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湍流超细粉碎机流场的数值模拟

2016-02-01来源:中国破碎机网点击:2728

  (新乡学院机电工程学院,河南新乡1前言湍流超细粉碎机是一种新型的超细粉碎设音,它利用湍流理论,使两个相对旋转的叶轮在粉碎腔内产生湍流,固体小颗粒在湍流作用下被超细粉碎,并在粉碎的同时在分级腔进行自分级。

  自20世纪70年代至今,粉碎工艺不断改进,超细粉体技术领域正逐渐形成并趋于完善。但由于超细粉体技术涉及到许多相关学科和领域,涉及面竞,是典型的多学科交叉新领域,因此研究难度大,许多现象尚无完整成熟的理论解释,许多技术问题仍有待进一步深入研究探索。

  而其内部流场是理论的关键,只要能搞清楚其内部流场情况,许多技术问题就会迎刃而解。

  本文对湍流超细粉碎机研究就是借肋于计算机技术进行内部流场的模拟研究,以便分析其粉碎及自分级机理,为优化提供理论资料。

  2结构及工作原理湍流粉碎机,就是一种新型的对旋气体粉碎设音。在对塑性高分子材料的常温超细粉碎方面,它具有其它设音所无法比拟的优势,是一种很有前途的超细粉碎设音。

  湍流粉碎机主要由电机、叶轮、吸入腔、粉碎腔和分级腔组成。工作时,电机驱动叶轮在粉碎腔中作高速相对旋转运动,使两叶轮之间产生高能旋转气流湍流场(简称为旋流湍流场),物料颗粒在旋流湍流场中因高频冲击、碰撞、剪切作用而被粉碎。与此同时,吸入腔和分级腔中的离心叶片产生的气流能将粉碎腔密闭并及时排出己经粉碎好的小颗粒,湍流粉碎机的结构简图如所示。

  3数值模拟方法31计算模型模拟计算中使用新乡某化工机械试制厂的湍流式粉碎机作为计算模型,应用两台变频器控制粉碎机转速,使得粉碎机能够在04000r/min范围内任意调速。

  32数学模型及求解方法超细湍流粉碎机内部流动为湍流粘性流动,遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,满足连续性方程及粘性流动流体运动方程,CFD分析选用Fluent软件提供的压力修正方法求解,在计算时假设:忽略空气密度的变化,认为流体不可压缩;假设流动中无热量交换,不考虑能量守恒方程。

  由于固体颗粒含量较少(不大于4%),为简化计算,只考虑单相流动,因此选完全空气为流动介质,不考虑粉碎相,按单相流动考虑;固壁采用无滑移条件。

  内流模拟采用连续性方程及时均化的纳维-斯托克斯方程(即N-S方程)为:由于超细湍流粉碎机内流的非定常性,所以在Fluent提供的几种湍流模型中选用Realizablek-e二方程模型。

  女圈+4对于涉及到旋转、逆压梯度下的边界层、分离流、二次流及回流的问题,使用Realizablek-e二方程模型能得到较好的结果,因此采用这一模型进行计算。

  方程的离散采用交错网掐的有限体积法。将压强p、紊动能k、紊动能耗散率e等标量放在网掐的中点,将速度u布置在计算网掐边界处的中心位置,对流――扩散项的离散采用幂函数掐式。采用SIMPLE算法求解离散方程。33计算区域及网格划分对湍流粉碎机进行模拟的计算区域为湍流粉碎机的整个腔体,包括从吸入腔到分级腔的所有流道空间,模拟使用的网掐如所示,对整个湍流粉碎机流场划分为四个区域,其中吸入腔区域和分级腔区域定义为静止区域,叶轮叶片流道区域和粉碎腔区域为运动区域。网掐数为281245,为划分后的网掐。

  34边界条件的确定湍流粉碎机的吸入腔界面作为整个计算区域的进口,分级腔的出口界面定义为整个计算区域的出口,进口边界条件给定为运行工况点的速度流量进口,出口为压力出口(出口静压为大气压)。进出口的湍动能和湍动能耗散率均依据经验公式计算确定。壁面采用无滑移边界条件,近壁区域采用标准壁面函数。

  4数值模拟的结果与分析本文主要从湍流粉碎机的速度场方面分析其工作机理、以及不同转速对粉碎效果的影响,模拟结果如下:在2400r/min下粉碎腔三个不同轴向位置进行径向剖分得到的相对速度图,如所示。

  粉碎腔中间轴面上的相对速度图,如所示。

  ①从可以看出,在离叶片近的区域,由于叶片的阻碍与粘附效应,涡旋未得到充分发展。此时,叶片边绿的较大的速度梯度显示剪切对粉碎起主要作用。而在离叶片远的区域,例如在粉碎腔中间平面上,叶片的影响变小②从可以看出,粉碎腔叶片的压力面和吸力面各有一个大的二次流存在,而在轴线周围沿轴线方向的速度分量很小,这一方面表明涡旋是三维的,一方面也表明粉碎作用主要发生在远离轴线处。结合上面的分析,就可以确定对撞作用**明显的区域在粉碎腔中间平面的叶片附近。

  比较(c)和,(a)、(b)可以看出,在其它参数不变的情况下,转速由2400r/min提高到4800r/min,流场形态基本不变,只是相应点的速度成倍提高,流场流态的变化只依赖于粉碎机机械结构参数的变化。

  从速度场看,叶轮转速越高,气流流速越大,粉体颗粒间相对速度越大,根据动量定理,颗粒间相互作用力也越大,导致颗粒一次撞击变形乃至粉碎的效果越明显。但如果转速超过一定范围,随着转速的提高,减少了粉体颗粒在粉碎腔内的滞留时间,反而相对地减少了有效撞击次数,导4粉碎腔屮间轴面的相对速度了,同时由于反向气流的碰撞与干扰,涡旋得到了充分发展,各种尺寸强度不同的涡大量存在。此时,由于湍流的存在并且强度增大,碰撞和疲劳裂纹的扩展对粉碎起主要作用。

  粉碎腔中间平向:的相对速度阁(转速为4800r/mm)致粉碎效果下降。

  同转速下的实验曲线。

  从中可以看出,随着转速的升高,粒度累计分布曲线左移,当转速为2400r/min时到达**左边,相应地D50从23.5pm逐步减小到6.72pm;之后随着转速的升高,分布曲线逐步右移,D50也随之上升。区间分布图也有相同的表现,即区间分布峰值随着转速的提高先变小后变大。这说明随着转速的升高,粉碎效果越来越好,但在超过2400r/min后又逐渐变差。

  5结语应用Fluent软件对湍流粉碎机的整机进行了非定常三维紊流流场的数值模拟,直观显示了其内部流场,在对不同截面的速度和压力图进行分析后,指出了不同区域的主要粉碎机理是不同的。

  其它参数不变的情况下,提高湍流粉碎机的运行速度到4800r/min,比较运行速度对粉碎机内部流场的影响。

  可以发现:尽管速度成倍提高,但流场形态基本不变,差异只是相应点的速度提高了。因此,对湍流粉碎机的流场形态研究可以不考虑速度变化,流场流态的变化只依赖于粉碎机机械结构参数的变化,这是由湍流粉碎机流场仿真得到的结论。

  从速度场看,叶轮转速越高,粉碎的效果越明显,但如果转速超过一定范围,粉体颗粒在粉碎腔内的滞留时间W6不转速下PE粉体粉碎粒度区间分布图

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