（机械电子工程专业论文）涡轮式超细分级机分级流场的数值模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 涡轮式气流分级机是精密分级设备中非常重要的类型之一。涡轮式气流 分级机内腔流场是超细粉体同空气的混合两相流，其运动情况相当复杂。然 而，流场是否稳定，是否有利于粗细粒子的有效分散等等问题是决定超细分 级设备设计成败的关键；掌握分级机流场的流动特性以及粒子的运动规律对 于设计合理的分级腔结构，调整摄佳的系统操作参数等具有十分重大的意义。 首先，本文应用流体力学及数值计算方法，借用成熟的商用c f d 分析 软件p h o e n i c s ，对一种新型的涡轮式气流分级机，即f w 一中1 5 0 型卧式 涡轮分级机的内腔两相流流场运用气固两相流的双流体理论模型和颗粒随 机轨道模型进行数值模拟。数值模拟结果表明，( 1 ) 在涡轮达到工作转速时， 在分级区域形成了一个与涡轮旋转方向相反的局部回流涡，它使得分离出来 的细粒重又被带回分级轮外边缘，从而严重影响分级机的分级效率；( 2 ) 粉 尘粒子在涡轮低速运动情况下，基本上能跟随气体运动，但随着转速加大， 两相之间出现了明显的速度滑移现象；( 3 ) 分级机工作时的风量也是一个比 较重要的操作参数，它可以直接影响到分级机内腔流场的稳定性，风量越大， 流场越稳定；( 4 ) 同直叶片形状相比较，带后弯导板的叶片，有利于改善流 场的稳定性，流场容易形成整体流，对提高分级效率和分级精度都非常有利： ( 5 ) 粒子轨迹线在涡轮转速较高时十分复杂，有的出现了反复的弹跳现象， 大颗粒不能通过分级区域而从进口返流了，只有细小的颗粒才从出口处流 出；( 6 ) 涡轮转速加大时，粒子的径向、轴向和切向速率出现了明显的类似 于正弦波的脉动现象，颗粒越小，脉动程度越为剧烈。 其次，通过对叶片流道内的流体运动进行理论分析得知，旋转机械的轴 向环流效应是分级流场局部涡流形成的主要动因，但改变叶片形状，特别是 采用后弯形状叶片，在一定程度上能使流场稳定性得到改善。 最后，将部分数值模拟结果与前人的理论计算结果及实验数据进行比 较，他们在一定程度上是吻合的。这些模拟结果，从不同侧面描绘出了粉体 与空气在涡轮内腔的真实流动状态，为在今后的设计工作中优化分级涡轮的 结构形状，合理调整各种操作参数，提供了一定的理论依据。 关键词：涡轮分级机，气固两相流，计算流体力学，数值模拟 l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 、l r b oa i rc l a s s i f i e ti sa i m p o n a n ts t y l eo f a c c u r a t ed a s s i f y i n gf a c i l i t i e s t h e n o wf i e l do fi n n e rc a v i t yi nt u r b oa i rc l a s s i f i e ri sag a s - s o l i dt w op h a s en o w o f a i ra n du l t r a f i n ep a n j c l e s ，a n dt h es t a t eo fi t sm 0 v e m e n ti sq u i t ec o m p l i c a t e d h o w e v e r w 血e t h e rt h en o w f i e l di ss t e a d ya l l di si nf a v o r0 ft h ee m 圮t u a ld i s p e r s e b e t w e e nt h ec o a r s ea n df i n ep 0 、v d c ra n ds oo n ，a r cs o m ep r o b l e m sw h i c hc a n d e t e 吼i n ew h e t h c rt h e d e s i g n f o r t h eu 狐a f i n e c h s s i f y i n ge q u i p m e m s i s s u c c c s s f u lo rn o t ；a n db e s i d e s ，i no r d e rt od e s i g nr e a s o n a b l ed a s s i f y i i l gc h a m b e r s t r u c t u r ea i l da d j u s to p t i m a lo p e r a t i o np a r 锄c t e r s ，a 舒) 0 d 铲i po nt h ef l o w i n g c h a r a c t e r j s t i c so fd a s s i f y i n gn o wf i e l da n dm o t i o nm l e so ft h ep a r t i c l e si sv e r y e s s e n t i a la i l ds i g i l i f i c a n t f i f s t ，i nt h i sp a p e la sf o ran e wt y p eo ft u r b oa