（机械设计及理论专业论文）超微粉碎过程粉碎腔流场的研究.pdf

摘要 捅要 随着产品加工的日益精细化，超微粉碎技术应用越来越广泛。本文介绍了超微粉碎 设备的应用及市场情况，对超微粉碎设备的国内外发展现状与趋势做了综述性的说明。 针对国内的超微粉碎机效率和产品粒度等方面存在的问题，运用数值模拟的方法进行研 究，实现了粉碎流场的可视化，为粉碎过程的深入研究提供了条件。 利用商业计算流体力学软件f l u e n t 的r n g ，c s 湍流模型，分别采用基于欧拉 法的m d ( n 爪e 模型和离散相随机轨道模型，对粉碎腔内的气一固两相三维流场进行数 值模拟，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，从而为参数的优化 提供研究资料。 结合多方面的资料和书籍，总结出了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，为类似模型的 模拟提供了宝贵的资料和经验。 针对超微粉碎机的工作原理，提出了影响粉碎效率的各个因素，并对其进行分析， 得到了一系列结论。通过实验研究，证明了结论的正确性，同时在一定程度上论证了数 值模拟的可靠性。在此基础上，对设备的改进提出一些建设性的意见，为此类设备的优 化提供了依据。 关键词：超微粉碎：粉碎效率；气固两相流；颗粒轨道模型；数值模拟 a 蜘c t a b s t r a c t a s 1 a ：蜊a l sa r em a c b i n e d 丘n e ra 1 1 d 血e r ，u l 船f m e 砌v 毗喊i o nt e c 蜥q u ei su s e di 1 1a 9 0 0 dm a l l yi 1 1 d u s t r i e s ht h i sp a p e r ，a p p l i c 撕o na n dn 谢k e t 嗽t u so fl i l - f i n e 叫v “z a t i o n e q l l i p i n e d t sa r ei n 昀d u c e d ，a t 也es a m e 痂n e ，i i l t e s t i n ea n do v e r s e a sd e v e l o p m e n ta i l dc u r r e n t o fu 1 缸琶一f i n ep u l v e 五z a 缸o ne q u i p m e n t sa r ea s s u i na _ b l ep r e s e n t e d i no r d e rt 0f i i l do u tw a y st 0 s o l v ep r o b l e r n sa b o u te 伍c i e n c yo fc o m 血u t i l l gs e ta n d 删a r i 够o f 也e p r o d u 吡n u m 砸c a l s i i l l u l a ：t i o ni su s e di 1 1 也e 蚰l d y t h er c s l l l t sd i r e c n ym r o wo u t 也en o wp a t t e mi nas u p e r f i n e p l l l v 耐z e fa n dp r ) v i d e 碰- 0 m a t i o nt 0 触咖d y0 nc o 蛐谢n gp r o c e s s n u m e r i c a ls i m l l l a t i o no fm eg 鹊一s o l i dn o wi nas u p e r f i n e p l l l v e r i z e rh a sb e e n i n v e s t i g a t e du s i l l gc o n l p u t a t i o n a lf l 试dd ) r 1 1 锄i c sp a c k a g e 晰t hr n g 缸st 岫l l l e n tm o d e l ，a u s w e l la sm 仅t u r em o d e la n dp 枷d e 仃勾e c t o r ym o d e l p r e s s u r ea n dv e l o c i 母& m eo ft 1 1 en o w i sr e s e a r c h e da n de x p l a i l l e d w h e nr o t a t 洫gs p e e da n dh a i 】m e r - s c r e e ng 印a n dp r e s s u 托 c h a j l g e ，t 1 1 en o wp a t t e mi i l t 1 1 e s u p e r f m ep u l v e r 泣e rc h a n g ee i 也e r - a tt 1 1 e s 锄et i i n e ， c o m m m i n ge 伍c i e n c yi sr e l a t i v et 0t h en o wpa = 吮m s oi t 砌1a l t e rt o o m a k i r 坞u s eo fm e r e l a t i o i l sa 【n o n gt h e s et h r e ef 砬t o r s ，i d 皿u e n c eo fd i v e r s eo p e r a t i o np a r 锄e t e r sa 1 1 ds 蜘】c t u r e p 踟e t e r st 