涡轮式气流分级机叶片数对流场的影响

荣梅

（长江大学动物科学学院，湖北 荆州434000）

1 概述

粉体分离是一项比较成功的新型技术。涡轮式分级机作为生产超细铁粉体的核心设备之一，广泛应用于化工、石油、制药、畜牧等行业[1-8]。在畜牧业存在很多饲料需要进行处理，因此，本文从分级机内部流场中湍动能基点进行理论分析，设计四种新型的叶片数转笼，重点考察不同结构对分级机内部流程的影响，为后续涡轮式气流分级机的优化设计提供理论指导。

首先运用solidworks 进行模型建立，然后导入到workbench中的mesh 模块中进行网格划分，网格划分选取四面体和六面体单元，整个流道与内部转笼总共划分为360 万个node。模型分别定义进口、出口、交界面。分级机内部的转轮模型采用滑移网格。分级机模型如图1 所示，网格划分如图2 所示。

图1 分级机模型

图2 网格划分

模型网格划分完毕之后进行计算设置，由于颗粒的浓度达到了进料的10%以上，本次实验是连续相流场中由颗粒构成的离散相，不是完全的离散相的模型，选择欧拉-拉格朗日方法的连续-离散相模型（CCDM）[9-13]进行多相流分析，计算方法选择欧拉-拉格朗日方法进行模拟计算。由于分级机内部颗粒分离的一个重要影响因素就是颗粒的团聚现象，湍动能的数量级越高越有利于颗粒的分散，能有效的减少颗粒的团聚，从而提高分级机的分机效率。在分级机的转笼周围会聚集大量的物料颗粒，本次实验笔者运用fluent 软件模拟转轮四周的湍动能强度数量级别，对比新设计的几种模型是否在湍动能这一方面比原模型有增强的作用。

2 控制微分方程

kff-400 涡轮式分级机的内部流场为气固两相流，由于分级机入料的料气比位于30kg/m3到50kg/m3之间，计算后得知流场内的固相体积分数在10%上下波动，选用的欧拉-拉格朗日方法，同时可以忽略颗粒间的作用[3]。除了求解连续相的输运方程之外，还要在拉格朗日坐标下计算连续相流场中有颗粒构成的离散相。

2.1 连续相(气相)控制方程

在上述式子(1)-(4)中，α 是连续流体相的体积率，vi是流体相在笛卡尔坐标i 方向上的流速分量；gi是坐标方向上的体积力；Fi是连续相与离散相的相互作用力。

2.2 离散相颗粒之间的运动方程为：

颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个“平均轨道”[5]，离散相颗粒的运动轨迹后分析，颗粒受到的平衡力在笛卡尔坐标系下的形式为计算重力（以x 方向为例）：

步骤一：先假定计算域中不存在离散相，求解（1）（2）得到连续相流场；

步骤二：求解方程（5）（6），得到每个离散相的颗粒轨迹、体积率，从而在计算域中引入离散相；

步骤三：计算（10），得到相间动量交换率并带入方程（1）（2），重新计算连续相流场；

步骤四：求解方程（5）（6），得到修正后的连续相流场中的颗粒轨迹、体积率；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直到获得耦合收敛。

3 模拟结果分析

依据理论计算，设置分级机的转轮转速转轮转速4000r/min和进风速度为15m/s，入口边界选择velocity-inlet，出口边界选择outflow，颗粒在入口所占的体积比设置0.15 超过10%，本次模拟主要是验证分析改进结构的合理性和提升作用，坐标系建立以转轮中心作为坐标轴的原点，模拟分级机流场中转轮四周湍动能的强度。截面图如图3 所示。

迭代收敛后四种结构模型的湍动能强度分析结果如图4（a）-（d）。

图4(a-d)四种模型的结果图显示，横坐标为0 是转轮中心，在坐标-40 和+40 的值分别代表分级轮的边缘处湍动能强度，由图（a-d）可知转轮的边缘处湍动能强度数量级都有增强，50叶片的模型到80 叶片的模型湍动能强度增幅从7*103 达到了2*104，湍动能的增幅效果显著。

超细粉体的生产技术难题之中有一项就是物料的制备过程中由于超细颗粒在气相中相互之间的碰撞和附着而形成凝聚，解决凝聚问题的方法之一就是提高分级机内部流场的湍动能强度，湍动能强度的提升有助于增强物料的分散性，从而在一定程度上解决超细颗粒的凝聚。因此模拟分级机内部流场，研究转笼结构对湍动能强度的影响，为涡轮式分级机的结构设计及优化提供有力参考[1]。

4 结论

本文在对kff-400 高精度涡轮式气流分级机的结构和分级原理以及工艺参数进行了分析之后，对粉体加工工艺提出了优化和分级内部流场运用fluent 软件进行了三维流场的模拟。得出关于kff-400 高精度涡轮式气流分级机的优化流场模拟结果如下：

4.1 kff-400 高精度涡轮式气流分级机的流场模拟结果显示，在改进了叶轮的数量之和，分级机内部的流场更趋近于稳定。

4.2 从湍流动能的角度来看，新设计的几种结构的分级机，湍流动能都发生了一定的提升，从而能改善分级机内部流场的颗粒团聚现象，提高分级机的分级性能和分机效率。

图3 分级机模型截面示意图

图4 (a-d) 湍动能强度四种模型

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