i rc l a s s i f i e r ，f 1 v 由1 5 0 h o r i z o n t a lt u r b i n e s u p e r f j n e c l a s s i f i e r t h et h e o r i e s0 f h y d r o d y n a m i c s a n d n u m e r i c a ic a l c u l a t i o ni sa p p l i e dt on u m e r i c a l l ys i l l l u l a t et h eg 醛- s o l i d 柳op h a s e n o wf i e l do ft h ei n n e rc a v i t yb e t w e e nt w ob l a d e si nc l a s s i f i e rb yv i n u eo fa m a t u r cc o m m e r c i a lc f dc o d ep h o e n i c s i nt h ec o u r s eo ft h es i m u l a t i o n ，t h e t h e o r e t i c a lm o d e lo ft w on u i da n dt h es t o c h a s t i ct r a j e c t o r ym o d e lo f p a n i c l c si n t w o p h a s en o w sa r eu s e dr e s p e c t i v e l y t 1 i ec a l c u l a t i o nr c s u l t ss h o w st h a t ，( 1 ) w h c nt h er o t o rr o t a t e sa tt h ew o r l 【i n gs p e e d ，al o c a lr c g u r 舀t a n tw h i r l p o o lt h a ti s r i g h t a b o u t t ot h er o t o r s r o t a t i n g d i r e c t i o n a p p e 盯s i nt h e d 懿s i f y i n gf e 舀o n ， w h i c hm a k e st h e s e p a r a t e d g r a n u l e s c o m eb a c kt ot h eo u t s i d eo ft h e d a s s i f i c a t i o nd i s t r i c ta i l di n f l u e n c e st l l ed a s s i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft h et u r b i n e d 雏s i f i e r ；( 2 ) i nt h ec o n d n i o no fal o wr o t a t j i l gs p e e do ft u r b om t o r ，u l t r a f i n e p a n i c l e sc a nf o l l o wt h eg a sp h a s eb ya n dl a r g e ，b u t w h e nt t l e r o t a t i n gs p e e d i n c r e a s e s ，ap h e n o m e n o no fv e l o c i t ys l i p p a g eb e t w e e nt w op h a s e sa p p e a r s e v i d e n t l y ；( 3 ) ao p e r a t i n gp a r a m c t e r a i rf l o w r a t ei ss oi m p o r t a n tt h a tc a nd i r e c t l y i n n u e n c et h es t a b i l i t yo fn o wf i e l di nc l a s s i f y i n gc h a m b e r t h eb i g g e rt h ea i rn o w 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 r a t ei s ，t h es t e a d i e rt h ef l o wf i e l di s ；( 4 ) c o m p a r e dw i t hs t r a i g h tb l a d e s ，l h en e w s h a p eo fb l a d e sw i t i lb a c k w a r dc f o o k e d e l b o wa r eh e l p f i l l t oi m p r o v et h es t a b i l i t y o fn o wf i e l da n df b h nw h o l es t r e 鼬e a s i l y ，a l s ob e n e f i c i a lt o a d v a n c et