基于EDEM-Fluent 耦合的浮选腔结构设计优化

王怀，樊瑜瑾，刘小川，蔡培良，唐军，吴家喜

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.563000 贵州省 遵义市 贵州航天天马机电有限公司；3.655001 云南省 曲靖市 红云红河烟草(集团)有限责任公司曲靖卷烟厂 ;4. 650106 云南省 昆明市 昆明昆开专用数控设备有限责任公司；5.650051 云南省 昆明市 中船重工750 试验场）

0 引言

成品烟丝中烟梗的含量会影响烟丝的质量，通过对卷烟机浮选腔进行研究，发现在梗丝分离过程中，主要利用烟梗和烟丝在浮选腔垂直流场中悬浮速度的差异，将浮选腔中的烟梗剔除[1]，浮选腔的内部结构会影响颗粒悬浮速度及流动形式，使分离效率降低。近年来，为了减少烟丝浪费，研究人员针对不同类型的浮选腔已进行了更加深入的研究。文献[2]将浮选腔改为“之”字形结构，并加装打散机构，可将结团状梗丝打散，加速梗丝的分离；文献[3]根据PROTOSM5 烟梗剔除技术，设计制造“Z”字型浮选腔，让颗粒在风力作用下漂浮更久，从而使梗丝分离更彻底；文献[4]通过增大浮选腔的体积，并将腔体改为斜体，设置错位排列挡风块，可提高梗丝风选效果；文献[5]研究弹丝松散机构位置及挡风块的分布对气流的影响，确定具有较优分离效果的弹丝松散装置位置与挡风块的个数；文献[6]Fluent 软件常用于风选分离的仿真模拟，采用不同的实验方案对砂和细粉的分离效果进行研究，并通过Fluent模拟仿真，可降低物料颗粒间的相互影响，提高风选效率；文献[7]利用Fluent 软件对“Z”字形浮选腔进行流场分析及数值模拟，经实验验证梗丝分离效果较好的风速范围是2.8～3.2 m/s。上述研究均只使用Fluent 进行分析，这些仿真模型均是球体，与梗签、烟丝实物在流场中的受力有较大差异，且仅基于Fluent 的算法会忽略分离过程中的碰撞，因此，这些研究的模拟分析仍不够完善。针对Fluent 的固有缺陷，用EDED-Fluent 耦合模拟气泡床的气固两相流，建立不同直径的固相颗粒模型，分析出不同颗粒在流场中受力的不同[8]。利用EDEM-Fluent 的耦合技术对浮选腔在不同负压下进行梗丝分离数值模拟，发现浮选腔最佳分离负压为-1.2 kPa，并通过实验验证了仿真结果的准确性，初步证明了耦合技术的可行性[9]。因此，可以通过EDEM-Fluent 耦合仿真技术,对不同角度挡风块的浮选腔进行流场变化和颗粒分离的研究，从而选取具有较优分离效果的浮选腔挡风块类型，以达到减少烟丝浪费的目的。

1 风选原理及分离负压的确定

1.1 风选分离原理

浮选腔是利用负压风选分离的原理将真空浮选腔中烟梗、烟丝颗粒分离，即将较轻的烟丝和较重的烟梗分离[10]。当梗丝颗粒经过进料板进入真空浮选腔后，真空浮选腔处于垂直方向的负压风选系统，腔内空气的流体速度Vf与梗丝颗粒的沉降速度Vs都影响着腔内颗粒的上升或者下降。真空浮选腔结构如图1 所示。

图1 真空浮选腔Fig.1 Vacuum flotation chamber

当Vf＞Vs时，沉降时较轻的固相颗粒（烟丝）就会上升，并从上方出料管进入烟丝送料管道；当Vf＜Vs时，沉降时较重的固相颗粒（烟梗）就会下落，从下方落料口掉入烟梗收集器；而当Vf=Vs时，沉降时浮选腔中的烟梗、烟丝颗粒就会在一定范围内作无规则的上下浮动[11]，此时，腔内固相颗粒悬浮速度的大小和方向就与悬浮腔内空气的速度大小相等、方向相同。

