、线、面的原则，而三 维建模则更像搭积木一 样，由不同的三维基本造 型组合而成，之后通过布 尔运算得到所需模型。因 此，对于复杂的几何模型 需要外部c a d 软件的建 模协助。g a m b i t 功能强 大的网络划分工具，可以 lg a m b i tf t 划分网格i 、 l i c a d 建模 图3 3f l u e n t 软件数值计算过程 划分出包含边界层等c f d 特殊要求的高质量的网格。三维几何体网格的划分与二 维的基本一样，但三维物体的网格划分比较难以把握，尤其是对局部的加密。三维 网格的类型与方式，g a m b i t 允许用户采用如表3 1 所示的单元( e l e m e n t s ) 类型进 行三维网格划分。对于不同的单元类型，可以采用不同的方式划分网格，如表3 2 所示。 表3 1 三维网格单元类型 选项详细说明 h e x 指定网格仅仅包含六面体网格单元 h e x w e d g e指定网格主要由六面体网格单元组成，但是也包括在适当的位置的楔形网格 t e 棚姗篙喜鐾凳主要捆面体网格构成但是在适当的位置可以包含六面体、锥形和楔形 型数一 一网 一 触麴 一婀哩一 攀：瑟一 羽墅 一啪格一 迓遮 面 一 崮 基于多相流技术的节式磨磨腔流场分析 ( 2 ) 模型边界属性设置 边界条件是流体模型进行计算的前提，边界设置的合理性直接关系到数值计算 的结果。g a m b i t 提供的流体模型边界设置类型主要有：入口边界条、出口边界条件、 固定壁面边界条件、对称边界条件和周期性边界条件。 表3 2 三维网格划分方式 选项 m a p s u b m a p r tp r i m i t i v e c o o p e r t e t h y b d d s t a i r s t e p 详细说明 生成一般六面体结构化网格单元 将一个不可图示化体积分割成可图示化区域并在每个区域生成六面体结构化网格 单元 将一个含4 个侧面的体积分成4 个六面体区域并在每个区域生成可图示化网格 扫描整个体积的指定的源面的网格节点类型 指定该网格主要包含四面体网格单元，但是在合适的位置也可以包含六面体、锥 体和楔形单元 生成普通六面体网格和一个与原始体积形状近似的平滑的体积 入口边界条件就是出流体初始状态，主要有速度入口边界、压力入口边界和质 量流动入口边界条件。速度入口边界用于定义流体的流动速度属性，适应于不可压 缩流体。压力入口边界条件用于定义入口的压力属性，适用于可压缩流和不可压缩 流。压力入口边界主要用于入口流体流动速度或者速率未知的情况。可以用于浮力 驱动的流动。质量流动入口边界用于知道入口流体质量流量的可压缩流体流动。主 要用于表达流体的质量和能量流速。当压力入口边界和质量入口边界条件都知道 时，考虑流场数值计算的收敛性，优先选用压力入口边界。 出口边界条件主要包括压力出口边界条件、压力远场边界条件和质量出口边界 条件。压力出口边界条件需要在出口边界设置表压( g a u g ep r e s s u r e ) 。但是，当出 口流速超声速时，不再使用表压设置，应该根据内部流动求解计算。如果出口边界 处的流体运动包含回流现象时，需要设置回流条件。f l u e n t 的压力远场条件用于模 拟无穷远处的自由流状况。这一条件需要设置流体马赫数和自由流的静态条件。该 边界条