h e c l a s s i f i c a t i o n a c c u r a c y a n dc l a s s i f i c a t i o n e m c i e n c y ；( 5 ) t h e m o t i o nt r a c co f p a n i c l e sa r ev e r y m p l i c a t e dw h c nt h et u r b or o t o r r o t a t e sa tah i 曲s p e e d ，t h e n s t a n tb o u n c eo ft h e p a n i c l e sa p p e a r b e t 、e e nt h eb l a d e sa n dt h ec o 盯s e p a n i c l e sa r ee v e b o u n c eb a c kf r o m t h ei n l e t ，o n l yt h ef i n c rc a np a s st h m u 曲t h e c l a s s i f i c a t i o na r e af m mt h eo u l e t ；( 6 ) a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h em t o r s r o t a t i n gs p e e d ，r a d i a l 、a ) 【i a l a n dt a l l g e n t i a l v e l o c i t y a l l b e g a i n t on u c t u a t e r e p e t j t i v e l yl i k es i n e - w a v e ，t h es m a l l e ft h ep a n i d e sa r e ，t h em o r ev i o l e n t l yt h e y n u c t u a t e s s e c o n d ，at 量l e o r c t i ca n a l y s i s o ft h en o wm o v e m c n ti nt h ef l o wc h u i u l e l b e t w e e nm ob l a d e si sm a d e a n dt h er e s u l tr e v e a l st h a tt h ea x i a lc i i 饥m f l u e n c e p h e n o m e n o no f t e ne x s i s t si nr e v o l v i n gm a c h i c si st h em a i nr c a s o nt h a tr e s u l ti n t h el o c a lc i r c u m n u e n c ev o t e xi t h ed a s s i f y i n gn o w f i e l d ，h o w e v e r w h e nt h e s h 叩e o f b l a d ei sd e s i 弘e di nr e a s o n ，e s p e c i a l l yt h eb a c k w a r dc m o k e db l a d e sa r c u s e d ，w h i c hc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo ff l o wf i e l dt os o m ee x t e n d f i n a l l y s o m es i m u l a t i o nr c s u n s 盯ec o m p 盯e dw i t ht h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n a n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，a i l dt h e ys h o w sag o o d c o n s i s t e n c y t h e s es i m u l a t i o n r e s u l t sd e s c r i b e dt h ea c t u a lf l o w i n gs t a t eo ft h ea i ra n dt h eu l t r 棚n ep a r t i c l e si n c l a s s i f y i n g c h a m b e rf r o md i f ! e e r e n ts i d e s ，w l l i c hc a np r o v i d es o m et h e o r c t i c c v i d c n c ef o ro p t i m i z i n gt h es t r i l c t u r eo f t h el u r b om t o ra n d a d j u s t i n gc o r r e l a t i v e o p e r a t i o np a r a m e t e r sa p p m p f i a t e l y i nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t u r b o c l a s s i f i e r ，g a s - s o l i d t w o p h a s e n o w ，c f d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章概述 粉体技术被看作是支持高技术工业最重要的基础技术之一，在微电子、 高级陶瓷、高聚物基复合材料、新型建材、高级纸张、高档油漆涂料、精细 化工、药品等领域的应用越来越广泛。