0 也ec o m m i i l u t i l l ge 伍c i e n c yc a nb ef o u n do u ：lt h ec o n c l u s i o ni su s e 矗l lt o i n v e s t i g a t i o no fp a r 踟【r l e t e ro p t i n l i z a t i o n c a l l c i l l a 血唱p r o c e s s e so fm i x t u r em o d e la n dp 枷c l e 由咖e c t o 巧m o d e l ，i i l c l u d i n gp u 印o s e a i l dm e a n so fv a r i o u sm e n l i s ，a r ep u tf 0 刑a r d ，谢t 1 1m eh c l po fm a i l yb o o k sa n dd a ：c ao n c o m p m a t i o n a | f l u i dd y n a m i c s p r o b l e m sw h i c ho r e nc o m ei n t ob e i i l gi ns 硫u l a t i o np r o c e s s a r ea c c o 咖e df o r a no ft h e s ea r e 蛔p o r t a d t 洫f o 姗a t i o nf o rs i r i l i l a rn u m e r i c a ls 证m l a t i o n b a l s e do n l ec o 础：n i n u 血gp r i n c i p l e ，f 戤o r sw b j c he 能c tc o 眦血u _ t i n ge 伍c i e n c ya r e 咖碰z e da i l da 1 1 a l y z e d af e wc o n c l u s i o n sa r ec h a 收e du p n u 曲也eg h l d yo f e x p 面m e n t s ，m ec o n e c t n e s so fm o s ec o n c l u s i o n si sc o 如e d o nm es i d e ，i ta l s op r o d e s a ：u s p i c ea n da r g u m e n tf o rt h en u m e r i c a ls 妇u l a t i o n td e p e n d i l l g0 nt h i s ，s e v e 跚c o n 咖l c t i v e s u g g e s t i o n sa r ep r o p o s e dt 0a f f o r df o u i l d a t i o nf o r 锄e l i o r a t m gm ee q u i p m e n t k e y w o r d s ：u l 仃a - f m ep u l v e r i z a t i o n ；c o m m i 叫血ge 箭c i e n c y ；g a s - s o l i dt 、v o p h a l s en o w ； p a r t i c l e 仃萄e c t o r ym o d e l ：m m l e r i c a ls i m u l a t i o n 符号说明 符号说明 湍流强度， 湍动能，聊2 产 湍动能耗散率，历2 ， 雷诺数，无量纲数 平均速度，聊，1 脉动速度，研，1 动力粘度，忍s 湍动粘度，尸口s 有效粘度，砌j 湍流长度尺寸，m 运动粘度，砬s - 1 流体密度，蚝m - 3 壁面剪切应力，p a 壁面指数，无量纲数 绝对压力，鼢 压降，心 流量，坍3 ，1 c o m 讲】切：t j o n a lf l u i dd y n a m i c s r e n o m a l i z a t i o ng i 0 u p 被粉碎物料的表面能，j 埏 物料粉碎后新增的比表面积，m 2 埏 物料的比表面能，j 砰 停留时间的平均，s 常数，无量纲数 物料的分散度，无量纲数 m j七胎一所肺，。p+y匕廿q啪b从y删盯 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 至堕坚 一 目 期： 础6 弓 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 王既唪 日 期： 日 期： 硎石弓 第一币绪论 第一章绪论 1 1 课题简介 随着现代化大工业的不断发展，以往普通的粉碎手段已越来越不适应生产的需要。 近年来，超微粉碎技术在国际上发展非常迅速。超微粉碎一般是指将物料颗粒粉碎至5 0 0 目左右的一种粉碎技术，是机械力学、电学、原子物理、胶体化学、化学反应动力学等 交叉汇合的一门新兴学科。值得注意的是，不同的行业对超微粉碎有着不同的划分标准。 因为产品的不同会导致成品粒度的要求不同，从而使划分范围在不同的行业之白j 不完全 一样。如饲料的超微粉碎就比化妆品、超微食品等的粗。 目前，超微粉碎技术有化学法和机械法两种。化学合成法能够制得微米级、亚微米 级甚至纳米级的粉体，但产量低、加工成本高、应用范围窄。机械粉碎法成本低、产量 大，是制备超微粉体的主要手段，现已大规模应用于工业生产。机械式超微粉碎可分为 干法粉碎和湿法粉碎。根据粉碎过程中产生粉碎力的原理不同，干法粉碎有气流式、高 频振动式、旋转球( 棒) 磨式、锤击式和自磨式等几种形式；湿法粉碎主要是用胶体磨 和均质机粉碎。 