1.2 分离负压的确定

首先将烟梗、烟丝颗粒的横截面积等效为等投影面积径。其公式为

式中：A——烟丝、烟梗颗粒的投影面积，m2。

由式（1）计算结果可计算出烟丝、烟梗颗粒的悬浮速度Vs

由于式（2）中计算模型为球体，而烟丝、烟梗在实际中均为不规则的固体颗粒，故需使用球形修正系数对结果进行修正

式中：δs——球形修正系数，取0.2。

再通过式（2）、式（3）的计算结果可计算最佳分离负压

式中：ρ——空气密度，取值1.293 kg/m3；l——浮选腔送料管的距离，取值0.234 m；C——关于雷诺数Re 的函数，取值0.44；n——浮选腔内壁粗糙度，取值0.5；R——浮选腔水力半径，取值0.075 m。

经统计，烟丝密度约为223 kg/m3，截面尺寸为0.15～0.90 mm×0.80 mm；烟梗密度约为369.7 kg/m3，截面尺寸为 3 mm×2 mm～7 mm×2 mm[12]，经计算可得：最佳分离负压范围为-0.8～ -1.3 kPa，在仿真时负压取值为-1.2 kPa。

2 模拟方法的选择

当颗粒在浮选腔中进行负压分离时，由于浮选腔内挡风块角度不同会产生不同的流域，而颗粒在分离过程中存在大量碰撞，主要包括颗粒相互之间的碰撞以及颗粒与腔内壁的碰撞。碰撞造成颗粒在浮选腔中无规则上下飘动，流域的不同也会使颗粒在碰撞之后出现不一样的分离效果。

由于单纯的Fluent 算法在模拟运算过程中并不考虑碰撞的因素，因此，运算结果与实际误差较大。针对此弊端，可通过耦合程序将Fluent 与EDEM 进行耦合，其优点在于：能够将烟丝、烟梗的真实属性反映在颗粒的无规则碰撞悬浮运动中，模拟分析出碰撞后分离效果的差异，也可以将流场的流速、分布情况表现出来，呈现出烟丝、梗签颗粒在竖直气流中悬浮速度的差异，通过耦合仿真，统计落料口和出料口烟丝颗粒中烟梗颗粒的含量，验证具有较优分离效果的挡风块类型。

3 浮选腔耦合仿真模拟

3.1 浮选腔建模

由于方形浮选腔、三角形型挡块及长方体弹丝松散机构组合而成的浮选腔分离效果较好[13]，如图2 所示。挡风块可将浮选腔正常工作过程中的团状烟丝和梗签混合物打散，也可以使流场中形成多处大小不同的涡流，增加分离效果。基于不同形状挡风块可改变气流运动的思路，挡风块形状分别设计了30°，45°，60°，90°四种不同方案。4 种模型如图3 所示。建模完成后，分别将不同角度挡风块和弹丝松散机构与浮选腔进行装配。

图2 方形浮选腔Fig.2 Square flotation chamber

图3 挡风块4 种模型Fig.3 Four models of windshield

3.2 仿真参数的设置

仿真前，先对Fluent 软件进行前处理。当浮选腔正常工作时，腔体内充满了空气，故用Fill工具创建腔内流体域，再划分网格，设置浮选腔的进料口int1、落料口int2、出料口out3 与壁面wall，如图4 所示。分别将4 种不同角度的挡风块导入到Fluent 中，定义重力的方向与大小，设置int1，int2 处的气压为0，将out3 处的气压设置为-1.2 kPa，选用解算模式为PISO，并设置时间步长、仿真步数、解算器参数等。

图4 Meshing 中的模型设置Fig.4 Model settings in Meshing

对EDEM 进行前处理，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2，浮选腔内壁材料为304 不锈钢，建立烟丝、烟梗颗粒的形状如图5 所示。其中，烟丝、烟梗颗粒密度分别为223.0，369.7 kg/m3，以尺寸3 mm 进行网格划分，最终浮选腔划分网格125 222 个。内壁材料与腔内颗粒的属性和相互作用系数分别如表1、表2 所示。最后，通过耦合程序将Fluent 和EDEM 软件进行耦合。