现代工程技术的发展要求呈粉体状态 的原料和制品应具有细而均匀的粒度和尽可能低的污染程度。对这些粉体材 料的深加工主要采用了超细粉碎和超细精密分级技术。由于材料结构的不均 匀性，即材料结构强度存在差异，超细粉碎过程中极易引起粉碎产品粒度不 均匀：生产实际中，为达到粒度要求，而增加粉磨时间，导致增大粉碎能耗 和过碎粉现象发生：由于超细颗粒吸附和团聚作用，对生产微米级、特别是 亚微米级的超细粉，团聚作用明显加强等等。所有这些，将导致使用机械法 制造出的粉体粒度分布较宽( 往往在0 1 1 叻m 之间) 。而现代科技的发展迫 切需要超细且粒度分布范围窄、甚至单一粒径的粉体，为了满足对应用日益 增加的超细粉体的高标准要求，因此，在超细粉制备过程中，及时将符合要 求的产品分级出来具有十分重要的意义【l j i “。 1 1 超细粉体分级设备的分类 所谓“分级”，在粉体工程学上，广义的粉体分级是利用粉体颗粒的特 性( 如粒径、形状、密度、化学成份、颜色、放射性、磁性、静电特性等) 的差别将其分离的操作的总称；而狭义的粉体分级是利用颗粒的大小或形状 的差别将其分离的操作。按颗粒的大小而进行的分级称为粒度分级，而按颗 粒的形状进行的分级则称为形状分级。由于形状分级目前还处于实验室研究 阶段，没有达到实用化的程度，因此，我们逶常所提到的分级是指粒度分级【”。 超细粉体分级的原理是将粉体置于某种流体介质中，利用颗粒受到流体 力学作用时运动情况的差异，将颗粒群分为二组或二组以上的操作。在分级 时，必须有二个以上相反方向的力的作用在粉体颗粒上( 这些力可分为两类， 一类是使颗粒产生运动的力，另一类是阻碍颗粒运动的力) ，各个颗粒在受 武汉理工人学硕士学位论文 到这些力的作用时。由于颗粒本身某个特性( 如粒径、密度、磁性等) 的不 同，其运动的情况或者说其运动的轨迹就不同，这样就可以按所需的标准( 比 如粒径大于或小于某一值) 将特性不同的颗粒群分别集中到不同的地方，从 而将粉体按颗粒的某种特性进行分离。 超细粉体按被所使用流体介质的不同可分为干法分级( 主要是以空气等 气体为介质) 、湿法分级( 主要是以水等液体为介质) 和超临界分级( 介于 干法和湿法之间) ，其中，超细粉体的干法分级无论是从工艺过程还是能耗、 控制等方面都具有其优越性，所以，干式流体分级设备在工业中使用最为广 泛，设计新型的干法超细分级机，特别是关于亚微米级超细粒子的精密分级 近年来成为国内外专家们研究开发的主攻方向。 按照干法分级设备适应的粒径范围，可分为粗粉( 分级粒径大于 1 0 吮m ) 、细粉( 分级粒径为1 0 l o 毗m ) 、微粉( 分级粒径为1 1 即m ) 和 超微粉( 分级粒径在1 “m 以下) 分级机。按照分级的工作原理( 即利用何 种力与空气阻力相平衡) ，干法分级设备可分为如下的几大类： 干 法 分 级 设 备 一 一 一 备 离 旋 商 设 脯厂l j i l 皴 | | | 嗷 带 黝 嫩一三 一 一 一 一 ，l，f、i 厂，。i。j、。，l 武汉理工人学硕士学位论文 在工业上使用最多的是强制涡式离心力分级机，又称涡轮式气流分级 机，在各种类型的干法分级设备中其分级精度最高，是具有广泛研究价值和 发展前途的一种有代表性类型【4 1 。 1 2 涡轮式气流分级机的发展及研究动态 1 2 1 发展状况 日本、德国、美国等国家从二十世纪八十年代初就广泛地开展了超细粉 干法分级技术的研究，现已开发了多种形式高效精密分级机，一般适合于几 个微米及其以上的粒子分级，个别也可以达到分割粒径1um ，甚至低于1 um ，同时形成了系列化，具有自动化程度高、适用范围广等优点。例如： 日本细川公司研制生产的m s 型叶轮分级机、小野田水泥公司研制生产 o - s e p a 型高效分级机；德国舢p i i l e 公司制造的a 卯型分级机、m p 涡流式 分级机；美国d o n a i d s 0 n 公司开发的a c u c u t 型分级机等等。 我国超细粉制备技术与设备的发展大体上经历了三个阶段：从八十年代 初到八十年代中期以引进为主；八十年代中期至九十年代中期属于引进与国 内仿制发展同步进行的时期：九十年代中期以后，进入了自主开发和制造为 主、引进为辅的阶段。到目前为止，我国开发的主要干式超细分级机有咸阳 非金属矿研究设计院研制的o f 型系列微细空气分级机，同济大学研制的涡 轮式超细分级机，上海化工装备研究所研制的s f d 3 型分级机和s c h 1 型 超高速叶轮转子型分级机，上海化工机械三厂生产的f q z 和f y z 型超微分 级机，南京化工大学研制的n h f 型超细干法系列分级机，南京理工大学研 制开发的p s 型园盘分散分级机，南京工业大学研制开发的高效离心涡轮式 超细分级机，沈阳飞机研究所研制的f j j 型分级机以及昆山市超微粉碎机厂 生产的w f j 型涡轮式分级机等。 