超微粉碎技术适用范围广，经济效益显著，在各行业中都有着广泛的应用，具有较 大的经济和社会效益。目前，超微粉碎技术已被广泛应用于化工、冶金、矿业、建材、 日化、食品、医药、农业、环保和航空航天等诸多领域。例如，在冶金行业中可以使贵 重金属提高产量；医药行业中可以使药效见效快、吸收更完全；在食品行业中可以改 善口感，提高产品的营养价值，保鲜固香等。另外，将我国传统的中草药进行超细粉碎 并引入日常饮食，可以开发多种多样的保健饮食品，等等【l j 。 随着超微粉碎技术应用领域的不断拓宽，粉碎过程的深入研究已经显得越来越重 要。现在国内的学者和技术人员对于此方面的研究多采用经验值与实验相结合的方法， 并不能真正的了解粉碎过程中流场的流动状况。随着近代计算流体力学的兴起，部分国 外学者逐渐引入数值模拟的方法来对各种流场的流动特性进行分析。现在，这种方法已 经广泛应用于流体机械内部流体流动、飞行器的设计、风载荷对高层建筑稳定性及结构 性能等方面的研究。受此启发，本文选用f l u e n t 软件作为计算工具，以1 3 0 型超微粉碎 机为研究对象，对粉碎过程中的流场进行数值模拟。通过研究不同结构参数和操作参数 下的粉碎流场，进而研究这些参数的改变对粉碎效率的影响，实现流场的可视化，从而 为同类设备的改进提供依据和资料。 1 2 超微粉碎设备研究进展 国外从4 0 年代起，以超细粉碎、分级、改性为基础的深加工技术就引起人们的关注， 到6 0 年代该技术得到了迅速发展。目前美国、德国、日本、英国等国家超细粉碎技术和 设备的研制具备了较高的水平，推出了干法和湿法各类型和规格的超细粉碎及分级设备， 可加工细度o s i o 岬任意窄级别的超细产品。国内超细粉碎技术和设备研究工作始于 6 0 年代，且发展缓慢，到8 0 年代才得以迅猛发展，目前为止，已能生产各种类型的气流磨、 振动磨、搅拌磨、冲击磨，性能基本上可与世界上已成型的机；睁相媲美。 江南人学帧i j 学位论文 目前，国内的机械粉碎设备主要有气流磨、高速机械冲击磨、球磨机( 包括振动球磨 机、转动球磨机、行星球磨机等) 、介质搅拌磨、射流粉碎机等。其中，气流磨、高速 机械冲击磨为干式超细粉碎设备：球磨机、介质搅拌磨、射流粉碎机，既可用于干式超细 粉碎，也是常用的湿法超微粉碎设备。由于粉碎方式和工作原理的不同，各种设备性能存 在着一定的差距，同时，从1 9 9 5 年至今，国内超细粉碎技术及设备进入了以自行丌发和制 造为主。引进为辅的同新月异时期，具有自主知识产权或发明专利的超细粉碎技术和设 备数量，较前几年有显著上升趋势，大大地促进了我国非金属矿深加工行业的发展。 介质搅拌磨是当前制备亚微米级产品的唯一可行设备，湿式搅拌磨可以批量生产细 度面匹2 “m 的超细粉，产品细度最小可达l 岬以下。从原理上看，它并不属于新型粉碎 机。最初，介质搅拌磨主要用于涂料等建材工业或食品工业领域中，作为分散机使用， 因其分散速度大，适合于短时间内粉体的微细化，是粉碎粒度极限最小的超细粉碎设备 之一。近年来，在各工业领域中，作为微粉碎机再次引起人们注意。世界上著名的搅拌 磨机有美国联合工艺公司( u i l i o np r o c e s s ) 制造的s 型及s c 型系列搅拌磨；瑞典m a t t e r & p 砌e r 公司制造的t r z k 干式搅拌磨和n i 屹k 湿式搅拌磨等。当今国外搅拌磨的技术发展 水平主要体现在两个方面：一是配料( 介质粒径配比、矿浆浓度等) 和物料停留时间的自 动控制：二是大型设备处理能力大，单位产品能耗和生产成本更低。国内搅拌磨生产厂 家与科研机构经过不断摸索，在搅拌装置和磨机整体结构方面，当前取得了突破性进展， 每年单与搅拌磨有关的新技术新工艺专利就达2 0 以上。如棒盘式搅拌磨( 中国专利 c n 2 2 4 9 6 3 6 y ) 、塔式搅拌磨( 中国专利c n 2 2 6 7 8 5 8 y ) 、鼠笼转子搅拌磨( 中国专利 c n l 2 0 3 1 2 3 a ) 的出现。其中，棒盘搅拌磨采用十字交叉排列的半椭圆型搅拌棒，起动力 矩小、单位产品能耗低，已用于高岭土、重钙等非金属矿的湿式粉碎，产品细度d 9 7 = 2 “m 。 塔式搅拌磨则采用固定在底端轴承座上的变径螺旋体作搅拌器，使搅拌在不同浓度、不 同压力区间具有不同的工作状态，增强了介质与物料间的摩擦、冲击及剪切作用，从而 提高研磨效率。鼠笼转子搅拌磨的鼠笼转子结构能使介质产生圆周运动、径向运动、轴 向运动、高频振动等复杂运动，提高了分散作用。 气流磨国内生产研究最多，机型也是所有超细粉碎设备中最为齐全的，即使是国际 上最为先进的机型( 如流化床类气流磨) 也有不少的生产厂家。由于是干法生产，可以省 去非金属矿超细粉碎中的烘干工艺。但也存在一些问题：设备制造成本高，一次性投资 大，能耗高，粉体加工成本太大，这就使得它在这一领域的使用受到了一定的限制；它 难以实现亚微米级产品粉碎，产品粒度在1 0 肛m 左右时效果最佳，在l o p m 以下时产量 大幅度下降，成本急剧上升，在非金属矿领域的应用就失去了应有的使用价值；目前气 流磨的单机处理能力较小( 产量均小于l 讹) ，还不能适应大规模生产的需要，在介质使 用上，国内大多使用空气，很少使用过热蒸汽或惰性气体。另外，设备加工精度与材质 的磨损问题仍困扰着设备制造商和广大国内用户。目前工业上应用的气流磨主要有扁平 ( 水平圆盘) 式、循环管式、对喷( 冲) 式、靶式、流化床对喷式等几种大机型。