预热器撒料盒实验仿真计算研究

张凯 ，陶从喜 ，王洪霞 ，刘继开

1 引言

撒料盒是预热器风管的重要组成部分，随着国内外节能降耗的呼声越来越高，提高预热器换热能力的需求也越来越高，而撒料作为生料换热的重要一环，也引起了技术工作者的重视。由于撒料实验耗时耗力，而通过CFD数值仿真计算来研究撒料盒技术也越来越普遍，只是撒料过程涉及浓相，CFD软件中的模型都无法准确对其进行模拟，为此必须通过实验对模型参数进行修正，以便得到更好的仿真计算结果。

2 物理模型分析

撒料盒物理模型主要依照实际实验模型进行建模，建模过程中忽略了一些次要的结构，得到了两个模型（见图1）。因为建模时并不知道下料管中翻板阀对实验的影响，为了讨论翻板阀对仿真计算的影响，故做了两个模型，原模型不包括翻板阀，而改进模型包括翻板阀，并且下料管的长度略长一些。除此外，两模型的其他尺寸参数完全相同，如图1所示。

3 计算模型分析

本研究所涉及的撒料盒内颗粒浓度较高，而欧拉模型对此种情况有较高的计算精度，故选用欧拉模型。此外，撒料盒内颗粒之间的粘度并不是非常大，所以并不选用颗粒相的体积粘度模型和摩擦粘度模型。撒料盒内颗粒浓度较大，颗粒之间的碰撞较为剧烈，从实验结果上看颗粒的动量损失较大，弹性碰撞较低，故调低颗粒相的碰撞回归系数。

对于k-e湍流模型，per phase ke模型适用于湍流传递在相间起重要作用的情况，而mixture phase k-e模型适用于气固两相相间分离或分层的情况。物料从撒料盒到地面伴随着颗粒相和气相的分离，故选用mixture phase k-e模型。

图1 物理模型

表1 原计算模型参数

表2 改进计算模型参数

对于物理模型的修改，主要是在料管的模拟过程中加入锁风阀，这样将更加贴近实际，也可以解决原模型来料速度与实际不符的情况。

3.1 原模型

原模型着重考虑高浓相颗粒之间的相互作用和传热，并且对颗粒相和空气相之间的曳力进行详细模拟。特别湍流模型采用分相求解，选用per phase k-e模型。模型参数见表1。

3.2 改进模型

表3 物性参数表

因为撒料实验伴随明显的颗粒相和空气的分离，所以改进模型把颗粒相和空气相之间的相互作用用一个方程求解，而不分相求解。湍流模型选用mixture phase k-e模型。模型参数见表2。

4 模拟物性参数及初始条件

表4 初始条件

图2 结束撒料后速度图

图3 结束撒料后5s速度图

图5 结束撒料后速度图

空气相物性参数采用常温的空气密度和粘度，而颗粒相密度采用实际生料的密度，而粘度采用和常温空气物性参数相近的粘度。颗粒粒径50μm。模拟初始条件完全和实验条件一致，具体参数见表3、表4。

撒料过程：撒料1s后，停止撒料，让料自由向下流动。

5 计算结果及讨论

（1）5°，100mm，进口颗粒相体积分数为0.4工况

图6 结束撒料后5s速度图

图7 撒料终了结果图

从图2中可以看出，计算模型改进前，结束撒料后，料流几乎布满整个平面；而计算模型改进后，料流的速度显著降低，结束撒料后，料流还没有触及地面。与实验录像对照后，发现改进后的计算结果更接近实际。

从图3中可以看出，改进前，结束撒料5s后，料流速度有所降低，但是整个地面依然布满料流；改进后，料流降低速度更快，而且集中于地面的一点，这样更贴近实际。

从图4中可以看出，改进前，撒料终了，料分布于两个集中区域；改进后，料的分布区域变为一个较为集中的区域，与实验结果更为接近，不过分布区域离撒料盒较远。分析原因是料从撒料盒出来时速度较快，在空气中的飞行时间较长，所以飞行得较远。

（2）5°，200mm，进口颗粒相体积分数为0.4工况

从图5中可以看出，改进前，结束撒料后，料流布满整个平面，且在整个平面的分布饱满；而计算模型改进后，料流的速度显著降低，料流还没有触及地面，与实际更加接近。

从图6中可以看出，撒料板加长后，改进前，结束撒料5s后，料流速度降低更快，但整个

地面依然布满料流；而改进后，料流降低速度变化不大。

从图7中可以看出，撒料板加长后，改进前，撒料终了，料分布于两个集中区域，且地面分布更加均匀；改进后，料的分布区域变为一个较为集中的区域，分布形状与实验十分相似，不过分布区域依然离撒料盒较远。分析原因是料从撒料盒出来速度还是较快，空气中飞行时间较长，故飞行得较远。

图8 撒料盒截面图

图9 改进前撒料盒内部速度云图

图10 改进后撒料盒内部速度云图

图11 改进前撒料盒外部速度云图

图12 改进后撒料盒外部速度云图

图13 改进前撒料盒外部速度矢量图

6 改进前后模型误差分析

以下把改进前后5°，100mm工况内部流场的分布进行具体分析，以便解释改进前模型误差主要原因。根据图8自右向左，逐步分析撒料盒内部的流场分布。

对比图9和图10，我们可以发现料流在冲击撒料板后，改进前，料中部不断向两侧挤压，使料流中部逐渐凹下去，这也是造成落在地面上的料分布在两个集中区域的部分原因。而改进后，虽然初期料流也出现了一定下凹，但是出料时，料面恢复到水平。其主要原因就是改进后的模型减小了料的易分散性，同时增大了壁面的阻力，减小料流的速度，这样就减缓料向两侧的挤压。

对比图11和图12，我们可以看出，改进前，除了料流的上部有一定的下凹，而且料流的下部也有一定上凹的趋势，并且随着料的运动，料流下部的上凹逐渐加大，最后使料落在地面的两块区域，这也验证了改进前模型的料分布计算结果。分析其原因，主要是由于料流速度较快，带动了料流下部空气的流动，但是由于料的屏障作用，使其发生了回流，如图13。回流的空气不断剪切料流的下部，使其逐渐上凹，最终分成两股落到地面上。而改进后，减小了料的分散性，并且通过调小气固两相间的曳力模型的自由沉降系数，减小料流的速度。所以计算结果显示料流无论上下都没出现凹进去的情况。

7 结语

通过实验结果修正后的撒料盒计算模型，计算的准确度大幅提高，已经完全能替代实验，对撒料盒的各种实验进行仿真，不仅节约了大量时间，也节省了人力物力，加快了撒料盒技术研发进度。■