涡轮式气流分级机结构上的共同特点是具有高速旋转的分级叶轮( 转 子) ，在分级室内形成强制涡流的离心力流场，粉体颗粒在离心力和流体阻 力的作用下按颗粒的大小进行分级，所以这种分级机又称为转子式分级机。 由于颗粒所受到的离心力是其重力的数百倍甚至上千倍，因此，与其他的分 武汉理工大学硕士学位论文 级设备相比，这种分级机处理量大、分级粒径小、分级精度较高。 下面以日本细川公司研制生产的一种标准形分级机m s 型叶轮分 级机( 图1 1 所示) 为例，介绍涡轮式超细分级机的结构及工作原理，其它 形式与之基本相同。 该机的分级原理是待分级物料和一次气流从给料管、可调管进入机内、 经气流分布锥而进入分级区，轴带动分级叶轮旋转，细粒级物料随气流经叶 片之间的间隙向上通过细粒排出口排出，粗粒级物料被分级叶轮产生的离心 力甩到圆柱形壳体内壁向下运动，经环形体从机体下部的粗粒排出口摊出。 它的特点是引入了二次气流，冲洗粗粒物料中夹带的细粒，使其向上运动， 再次进入分级区分级，提高了分级效率和分级精度；其分级粒度的范围较宽， 为5 1 0 铆m ，处理量为1 0 5 0 0 0 k g l i ；调节二次气流与一次气流量之比和 改变分级叶轮的转速可控制分级粒径的大小；该类分级机已经实现自动控 制，可根据产品的不同要求在分级范围内进行调节【5 l f 6 】【7 】吼 l o 9 图1 1m s 型叶轮分级机结构示意图 1 一轴；2 一细粒排f 口；3 一分级叶轮；4 一圆柱形壳体；5 一气流分布锥：6 一二次气流入口 7 一可调管；8 一给料管；9 一粗粒排出口；1 0 一环形体 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 研究动态 为了实现高回收率和高精度分级，气流分级装置必须尽可能达到：( 1 ) 物料在分级前要充分分散；( 2 ) 分离作用力既瞬时作用于点或直线上，又持 久作用于整个分级区域内；( 3 ) 对气流作整流处理，避免产生局部涡流；( 4 ) 分离出的颗粒应立即卸出，避免再混合【9 】。然而在实际的分级过程中，由 于存在超细粉体颗粒难以分散、颗粒的团聚现象、分级流场气流分布不均匀 等等因素，特别是对于3um 以下的粉体的分级，往往难以同时达到较高的 分离粒度和精度两个指标。为了得到分级粒径小、粒度分布窄的超细粉产品， 以及满足产量高、能耗低、经济效益好等现代工业生产的要求，对于超细精 密分级机，国内外的学者们主要展开了以下几个方面的研究： ( 1 ) 研究丌发新的强有力的分散装置。目前，已经可以应用的有物理 方法和化学方法。化学方法中常用的是在前一级粉碎过程中分级前的物料中 添加分散助剂，但这种方法会增加生产成本，而且分散剂可能会污染物料， 故只在特殊情况下使用。物理方法中常用的是机械式或高速压缩空气式分散 装置，其中又以高速压缩空气式用得最多。另外，表面改性的化学法使颗粒 分散是超细分散的另一个重要途径。 ( 2 ) 分级流场的研究。分析涡轮式气流分级机分级流场的流动特性及 分级粒子的运动情况( 主要是气固两相流运动特性) ，弄清分级流场的影响 因素，设计出合理的结构形式，减少局部涡流的产生，使分级流场的流动状 态尽可能均匀。 ( 3 ) 分级力场的设计及新的分级原理的探索。通过对粒子表面特性、 界面状态以及粒子在不同介质和不同力场中的行为差异进行研究，寻找新的 原理、方法和途径，设计稳定、可调的力场，开发更加精细的新型超细分级 机。 ( 4 ) 性能参数和系统操作参数的研究。通过对分级机本身特性参数的 研究及分级系统( 或粉碎分级系统) 操作参数的分析，设计合理规格的分 级设备，优化结构参数和系统操作参数，使分级设备处于理想的工作状态， 即高效、节能、低耗。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 涡轮式气流分级机分级流场的研究现状【1 0 】【- 】【1 2 】i - ，1 【1 一 涡轮式气流分级机内腔流场是超细粉体同空气的混合两相流，其运动情 况相当复杂。然而，流场是否稳定，是否有利于粗细粒子的有效分散等等问 题是决定超细分级设备设计成败的关键；掌握分级机流场的流动特性以及粒 子的运动规律对于设计合理的分级腔结构，调整最佳的系统操作参数等具有 十分重大的意义。目前，对于分级流场的研究，主要有以下几个方面的成果： 1 3 1 理论分析方面 关于分级流场及粒子运动规律的基本理论研究，h o nd n s 等人【1 5 j 对3 种流动状态下粒子的运动进行了描述，如图1 2 所示。在平板层流运动中， 从图1 2 ( a ) 可以看出粗粒子几乎成直线地落到平板上，粒径5 1 陬m 的细粒 子成抛物线落到平板上，而小于地m 的超细粒子则继续在层流气流中漂移， 同时，由于与气体分子碰撞而显示出随机的布朗运动特性。在平板湍流的流 动形态中，从图1 2 ( b ) 可以看出沿x 轴、y 轴及z 轴产生了脉动速度，这些 湍流脉动速度将促使额外压力损失的增加。粗粒子的运动情况取决于时均速 度分布和脉动速度，或直线或抛物线地落到平板上，细粒子不一定落到平板 上，有些则要继续随湍流气流游动，因此，这会阻碍气流中细粒子和超细粒 子的分级。