其中流化 床对喷( 冲) 式气流磨是7 0 年代末8 0 年代初德国a l p i n e 公司开发并投入使用的新机型，具 有能耗低、磨损轻、污染小、噪声低、产品粒度细且分布较均匀、能用于较高硬度物料 第一章绪论 的粉碎等特点。芬兰爱磨有限公司的f p 型对冲式粉碎机具有与a l p i n e 公司流化床气流磨 相似的特点，也是内置转子( 轮式) 分级机。在国内超细粉碎设备中，气流磨机型较全、 应用范围也较广，上述几种机型国内大体上都能生产，并在生产中都有应用，而且技术 性能接近国外同类设备，但是，单机生产能力较低，尚无处理能力达l t h 以上的大型气 流磨，多数厂家只是处于仿制国外同类设备的水平上，根本谈不上自己的技术创新。 近年来发展起来的高能球磨法是种制备超微粉的新方法，它是一个无外部热能供 给的干式高能球磨过程。s h i n g l l 等首先报道了用高能球磨机制备晶粒 1 0 n i i l 的a 1 f e 合 金，其原理是把欲合金化的元素粉末混合，在高能球磨机中长时间运转，将回转机械能 传递给金属粉末，并在冷态下反复挤压和破碎，使之成为弥散分布的超微粉。o e n g 等在球磨n b 一2 5 a 1 时发现，球磨初期首先形成约3 5 n m 的n b 3 a l 和少量的，球磨2 5 h 后，n b 3 a l 和舢迅速转变成具有纳米结构( 1 0 姗) 的固溶体。国内的诸葛兰剑等则通 过高能球磨法成功制备了粒径为3 0 6 0 啪的a f e ( n ) 粉末。北京科技大学与加拿大 多伦多大学联合研制的新型行星式磨机一s z e 9 0 磨，设计独特、结构紧凑，使被磨物料 能够最大限度的利用输入的能量进行粉碎，避免了普通磨机和振动磨机工作中介质之间 的无效空磨，使得立式行星磨的单位容积处理量比具有同样磨矿效果的球磨机的单位容 积处理量高约4 0 倍。对云母的超细粉碎实验表明，粒度可达1 0 岬或更细，物料在磨内 停留时间很短，一般只有5 1 0 s ，平均粒径为1 5 岬时的能耗为8 0 k 帆，平均粒径为4 4 “m 时，能耗为5 0 士2 0k 、砘。 振动磨产品细度可达到亚微米级，且具有较强的机械化学效应，能耗较低，易于工 业规模生产。经过近几年的研究开发，国内振动磨的研制取得了骄人的成绩，但无论是 品种规格、整体性能，还是应用范围，都与日本、德国相比存在一定的差距，在内层衬 板、研磨介质以及工艺性能方面还需进一步研究，以适应不同物料的加工需要，尤其是 对铁杂质含量要求严格的非金属矿物的超细粉碎。如德国研制的转腔式振动磨、异形腔 振动磨等新型磨机使介质活化度大大提高，产量提高1 5 2 o 倍，最近又提出了偏心式 振动磨；日本中央化工机械株式会社在振动磨的机械化学效应研究和开发方面，已成功 地用于钛酸镁的开发，并取得了良好的效果，产品平均粒径d 5 0 l 岬。青岛矿山设备厂 研制的z m f 系列内分级式振动磨，采用独特的环形粉碎腔，将粉碎和分级集于一身，便 于控制产品细度和粒度分布，介质充填率可达8 0 ，加之独特的三元回转( 垂直、翻滚 和水平) 功能，介质对物料的作用强度大、能量利用率较高，给料粒度小于l m m ，产品 细度( d 9 7 ) 为1 2 5 0 6 0 0 0 目( 即2 l o m ) 。西安理工大学生产的w g m 一3 型变频式多功能 振动磨，入料粒度d 1 0 0 3 m m ，产品比表面积可达1 0 2 2 0 m 2 撞，成功地实现了对磨机振动参 数的有效控制，取得了产品细度、产量、单位能耗、噪音污染控制及材质耐磨性方面的 重大突破。这种新型振动磨机已在高岭土、重钙、水泥熟料、重晶石等物料的超细粉磨 中获得应用。 北京航空大学根据空气动力学原理和多相流理论，研制了一种利用高压空气流的j f c 高压射流式粉碎机，它将干燥无油的压缩空气加速成超音速气流，该气流携物料作 高速运动，使物料相互碰撞、摩擦而粉碎，未达到粒度要求的粉料由分级器返回粉碎室 江南人学f 毋! i ：学位论文 继续粉碎。这种粉碎机分级精度高，产品粒度细而分布窄，平均粒度( 以口) 可在0 5 2 0 “m 范围内任意调节，其工艺特点是气流与物料分路进入粉碎室实现物料之问的相互碰撞而 粉碎，故喷嘴和粉碎室磨损小。这种粉碎机己在工业矿物、化工原料、食品等中得到应 用，用j f c 3 0 0 生产超细方解石粉时的粒度组成以d = 1 1 5 p m ，砒= 1 6 4 p m ，西 0 ，过程的损失功为： 肛弘s( 2 9 ) 由此可见，粉碎过程的不可逆性愈大，彳s 愈大，粉碎过程中变为不可利用的能量( 即 损失功) 也就越大。如果以完全可逆过程所需的功为理想功，那么，对于实际的粉碎过 程，其需要的功为： 嵫= 彤+ 职 ( 2 1 0 ) 式中，所是基于完全可逆过程的最小需要功。 这样，对于发生与完全可逆过程相同状态变化的实际粉碎过程，其热力学效率可表 示为： 叩= 聊 ( 2 1 1 ) 对于分段完成的过程，损失功为每一段损失功的和，因此，对于需要功的粉碎过程： 职= 暇+ 职 ( 2 1 2 ) 垆( 职巩) 暇 ( 2 1 3 ) 由比表面积的热力学概念可知，系统内能或焓增加的过程也就是增加表面能的过 程。但是，内能或焓并不等于表面能，这是因为内能的变化中还包括形变储能及晶格键 能等的变化。而粉碎过程中只有物料表面能增加所消耗的外功才是真正的用于其粒度减 小的有用功。因此一般用下式来计算粉碎过程的热力学效率： 删形可4 f t 形 ( 2 1 4 ) 式中，层被粉碎物料的表面能( j k g ) ； 以物料粉碎后新增的比表面积( 耐狐g ) ； 】，物料的比表面能( j l n 2 ) 2 1 6 物耕停留时间的分布 以大量生产为目的的粉碎作业多取连续粉碎，颗粒在机内的平均停留时问，亦即粉 碎时间，是根据颗粒给料速度f 和粒子在粉碎机内的停留量h 决定的，即： 玉声日( 2 1 5 ) 当腋化或月变化时，均可使椭之变化。