图5 颗粒模型Fig.5 Particle model

表1 材料属性Tab.1 Material property

表2 相互作用系数Tab.2 Interaction coefficients

3.3 不同角度挡风块的浮选腔流场分析

真空浮选腔内烟丝、烟梗颗粒的运动状态是由流场在腔内的分布决定的[15]。通过EDEMFluent 耦合仿真后，可以利用Fluent 软件对4 种不同角度挡风块的浮选腔仿真过程中的流域变化进行分析研究。利用软件中Surface 工具截出浮选腔中间位置的一个X 方向平面，对比4 种不同角度挡风块的浮选腔中间平面上的X 速度分布图的优劣，综合考虑可选出最适合悬浮分离的浮选腔挡风块类型。

4 种不同挡风块角度的浮选腔X 截面速度图如图6 所示。在图6（a），30°挡风块浮选腔X 速度图中，在中部和上部挡风块附近的速度旋涡明显与腔内其他区域的速度旋涡分离，形成了高度集中的2 个小型速度旋涡，当腔内的颗粒运动到该挡风块附近时，这种高速旋涡能够将重量、悬浮速度不同的两种颗粒进行二次分离，从而使浮选腔的分离效果更好；在6（b）、6（c）、6（d）中，中部和上部的挡风块形成的速度旋涡均被其他区域的速度旋涡影响，从而混合在一起，对于质量、悬浮速度差异较小的颗粒，不能进行有效的分离。

图6 4 种不同角度挡风块浮选腔X 速度图Fig.6 X-velocity diagram of flotation chamber of four different angle windshields

4 种不同角度挡风块流场迹线图如图7 所示。由图7（a）可明显看出，在30°挡风块的浮选腔内，中部和上部挡块间靠近挡风块区域的流场迹线颜色较深，速度较大，而中间流道流场迹线颜色较浅，速度较小，流域的速度层次明显，容易将腔内的不同颗粒进行有效分离。而在其他角度挡风块的腔内流域中，挡风块附近的流场迹线没有明显速度差异，且速度大小的种类没有30°挡风块流域丰富，很可能造成颗粒还未分离就被气流带出悬浮腔的情况。综合比较认为30°挡风块浮选腔的方案能更彻底地分离烟丝和烟梗颗粒。

图7 4 种不同角度挡风块流场迹线图Fig.7 Flow field trace of four different angles of windshield

3.4 4 种挡风块腔内颗粒的统计分析

耦合仿真过程中，为了更能直观地看出每种挡风块方案在腔体竖直气流中分离效果的差异，利用EnSight 软件分别对EDEM-Fluent 耦合仿真过程中梗丝分离的烟丝和烟梗颗粒数量进行统计，为便于得出实验结果，设置出料口及落料口为统计区域，如图8 所示。对4 种不同角度挡风块浮选腔分别进行10 次分离仿真实验，每次投入颗粒数增加100，为确保浮选腔内充满负压，待耦合仿真开始一段时间后，统计投入颗粒到仿真结束时间内出料口及落料口的烟丝、烟梗颗粒数量，计算出分离效率，结果如表3 所示。

图8 颗粒数量统计区域Fig.8 Particle count area

表3 三角形型、半圆形型、梯形型装置分离效率Tab.3 Triangular,semicircular,and trapezoidal device separation efficiency

10 次统计结果表明，每次投入颗粒之后，4 种不同角度的挡风块浮选腔分离效率不同，其中分离效率由高到低依次为30°挡风块浮选腔、60°挡风块浮选腔、90°挡风块浮选腔和45°挡风块浮选腔。该统计结果与之前的仿真分析结果吻合。

4 结论

基于EDEM-Fluent 耦合技术，建立形态更接近于实物的烟丝、烟梗颗粒模型，在-1.2 kPa 仿真条件下，对浮选腔在不同角度挡风块下的梗丝分离进行耦合仿真，并对颗粒的分离效率进行了计算分析，分析数据与仿真结果比较表明：30°挡风块的浮选腔内流场分布和速度分布更合理，更有利于颗粒的二次分离；当分离负压为-1.2kPa时，30°挡风块装置是浮选腔梗丝分离最好的选择；30°浮选腔的分离效率高于45°，60°，90°的挡风块浮选腔；针对烟丝、烟梗的分离模型，EDEM-Fluent 的耦合仿真研究对实际的梗丝筛选提供了一定参考。