要对湍流流场中的细粒子和超细粒子进行分级，必须借助其它力 ( a ) 层流流动的速度分布 1 一粗粒；2 一鲺| 粒；3 一小于o 5 的粒子( 布朗运动) tv 一层流速度 g 武汉理工大学硕士学位论文 ( b ) 湍流流动的速度分布 1 一粗粒；2 一细粒；3 一小于o 5 p m 的粒子( 布朗运动) ；v 。，v ，一湍流速度 ( c ) 湍流流动的旋转速度分布 1 一粗粒；2 一细粒；3 一小于0 5 的粒子( 布朗运动) ；v 一湍流旋转速度；妒一离心效应 ( 妒= 曙g r ) 图1 2 流体的三种流动形态及粒子的三种运动形态 场。在有限旋涡室内的湍流旋转流的流动形态中，如图1 ，2 ( c ) 所示，在离 心力场中出现粗细粒子附壁现象，这种现象对粉尘的捕集有利，但对分级而 言却是极大的不利，若将不利因素转化为有利因素，也可达到分级的目的。 7 ， g 武汉理工大学硕士学位论文 实际中，上述的研究成果已成功地应用于有效碰撞分级机( v i ) 、射流分级 机等。 日本研究人员y u i c h is a i d 和y u 虹v o s h i 址i a d a 【1 6 l 在势能流的基础 上，建立速度分布规律和粒子运动规律的微分方程用有限元方法得到流场特 性和粒子运动轨迹，见第五章中所述。国内，北京化工大学刘家稼等人依据 湍流基本概念和涡频谱基本理论，讨论了涡轮分级机内不同频率、不同尺度 的湍流涡对物料分散和分级精度的影响，提出高频脉动的小尺寸湍涡有利于 团聚体解吸、物料的分散，能提高物料分级精度和分级效掣1 。”。南京化工 大学材料学与工程学院的钱海燕等利用流体力学的能量方程，分析了分级机 内速度和压力的分布，并指出在外旋流中，流体质点的切向速度与半径按双 曲线规律变化；内旋流中，切向速度随半径增大而增大。外旋流中的压力按 抛物线规律分布，内旋流中的压力按双曲线规律分布 i 8 l 。 1 3 2 数值模拟方面 北京科技大学的徐政等人针对一种转子型气力超细分级机，将转子叶片 之间的流场看成三维单相湍流旋转流场，并对影响分级流场的几种主要参数 进行了模拟研究【”】。例如：叶片长度的增加有利于叶片问流场的层流化， 即有利于超细分级：负角度( 后倾) 安装的叶片其叶片间的流场趋于稳定， 即有利于超细分级；叶片间距越小越有利于超细分级的进行；随着转速的增 目国 园团 国园园匿j 图1 3 叶片不同安装角度对流场的影响 8 x y l 武汉理工大学硕士学位论文 目豳盟 图1 4 转速在1 0 0 0 r m i n 下，不同叶片间距对流场的影响 豳团圆 图1 5 转速在6 0 0 0 ，m i n 下，不同叶片间距对流场的影响 大，分级区域内的切向速度逐渐增大，即速度矢量向工作叶片倾斜，这将导 致颗粒随气流以较高的速度撞击到叶片上，引起颗粒的弹跳，粗粒子有可能 ，被弹入叶轮内部而影响分级精度；但另一方面，叶轮转速的提高使叶片问粒 子所受的离心力增大，分离粒径降低，因此，需要综合考虑转速对分级机性 能的影响，而不是简单地增加转速以达到超细分级的目的。图1 3 、图1 4 、 图1 5 分别表示不同安装角度、不同叶片间距以及不同转速下的流场的数值 模拟结果。 华东理工大学的蒋士忠、王家贤等人根据一种卧式涡轮分级机的气流 场，建立三维轴对称流场的旋转模型，采用一定的数值计算方法，计算出了 涡轮轴向的气流速度分布规律和气流在涡轮周向的速度分布曲线。得出涡轮 直径越大、涡轮宽度越窄，则沿涡轮轴向的气流速度分布越均匀；涡轮的安 装位置影响气流的周向速度分布，为了使气流速度分布达到基本对称，涡轮 应稍稍偏向叶片轴侧 2 0 】。 另外，刘雪东等人采用七一e 双方程湍流模型处理离心式空气分级机内 9 武汉理工大学硕士学位论文 腔湍流场问题，进行过数值模拟计算，也得到了气流速度和压力分布的一些 规律【2 l l 。 这些研究对涡轮式气流分级机的流场规律从不同的侧面进行了描述，也 获得了一些有价值的结论。 1 3 3 实验测量方面 针对涡轮式分级机，国内孙国冈4 等人用智能型五孑l 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【2 2 】。实验测得的该流 场不同于一般的切流式旋风分离器或旋流器内的旋转流场，它是一个复杂的 多区三级旋转流场，基本流型是靠近器壁处气流旋转向下运动，分级轮底部 以下的中心区域则是三向速度都很小的滞流区，边壁下行流区和中心滞流区 之间，气流则是旋转上行，除了主流型之外，机内还存在许多复杂的局部次 级流动。分级轮附近气流旋转速度比分级轮外缘的旋转线速度低许多，叶片 之间的流场与叶轮到外壁之间的流场差别很大，特别是靠近叶轮边缘的流场 更加复杂。 1 。4 论文的选题意义和本文的主要工作 掌握分级机分级流场的运动特性及粒子在流场中的运动规律，从而设计 出更加稳定和可调节的力场，一直是国内外学者们急待解决而又感到困难的 问题。由于理论模型的不完善，实验测试手段的有限性，以及气一固两相流 的复杂性，对分级机内腔流场的研究目前尚处于一种摸索阶段。近年来，随 着空气动力学的发展，对强流旋转流场的理论研究取得了很大的进展，同时 随着计算机科学的发展使得计算流体力学( c f d ) 已成为流体机械内部流动 分析的主要方法之一，应用范围日益广泛。由于物理模型的改进和计算能力 的不断增强，数值仿真的精确度和可靠性不断提高，c f d 为研究涡轮分级 机内腔的复杂旋转流场提供了条件。