因此连续粉碎时间也就成为不定值。例如 颗粒在粉碎机内停留时间并不一致，出现某些波动，因而也就影响到产品的粒度分布。 因此，颗粒在粉碎机内的停留时间是一个重要的因素。颗粒的停留时间分布函数只俐可 以用对数正态分布表示： 础) = 老e x p 【掣】 ( 2 - 1 6 ) 式中：只似停留时间的平均值( t ) ； 常数； 仃物料的分散度。 江南人学坝i ：学位论义 2 2 粉碎的基本条件 2 2 1 物料性质 物料的性质包括可粉碎性( g 咖da b i l i t y ) 和密度等。物料的可粉碎性对处理能力的影 响很大。通常是根据处理同类物料的实际结果来决定选择何种粉碎机，但最好的办法是 采用实验所得的粉碎结果，按比例放大计算；或者考察原料的功指数( w o r ki n 2 d e x ) ，求 出粉碎机处理每吨物料的用电量，再决定所需粉碎机的规格。 2 2 2 物料状态 主要是指物料的湿度和温度。与湿式粉碎不同，在干式粉碎时，如果物料的含水量 超过3 ，粉碎机的处理能力会急剧下降，尤其是干式球磨机更为突出。对润湿性物料 采用干式粉碎时，物料事先必须进行干燥，使水分保持在1 以下为宜。 2 2 3 物料粒度 与破碎机不同，给料粒度对粉碎机的粉碎量有很大的影响，是影响粉碎机处理能力 的主要因素之一。因此，在粉碎阶段，给料粒度应尽可能采用细的，因为破碎与粉碎阶 段能量消耗各不相同，破碎阶段能量消耗要少得多。把“多碎少磨”的原则应用在粉碎 作业中是十分重要的，所以在能量消耗少的破碎阶段，尽量碎出细的产品，以降低粉碎 作业中的能耗。 2 2 4 粉碎能力 粉碎能力是选择粉碎机的第一要素，即使可以得到相同粒度的产品，也需根据所要 求的粉碎能力，再对粉碎机的品种、规格和粉碎方式等进行合适的选定。获得微粉碎产 品的粉碎机中指式及锤式等高速回转冲击式系列粉碎机是优秀机种，这类粉碎机的小时 粉碎能力在几百千克至几吨。 2 2 5 粉碎方式 粉碎方式分湿式和干式，湿式粉碎机限于使用钢球或其他介质的转筒式粉碎机以及 塔式粉碎机，干式粉碎机的机种也不少。湿式和干式采用哪一种，大多数要受该粉碎作 业前后的作业所支配，此外与粉碎段数、粉碎流程的选择等都有关系。 第三常f l u e n t 软件心用及模型的选取 第三章f l u e n t 软件应用及模型的选取 3 1 计算流体力学研究 3 1 1 什么是计算流体动力学 计算流体动力学( c o m p u t a t i o 眦lf l u i dd ”锄i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计算 和图像显示，对含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本 思想可以归结为：把原来在时问域和空间域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点 上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上的场变量之 间关系得代数方程，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我 们可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量随 时间的变化情况，根据漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其它 物理量。此外，与c a d 结合，还可进行结构优化设计【1 7 】【1 8 l 。 3 1 2 计算流体动力学的形成与发展 计算流体力学作为一门新学科，形成于2 0 世纪6 0 年代中期，涉及经典流体力学、 计算方法、数值分析、程序编制和图像处理等学科，它的出现标志着工程流体力学发展 的新阶段。自1 9 世纪物理模型的理论诞生以来，物理模型一直是流体力学理论研究和 解决工程流动问题的主要手段。为了进一步定量描述各种流动的物理现象，数学模型应 运而出。数学模型将己知的流体动力学基本定律用数学方程进行描述，在一定的定解条 件( 初始条件和边界条件) 下求解这些数学方程，从而模拟某个流体动力学问题或工程实 际问题。 近几十年来，流体数值计算有了很大发展，取得了丰富的成果。进入8 0 年代后， 湍流模式不断完善，三维湍流的数学模型己进入实用阶段。9 0 年代后，集成的商用c f d 流体计算软件得到广泛应用，使流体数值计算在更大的范围内快速发展，一些较复杂的 旋转机械内流问题已经取得了较满意的结果。 3 1 3 计算流体动力学与理论分析及试验测量方法的关系 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体 系。三者之间的关系如图3 1 所示。 图3 1 “三维”关系图 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实 验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是它往往要求对计算对象进行抽象和简 江南人学坝i j 学位论文 化。才有可能得出理论解。对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。 