（流体机械及工程专业论文）冲击式食物破碎机内部流场的数值模拟及实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 冲击式食物破碎机具有结构简单、操作快捷方便、维修容易等特点，是一种 具有环保作用的废弃食物处理机，因此它的应用前景很广阔。由于引进时间短， 国内从事研究的人员主要还是从机械方面对破碎机理进行研究，内部固液两相流 的流场研究还没见过相应的报道，特别是粉碎室的特性参数对粉碎室内流场、湍 动能和能耗等的影响。 本文从湿法粉碎方面去研究破碎机的工作原理，为探究粉碎室内固液两相流 流动，也为针对国内饮食习惯为粉碎室进行优化设计打下基础。本文在前人研究 的基础上，自行改装冲击式破碎机一台，对其内部液相流场进行了数值模拟计算 及实验研究。进行的主要工作及取得的成果如下： 1 总结回顾了国内外冲击式食物破碎机的发展过程及已取得的主要研究成 果，在此基础上设计并改装了满足测试要求的破碎机模型； 2 运用p r o e 软件对设计的模型进行三维造型；并对粉碎室内部流道区域进 行非结构化网格划分： 3 采用e u l e r 多相流模型及修正的k 一占湍流模型对不同转速下的粉碎室内 部液固两相湍流场进行了数值模拟；对轴截面及其他截面进行结果显示，得出“破 碎效果随转速增加而改善”等结论。 4 介绍了相位多普勒粒子测量技术( p d p a ) 对旋转机械内流测试的方法； 5 构造了实验装置系统，利用丹麦d a n t e c 公司生产的三维相位多普勒粒子 测速仪对粉碎室内部液相流场进行测量。 6 简要分析了液固两相在粉碎室的轴向、圆周切向及脉动速度的分布规律， 提出了“0 6 r 以外为粉碎有效区”等观点。 关键词：固液两相流废弃食物处理机破碎数值计算p d p a 江苏大学硕士学位论文 i m p a c tf o o dc r u s h e rh a sb e e nb e i n gt h ef o c u so nt h ec h a m b e rr e s e a r c hf o r i t ss i m p l e c o n s t r u c t i o n , e a s ym a i n t e n a n c ea n dr e p a i r , a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n s oi th a sa ne x t r e m e l y w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s i n c ei t si n t r o d u c t i o nt i m ei ss h o r t ，d o m e s t i cr e s e a r c h e r sh a v et a k e n r e s e a r c ho nb r o k e nm e c h a n i s mf r o mt h ea s p e c to fm a c h i n e r ym a i n l y , b u tf e wr e s e a r c ho nf l o w f i l e dh a sb e e nr e p o r t e d ，p a r t i c u l a r l yt h ee f f e c to ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f t h ec r u s hr o o mo n t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ne t c t h i sp a p e ri sr e s e a r c h e do nt h ew o r k i n gp r i n c i p l ef r o mt h ew e tg r i n d i n gm e t h o d i no r d e rt o m a k ef o u n d a t i o n so ft h es t u d yo nt h et h e o r yo fl i q u i d - s o l i dt w o - p h a s ef l o wi nt h ec r u s hr o o ma n d o p t i m i z i n gd e s i g na i m i n ga td o m e s t i cd i e th a b i t t h ea u t h o rr e t r o f i t t e di m p a c tc r u s h e ro nt h eb a s i s o fo t h e rs c h o l a r s s t u d y ，a n dd on u m e r i c a ls i m u la t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht ot h ei n t e r n a l l i q u i d - s o