已成为解决此类问题的强有力的工具。 以往文献资料表明，关于分级机分级流场的数值模拟研究，都是在单相 流的基础上进行的，这并没有真正地捕捉到流场中颗粒与气流的真实流动信 息。另外，超细粉体的流动特性，具有宏观上的连续性和微观上的离散性， 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 把粉尘颗粒从微观上加以离散，考察其独立个体的运动规律或运动轨迹，从 而揭示其整体宏观上的运动特性，也将具有重要的理论意义。鉴于以上原因， 本文将应用流体力学及数值计算方法，借用成熟的商用c f d 分析软件 p h o e n i c s ，对一种新型的涡轮式气流分级机，f w 一由1 5 0 型卧式涡轮分 级机的内腔两相流流场运用气一固两相流的双流体理论模型和颗粒随机轨道 模型进行数值模拟，旨在前人的研究成果上，再迈进一步。这些模拟结果， 能够详细地描绘出粉尘与空气在涡轮内腔的真实流动状态，从而找出影响涡 轮气流分级机分级效率和分级精度的重要因素，这对于在今后的设计工作中 优化分级涡轮的结构形状，合理调整各种操作参数，必将具有重大的指导意义。 本文主要工作如下： ( 1 ) 运用计算流体力学的双流体模型对分级涡轮两叶片间的气固两相 流进行数值模拟。 ( 2 ) 运用计算流体力学的颗粒随机轨道模型对分级涡轮两叶片间粒子 的运动轨迹进行数值模拟。 ( 3 ) 设计一种新型的叶片形状，并用以上方法进行数值模拟。 ( 4 ) 将部分模拟结果与理论分析及前人的理论研究成果进行比较，从 而论证数值模拟的可靠性。 ( 5 ) 利用现有的实验系统，设计合理的实验方案，对部分模拟结果进 行验证。 亟垫里三奎兰堡主堂堡垒茎 第2 章涡轮分级机及模拟软件介绍 2 1f w 一中15 0 型分级机 f w 由1 5 0 型卧式涡轮分级机是武汉理工大学机电工程学院粉体研 究室研制开发的一种生产与实验两用型的高效精密超细分级设备，本文数值 模拟物理模型的建立，各种试验操作参数的获得，以及模拟结果的试验验证 都是基于该种分级设备，图2 1 是f w 一巾1 5 0 型卧式涡轮分级机主体部分 的结构图。 图2 1f w 型卧式涡轮分级机结构 1 一轴承；2 主轴：3 一主轴皮带轮；4 一电机；5 一电机皮带轮：6 一涡轮；7 一简体；8 一反冲气套 传动部分包括支承在滚动球轴承1 上的轴2 ，安装在轴上的皮带轮3 ， 电机4 和皮带轮5 等其它一些附件，电机通过皮带轮带动支承在精密滚动轴 承上的主轴，其转速可由变频器调整。作为主体的分级部分由涡轮6 、简体 7 和反冲气套8 组成，涡轮采用径向均匀布置叶片的鼠笼式形式，叶片数量 根据分级机规格大小不同在3 6 1 加片之间不等，涡轮以悬臂方式联结在主 武汉理工大学硕士学位论文 轴上，在简体内作高速旋转运动，产生了强制涡旋转流场，使物料大小粒子 产生分离。反冲气套的作用是保证分级精度。 f w 型卧式涡轮分级机是根据物料颗粒的大小不同，在旋转气流场内受 到的离心力大小也不同的原理进行分级的。图2 2 是分级区物料的运动情况。 图2 2 分级区粒子的运动 l 一空气+ 物料；2 一宇气+ 细粒 3 一叶片；4 一流线 涡轮在筒体内高速旋转，形成一个宽度为h 的分级区域，空气从涡轮外 部引入，在分级区中心有由抽风机产生的轴向抽吸力，使筒体内形成负压， 其中涡轮中心的负压最低，待分级的物料被负压抽吸带到涡轮外边缘附近形 成分级区，同时，由于涡轮作高速旋转，使气流呈螺旋状向涡轮中心运动。 假设粒子向涡轮中心运动的径向速度为f ，由惯性离心力产生的背向涡轮 中心的速度为屹，即所谓径向沉降速度。沉降速度因粒子大小而不同。当 屹 一时，粒子将被甩离涡轮；当匕= 一时，粒子在一确定 的半径上处于平衡状态，这是一种理想状态，此时粒子的粒径就是所谓的分 级粒径。涡轮分级机的分级粒径大小与涡轮转速、抽风机风量、风压及结构 参数有关，对于一个结构尺寸确定的涡轮分级机，通过改变前三个参数到合 适的程度，可得到理想的分级粒径。 该机具有一系列的优点：由于高速旋转时的叶片产生稳定均匀的强迫涡 旋流场，使粉体粒子在强制离心力场与负压场两者作用下分离，所以精度相 当高，最适合超微粉体的精密分级；这种涡轮分级机高速旋转的特殊转子， 13 武汉理工大学硕士学位论文 使附着力和凝聚力极强的超微粉体能够较好地分散，提高了分级效率；通过 调整操作参数和改变结构，如涡轮转速、空气流量、涡轮直径以及涡轮叶片 数量等，可使分级粒径在1 1 0 吮m 之间的粒径范围内任意选择，经对多种 非金属矿物的工艺试验，该机对5 1 吮m 的超微粉体具有最理想的分级效 率和分级精度；由于主要工艺参数，涡轮转速通过专设的变频机构得以无级 调节，同时通过改变风机排风门的开度调节空气流量，因此这种涡轮分级机 操作和调节十分方便【2 w 。 2 2p h o e nlc s 软件 二十世纪六1 年代起，随着计算机技术的迅猛发展，作为流体力学的一 个分支一计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 枷i c s ，以下简称c f d ) 也迅 速崛起。c f d 是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解固定几何 形状空间内的流体的动量、热量和质量方程以及相关的其它方程，并通过计 算机模拟以获得某种流体在特定条件下的有关数据。