实验测量方法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重 要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流动扰动、人身安全和测量精度的限制， 有时可能很难通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨 大耗费及周期长等很多困难。 c f d 方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定计算，就好像 在计算机上做一次物理实验。例如机翼的绕流，通过计算和结果显示，可以看到流场的 各种细节，包括激波的运动、强度，涡的生成与传播，流动的分离、表面的压力分布、 受力大小及其随时问的变化等。数值模拟可以形象地再现流动场景，与实验没有什么区 别。 3 1 4 计算流体力学的分支 经过四十多年的发展，c f d 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对 控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，c f d 大体上可分为三个分支： ( 1 ) 有限差分法( f i n i t ed i 疵r e n c em e t h o d ，f d m ) ； ( 2 ) 有限元法( f i n i t ee l 锄e n tm e t h o d ，f e m ) ； ( 3 ) 有限体积法( f i n i t ev o l 啪em e m o d ，f v m ) 。 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法，它将求解域划分为差分网格，用有 限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离 散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解，就是微分方程定解问题的数 值近似解。它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早， 比较成熟，较多地用于求解双曲型和抛物型问题。 有限元法是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法中离散 处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。有限元法 因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此应用不是特别广泛。 有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体 积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被 求函数本身及其导数的分布做出某种形式的假定。用有限体积法导出的离散方程可以保 证具有守恒特性，而且离散方程系数物力意义明确，计算量相对较小。1 9 8 0 年，s v p a t a n k e r 在其专著n u m 甜c a lh e a tt r a n s f e ra 1 1 df 1 u i df l o w 中对有限体积法作了全面的 阐述。此后，该方法得到了广泛应用，是目前c f d 应用最广的一种方法。当然，对这 种方法的研究和扩展也在不断进行，如p c h o w 提出了适用于任意多边形非结构网格的 扩展有限体积法。 3 1 5 计算流体动力学的工作步骤 采用求解器进行c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤，如图 2 1 所示： ( 1 ) 建立控制方程。它是求解任何问题前都必须首先进行的。在理解计算流体动力 学的基本原理后，建立控制方程这一步就显得比较的简单了，主要是流动模型的分析和 1 4 ；l ! ；二三帝f l u e n t 软件j 矩用发模型的选取 选择。 ( 2 ) 确定边界条件和初始条件。初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提， 控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。初 始条件所研究的对象是在过程丌始时刻各个求解变量的空间分布情况。对于瞬态问题， 必须给定初始条件。对于稳念问题，不需要初始条件。边界条件是在求解区域的边界上 所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。对于任何问题，都需要给定边界条件。 初始条件和边界条件的处理，将直接影响计算结果的精度。 ( 3 ) 划分计算网格。采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空 间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须 使用网格。现已发展出多种对各种区域进行离散已生成网格的方法，统称为网格生成技 术。 目前，网格分结构网格和非结构网格两大类。简单地讲，结构网格在空间上比较规 范，如对一个四边形区域，网格往往是成行成列分布的，行线和列线比较明显。而对非 结构网格在空间分布上没有明显的行线和列线。 