l i dt w o - p h a s ef l o wf i e l d s t h em a i nw o r k sa n dc o n c l u s i o n sa r es h o w e da sf o l l o w i n g 1 p r e s e n tr e s e a r c hs t a t e so fi m p a c tf o o dc r u s h e ra n dl i q u i d s o l i d t w o p h a s ef l o ww e r e i n t r o d u c e ds i m p l y am o d e lc r u s h e r ，w h i c hm e tt h em e a s u r e m e n tn e e d sw a sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e db a s e do nt h em e t h o d s 2 p r o ew a sa p p l i e dt os c u l p tt h em o d e lc r u s h e r t h eu n s t r u c t u r e dg r i d sw e r eg e n e r a t e di n t h ea l g ao f f l o wp a s s a g ei nt h ec r n s h e r 3 e u l e rm u l t i p h a s ef l o wm o d e la n dm o d i f i e dk 一占t u r b u l e n tm o d e lw e r ea d o p t e dt o s i m u l a t ei n t e r n a ll i q u i d - - s o l i dt w o - p h a s ef l o wf i e l da td i f f e r e n tr o t a t es p e e do fc r u s h e r a x i a l c r o s s s e c t i o n sa n dr e g i o n sw e r ep l o t t e dt ol o c a t ee v e r ym e a s u r ep o i l l ta n dd i s p l a yt h er e s u l t sf o r c o m p a r i n gw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t s c o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e ds u c ha st h a t “b r o k e ne f f e c t h a si m p r o v e dw i t ht h ei n c r e a s i n gr o t a t i o nr a t e ” 4 m e a s u r i n gm e a n so ni n t e r n a lf l o wo fr o t a t i n gm a c h i n e sw i t hp h a s ed o p p l e rp a r t i c l e a n a l y z e r ( p d p a ) w e r ei n t r o d u c e d 5 e x p e r i m e n t a ls e tw e r ed e s i g n e d t h ei n t e r n a ll i q u i df l o w 舶l di nm o d e lc r u s h e rw a s m e a s u r e db yp d p am a d eb yd a n t e ci nd a n m a r k 6 c i r c u m f e r e n t i a l ，a x i a lv e l o c i t i e sa n dr e l a t i v ef l u c t u a t ev e l o c i t i e sw e r ea n a l y z e d c o n c l u s i o n sw e r ep r o p o s e ds u c ha s “o u t s i d e0 6 r , w h i c hi st h em a i nc r u s ha r e a ” k e yw o r d s ：f i q n i d s o l i dt w o - p h a s ef l o w , w a s t ef o o dd i s p o s e r s ，c r u s h ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p d e 气 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密彳 学位论文作者签名：_ 勿波 指导教师签名： 卅年1 口月渺e l 押引瑚则 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易冼k 日期：砂7 年朗& 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 粉碎机械是应用机械力对固体物料进行粉碎作业，使之变为小块、细粒或粉 末的机械，是破碎机械和粉磨机械的总称。