至今，c f d 技术的应 用早已穿越传统的流体力学和流体工程范畴，如航空、航天、船舶，动力、 水利等，而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域中去了。 c f d 技术能够对工程应用中出现的有关流体流动、传质、传热、燃烧、 分解反应等各种现象进行数值预测研究，给出相应的温度场、压力场、组分 浓度场、颗粒浓度场，三维流场、燃烬率、分解率等信息，预测过程的显示 直观、生动，可视化效果好，为分析、方案优化各种设计参数及机件结构形 状提供理论依据，避免了昂贵的实验手段，比较于传统的工程研究方法，具 有快速、经济，低风险，短周期等优点。同时，c f d i 技术是一个多学科、 多专业横向交叉的技术，它涉及到流体力学、工程传热学、数值分析、计算 机技术、偏微分方程的数学理论等等，这样对于一个普通的工程应用人员来 说，去编制一套完整的数值模拟计算机程序，哪怕是其中的一小部分，也是 非常艰难的事情。事实上，借助国外成熟的c f d 通用性软件为我们所用， 在此基础上按工程需要作二次开发，就可以避免繁琐的编程任务，把工程应 用者从这种重复劳动中解放出来，把时间和精力真正放在那些具体需要解决 的物理问题的本身，这无疑使得我们的工程研发工作更具有高效性，也是一 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 种进步【2 4 】【2 5 】。 c f d 技术发展成熟的一个重要标志是近十几年来，各种c f d 通用性软 件包陆续出现，成为商品化软件，为工业界广泛接受，性能日趋完善，应用 范围不断扩大。在众多c f d 商业软件中，p h o e n i c s 是世界上最早投放市 场的一个。它是由英国帝国理工学院d b s p a l d i n g 教授所创立的c h a m 公 司的主要产品，自1 9 8 1 年投放市场以来，已在全球的大学、研究所以及工 业界得到了广泛的应用。p h o e n i c s 在各种尖端武器的设计、中长期天气、 海浪预报、汽车外形、离心机械、风机、发动机、化学反应器、水泥回转窑 的设计、锅炉燃烧、金属冶金等领域已取得了大量成功的先例【2 6 j 。 涡轮式气流分级机内腔是空气和粉尘的气固两相流动，其流场流动特 性非常复杂。多年来，无论是理论计算还是实验测量，都很难客观的描述其 流场。本文将取f w 一巾1 5 0 型卧式涡轮分级机的内腔流场为物理模型，借 用成熟的p h o e n i c s 商用软件，对涡轮转子叶片之间的流场的流动特性及 粒子的运动轨迹进行数值模拟，显然，这是一种创新性的研究工作。 2 2 1 软件组成【2 7 】【2 8 】 p h o e n e c s 具有较强的前处理和后处理能力，便于使用者对其计算结 果进行直观的阅读和分析。该软件主要由前处理器( p r c p - o c e s s o r ) 、求解器 ( s 0 1 v e r ) 和后处理器( p o s t p m c e s s o r ) 三大模块化结构组成，并可独立运 行，其组成结构及模块与模块之间的关系如图图2 3 所示。 在前处理器中，包含v r e d i t o r 和s a t c l l i t e 两个子模块。用p h o e n e c s 程序专用的高级语言( p i l 语言) 所编写的数据源输入文件( q 1 文件) 均可由这 两个子模块读入。 求解器由e 越盯h 模块构成，由它来计算由用户定义的各种偏微分方程 组，并输出计算结果文件。在整个计算过程中，使用者可以通过显示屏对计 算区域任一网格单元内的参数变化趋势及收敛性进行动态监控，可中途干 预、修改、暂停，并可以做修改参数后的再启动计算。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 p h o e n i c s 软件的结构组成及运行示意图 在后处理器中，主要包含p h o r r 0 n 、v r v i e w e r 和a u t o p l o t 三个子 模块。这三个模块都可以读入由e a r t h 计算产生的结果文件( p h i 文件) ， 并以图形化的方式显示，方便用户阅读和分析。 2 2 2 基本原理 ( 1 ) 变量 p h o e n i c s 中的变量可分为独立变量和辅助变量，又可分为标量和矢 量。独立变量产生于守恒方程，它有标量，也有矢量；辅助变量是一种常量， 它用代数式表示，它有标量，也有矢量。例如， 独立变量中的标量有：压力，温度，焓，质量分数，体积分数，湍流动 能等。 矢量有：速率，辐射流量，空间位置等。 辅助变量中的标量有：密度，粘度，传导率，扩散率，吸收率，热膨胀 系数等。 矢量有：重力，各种体积力等。 p h o e n i c s 所采用的数值计算方法是有限体积法。所谓有有限体积法， 它是以基本守恒方程为出发点，通对流体体运动的体积域的离散来构造积分 武汉理工大学硕士学位论文 型离散方程，这种方法便于模拟具有复杂边界区域的流体运动。 对于一个空问三维的模拟域，网格划分后的每个单元是一个六面体形 状。如图图2 4 所示。 图2 4 六面单元体方位示意图 如果空间