对于二维问题常用的网格单元有三角形和四边形等形式；对于三维问题，常用的网 格单元有四面体、六面体、三棱体等形式。目前各种c f d 软件都配有专用的网格生成 工具，如f l u e n t 使用g 舢v m n 作为网格处理软件。多数c f d 软件可接受采用其他 c a d 或c f d f e m 软件产生的网格模型。如f l u 酚盯可以接受a n s y s 所生成的网格等 等。当然，若问题不是特别复杂，用户也可自行编程生成网格。 ( 4 ) 建立离散方程。对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解的。但 由于所处理的问题自身的复杂性，一般很难获得方程的真解，因此，就需要通过数值方 法把计算域内有限数量位置上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这 些未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他 位置上的值则根据节点位置上的值来确定。 由于所引入的应变量在节点之间的分布假设及推导离散化方程的方法不同，就形成 了有限差分法、有限元法、有限元体积法等不同类型的离散化方法。在同一种离散化方 法中，由于所采用的离散格式不同，也将导致最终有不同形式的离散方程。对于瞬态问 题，除了在空间域上的离散外，还要涉及在时问域上的离散。离散后，将要涉及使用何 种时间积分方案的问题。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件。前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，现 在需要针对所生成的网格，将连续性的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，在 商用c f d 软件中，往往在前处理阶段完成了网格划分后，直接在边界上指定初始条件和 边界条件，然后由前处理软件自动将这些初始条件和边界条件按离散的方式分配到相应 的节点上去。 ( 6 ) 给定求解控制参数。在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化 的初始条件和边界条件后，还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。此外， 还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。在c f d 的理论中， 江南人学颂l j 学位论文 这些参数并不值得去探讨和研究，但在时问计算时，他们对计算的精度和效率有着重要 的影响。 ( 7 ) 求解离散方程。在进行了上述设置后，生成了具有定界条件的代数方程组。对 于这些方程组，数学上已有相应的解法，如线性方程组可采用g 鲫s s 消去法或 g a u s s s e i d e l 迭代法求解，而对非线性方程组，可采用n e 叭o n r 印h s o n 方法。在商用 c f d 软件中，往往提供多种不同的解法，以适应不同类型的 问题。这部分内容，属于求解器设置的范畴。 ( 8 ) 判断解的收敛性。对于稳态问题的解，或是瞬念问 题在某个特定时间步上的解，往往要通过多次迭代才能得到。 有时，因网格形式或网格大小、对流项的离散插值格式等原 因，可能导致解的发散。对于瞬态问题，若采用显示格式进 行时间域上的积分，当时间步长过大时，也可能造成解的振 荡或发散。因此，在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行 监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。这部分内 容属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。 ( 9 ) 显示和输出计算结果。通过上述求解过程得出了各 计算节点上的解后，需要通过适当的手段将整个计算域上的 结果表示出来。这时，可采用线值图、矢量图、等值线图、 流线图、云图等方式对计算结果进行表示。 以上这些步骤构成了c f d 数值模拟的全过程。其中数学 求解离散方程 模型的建立是理论研究的课题，一般是由理论工作者来完成。 图3 - 2c 田工作流程图 为了进行c f d 计算，用户可借助商业软件来完成所需要的任务，也可自己直接编 写计算程序。两种方法的基本工作过程是相同的，其计算的基本流程如图4 - l 所示。 3 1 6 计算流体动力学的应用领域 近十多年来，c f d 有了很大发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解 法。所有涉及流体流动、热交换、分子运输等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力 学的方法进行模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土 木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。