超细搅拌磨数值模拟研究

赵梅　韦智豪　杨宇　刘啸天　李天娇

当前，超细搅拌磨广泛应用于矿物加工领域，其应用极大促进了超细粉体的发展。本文基于fluent软件建立超细搅拌磨三维数值模型，分析了超细搅拌磨的内部流场特性，获得了流场的速度分布和湍流强度的分布规律，研究了不同转速对湍流强度的影响规律。研究结果对于开发新型超细搅拌磨设计和运行具有指导意义。

超细搅拌磨;流体仿真;数学物理建模;转速

0 前言

目前国内外学者对超细搅拌磨开展了研究且获得了一定研究成果。张国旺等对超细搅拌磨机的流场进行了数值模拟研究，分析了不同类型的搅拌器对超细搅拌磨研磨室内流场特性的影响。研制出了大型超细搅拌磨机并成功应用于生产亚微米超细重质碳酸钙。孙新明采用DEM-CFD固液耦合法对搅拌磨进行了仿真与实验研究，分析了矿浆对搅拌磨的影响规律。任廷志采用EDEM技术对塔式磨机进行研磨过程数值模拟研究，结果表明搅拌器转速、直径和介质填充率越大，塔式磨机的研磨力越大结论。Simon Larsson等人提出一種模拟搅拌磨浆体、研磨介质和磨机结构之间物理相互作用的新方法。

本文借助fluent软件对搅拌磨流场开展数值模拟研究，为超细搅拌磨设计提供设计依据。

1模型的建立

1.1 几何建模

超细搅拌磨的几何模型如图1所示，为了节省计算时间，忽略进出口物料流动对流场的影响，即假设整个研磨室是封闭的，无物料进出，其具体几何尺寸见表1。

1.2 网格划分与边界条件

超细搅拌磨在研磨过程中采用非结构化的混合网格划分，并对搅拌器壁面进行局部网格加密处理。划分后的网格如图2所示。固体表面边界条件采用无滑移网格边界条件;搅拌器设为旋转壁面，转速分别设为n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。

2 结果分析

取转速n=500 r/min、n=600 r/min和n=700 r/min。以搅拌棒臂长为特征长度，通过计算，n=700 r/min时雷诺数Re=709<Re=2 300，故采用湍流模型进行流场分析。

2.1 速度场分析

棒式超细搅拌磨转数n=700 r/min时不同截面的速度等值线分布如图3所示。从图3（a）和（b）显示，在搅拌棒的周围和搅拌棒顶端到搅拌桶内壁面的区域等值线分布较密，即速度梯度较大;但在搅拌棒之间的区域及搅拌器上部空腔靠近自由液面的区域的速度梯度较小。从图3（c）中还可以看出搅拌棒前端的等值线分布较后端密集。

2.2 湍流强度分析

图4结果表明，在搅拌棒顶端处及靠近壁面附近区域的湍流强度较大，说明此区域内有利于浆料的研磨粉碎;在搅拌棒之间及搅拌装置上部空腔区域中，湍流强度相对较低，说明了在这些区域中研磨效果不佳。

图5所示，其湍流强度主要分布在20%～40%之间，转速n=700 r/min时占比67.59%，转速n为600 r/min时占比为71.28%，转速n=500 r/min时占比为71.15%;在湍流强度为10%～20%时，低转速下的对应比重远远高于高转速时的湍流强度占比。当湍流强度大于30%时，低转速下的湍流强度对应比重低于高转速时的占比，且流体湍流强度随转速的增大而增大。

3 结论

通过开展超细搅拌魔数值模拟研究，主要得出以下几点结论：

（1）建立了超细搅拌三维数值模拟模型，并分析了不同转速对湍流强度的影响规律。

（2）在搅拌棒上流体速度随径向距离增大而增大，在搅拌棒附近及搅拌棒顶端到内壁面之间的区域速度梯度较大，此处为超细搅拌磨的主要研磨粉碎区域;其他区域的速度梯度小。

[1]张国旺.超细搅拌磨机的流场模拟和应用研究[D].长沙：中南大学，2005.

[2]张国旺，黄圣生.高效超细搅拌磨的设计和应用[J].矿山机械，2002（7）：15-17.

[3]宁晓斌，孙新明，佘翊妮，等.搅拌磨DEM-CFD耦合仿真研究及搅拌器强度分析[J].有色金属工程，2016（4）：63-67+72.

[4]任廷志，李卓，刘长远，等.基于离散元法的塔磨机数值模拟分析[J].中国粉体术，2016，22（4）：88-91.

[5]吴建明，曹永新.GJ5×2大型双槽高强度搅拌磨机的开发与应用[J].有色金属（选矿部分），2009，61（3）：46-51.

At present， the ultra-fine stirring mill is widely used in the field of mineral processing， and its application greatly promotes the development of ultra-fine powder. In this paper， a three-dimensional numerical model of the ultra-fine stirring mill is established based on the fluent software， the internal flow field characteristics of the ultra-fine stirring mill are analyzed， the velocity distribution of the flow field and the distribution of turbulence intensity are obtained， and the influence of different speeds on turbulence intensity is studied. The research results have guiding significance for the development of the design and operation of a new type of ultrafine stirring mill.

ultrafine stirred mill;fluid simulation;mathematical-physics model; rotate speed