典型的应用 场合及相关的工程问题包括： 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动 飞机和航天飞机等飞行器的设计 汽车流线外形对性能的影响 洪水波及河口潮流计算 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响 温室及室内的空气流动及环境分析 电子元器件的冷却 换热器性能分析及换热器片形状的选取 1 6 蓄羹 第三常f l u e n t 软件心用及模型的选取 河流中污染物的扩散 汽车尾气对街道环境的污染 食品中细菌的运移 对于这些问题过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验，而现在大多 采用c f d 的方法加以分析解决，c f d 技术现已发展到完全可以分析三维粘性湍流及漩 涡运动等复杂问题的程度。 3 2f l u e n t 软件研究 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司与1 9 8 3 年推出的c f d 软件，它是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适 用性最广，处于世界领先地位的c f d 软件之一，广泛应用于航空、汽车、透平机械、 水利、电子、发电、建筑设计、材料加工、加工设备、环境保护等领域，以f l i j e n t 6 为例，其主要模拟能力包括： 用非结构自适应网格求解2 d 或3 d 区域内的流动 不可压或可压流动 稳态分析或瞬态分析 无粘、层流和湍流 牛顿流体或非牛顿流体 热、质量、动量、湍流和化学组分的体积源项模型 各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流、混合对流、辐射热传导等 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型 多重运动参考模型，包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静结合模型 化学组分的混合与反应模型，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 粒子、水滴、气泡等离散相的运动轨迹计算，与连续相的耦合计算 相变模型( 如融化或凝固) 多相流 空化流 多孔介质中的流动 用于风扇、泵及热交换器的集总参数模型 复杂外形的自由表面流动 3 2 1f l u e n t 软件应用 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专 用c f d 软件。f l u e n t 提供了灵活的网格特性，可以方便地使用结构网格和非结构网 格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角单元网格和四边形单元网 格：对于三维问题，提供的网格单元包括四面体，六面体、棱锥、楔形体及交杂网格等。 f l u e n t 还允许用户根据求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化 或粗化。对于具有较大梯度的流动区域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可以在很高的 精度下得到流场的解。 江南人学坝i j 学位论文 f l u e n t 使用c 语言。丌发完成，支持u n i x 和w i n d o w s 等多种平台，支持基于m p i 的并行环境。通过多窗口方式随时观察计算的进程和计算结果。计算结果可用云图、等 值线图、矢量图、x y 散点图等多种方式显示、存储和打印，甚至传送给其他c f d 或 f e m 软件。f l u e n t 提供了用户编程接口，让用户定制或控制相关的计算和输入。 3 2 2f l u e n t 物理模型 f l u e n t 软件提供了从不可压到可压、层流、湍流等很大范围模拟能力。在f l u e n t 中，输运现缘的数学模型与所模拟的几何图形的复杂情况是结合在一起的。f l u e n t 应 用的例子包括层流非牛顿流的模拟，涡轮机和汽车引擎的湍流热传导，锅炉内煤炭粉碎 机的燃烧，可压射流，空气动力外流，以及固体火箭发动机的可压化学反应流。 为了与工业应用相结合，f l u e n t 提供了很多有用的功能。如多孔介质，块参数( 风 扇和热交换) ，周期性流动和热传导，涡流，以及移动坐标系模型。移动参考系模型可 以模拟单一或者多个参考系。f l u e n t 还提供了时间精度滑动网格方法以及计算时间平 均流动流场的混合平面模型，滑动网格方法在模拟涡轮机多重过程中很有用。f l u e n t 中另一个很有用的模型是离散相模型，这个模型何以用于分析喷雾和粒子流。多项流模 型可以用于预测射流的破散以及大坝塌陷之后流体的运动，气穴现象，沉淀和分离。 湍流模型是f l u e n t 中很重要的一部分，湍流会影响到其它的物理现象如浮力和可 压缩性。湍流模型提供了很大的应用范围，而不需要对特定的应用做出适当的调节，而 且它涵括了其它物理现象的影响，如浮力和可压缩性。通过使用扩展壁面函数和区域模 型，可以对近壁面的精度问题有很好的考虑。 3 3f l u e n t 软件物理模型的选择 对于气固两相三维流场的模拟，目前有两种数值计算的方法：欧拉一拉格朗日方法 和欧拉一欧拉方法。 3 3 1 离散相模型 在f u j e n t 中的拉格朗日离散相模型遵循欧拉一拉格朗日方法。流体相被处理为连 续相，直接求解时均纳维一斯托克斯方程，而离散相是通过计算流场中大量的粒子，气 泡或是液滴的运动得到的。离散相和流体相之间可以有动量、质量和能量的交换。该模 型的一个基本假设是，作为离散的第二相的体积比率应很低，即便如此，较大的质量加 载率仍能满