比较传统的分类是：排料中粒度大于 3 m m 的含量占总排料量5 0 以上者称为破碎机械；小于3 m m 的含量占总排量 5 0 以上者称为粉磨机械【1 1 。 机械粉碎加工的优点是产量大、成本低和工艺简单等，但我国的冲击式食物 破碎机在设计上基本都是测绘和仿制国外的产品，对冲击式食物粉碎机的粉碎机 理至今还缺乏理论指导。因此提高粉碎比，缩短粉碎耗时，减少机械的磨损等十 分必要。 1 1 破碎机的类型 生产中常见的破碎机械有以下几种噬1 ： ( 1 ) 颚式破碎机颚式破碎机的破碎原理是利用动颚前后摆动时和定颚之 间的距离的变化来粉碎物料。颚式破碎机按动颚运动轨迹可分为简摆型和复摆型 ( 2 ) 旋回破碎机和圆锥破碎机旋回破碎机和圆锥破碎机的粉碎原理是利 用动锥和定锥之间的变化来破碎物料。两者的区别在于动锥的支承方式不同，且 圆锥破碎机对物料产生一定的冲击破碎作用。圆锥破碎机的破碎腔形状分为标准 型、中型、短头型。 ( 3 ) 锤式破碎机和冲击式破碎机这两种破碎机是以打击力和冲击力粉碎 物料的高转速破碎机。按锤头或板锤端部的圆周速度( 线速度) ，可分为慢速( 1 7 - - 2 5 m s ) 、中速( 3 0 , - - , 4 0m s ) 和高速( 4 0 - - 7 0m s ) 。按转子的数目，可分为单转 子型和双转子型。单转子锤式破碎机又可分为不可逆和可逆式。双转子冲击式破 碎机的两个转子的回转方向可以是同向的，也可以是异向的。 锤式和冲击式破碎机就工作原理而言是有区别的。冲击式破碎机与锤式破碎 机的板锤和转子之间的连接方式不同，前者是刚性连接后者是软连接，这就导致 了两者的施力不同，被破碎物料的受力不同。 ( 4 ) 辊式破碎机这种破碎机的原理是利用转动滚子和砧板之间( 单辊破 碎机) 或两辊之间( 双辊破碎机) 对物料施加压力、剪切、劈碎等联合受力作用 而使物料破碎。辊式破碎机按辊子的数目又可分为单辊、双辊、三辊、四辊等， 按辊面类别可分为光面辊破碎机和齿面辊碎机。 江苏大学硕士学位论文 破碎机的类型很多，选用时按破碎机的适用性和技术性能结合物料性质、粒 度、生产量、以及经济性等方面考虑选择理想的类型。各种类型的破碎机都有自 己的适用范围，但它们的适用范围常常是交叉的。表1 - 1 1 是各类型的破碎机的 大致使用范围： 表1 1 1各类型的破碎机使用范罔 颚式对各种强度、磨蚀性强、脆性物料和韧性物料进行粗、中、细碎 破碎机 旋回对坚硬物料、脆性物料进行粗碎及中细碎 破碎机 圆锥对坚硬物料、脆性物料进行中碎、细碎、超细碎 破碎机 锤式和冲击式可对中硬、磨蚀性弱的物料及纤维结构、弹性和韧性较强的物料 破碎机进行中碎、细碎、磨碎 辊式对坚硬和磨蚀性强的物料、脆性物料、强塑性物料进行粗、中、 破碎机细碎和粗磨 1 2冲击式食物破碎机 1 2 1 冲击式食物破碎机概况 最早的食物破碎机诞生于1 9 2 7 年的美国威斯康辛州，由设计师约翰海墨 在自己的地下室设计，原名为废弃食物处理机。在美国食物垃圾处理机给家庭主 妇在厨房带来方便已有8 0 年了。许多年以前，当处理机只有基本功能时，就随 着管道工的发展不断进步。 今天食物垃圾处理机作为标准的构件已在美国8 0 新建筑中安装。在美国 超过一半的家庭安装了废弃食物处理机。在这种神奇般的增长和成为流行8 0 年 产品的后面，是管道安装工的积极推广。特别是在五十年代末六十年代初西部建 筑的繁荣时期，建筑商和管道安装商一起将废弃食物处理机安装在所有的建筑 中。其结果是一个新的处理机安装和更换的市场产生，从此以后管道安装工到处 奔忙着安装和更换处理机。随着六十年代环保思潮的兴起，因使用该机会增加直 接排放水体的污水浓度而被一些国家禁止使用。到九十年代，各发达国家城市均 建有污水处理厂，该机重新得到推广。 世界上有5 0 个国家没有限制使用冲击式食物破碎机，包括美国、加拿大、 2 江苏大学硕士学位论文 墨西哥、澳洲、新西兰和许多欧洲国家。其中美国、丹麦、芬兰和挪威等国家要 求新建住宅必需安装；而比利时、法国、德国、荷兰、卢森堡和葡萄牙，既不允 许也不鼓励家庭安装使用。 美国作为冲击式食物破碎机的发明国，是应用最普遍的国家，至1 9 9 7 年已 有上百万家庭安装使用，其中多数是住宅开发商和市民的自发行为。纽约市经过 2 1 个月的调查和评估后，推荐并立法要求安装冲击式食物破碎机。欧盟经过充 分的论证，也于2 0 0 3 年要求1 5 个成员国根据污水处理普及情况推广处理机。 冲击式食物破碎机在国内的推广是从九十年代开始的，有十余个品牌的产 品，外观和结构大同小异。由于一直没有政府的行政力量介入，加上市民接受新 事物有一个过程，推广进程缓慢。九十年代末上海和北京市政府开始重视，加上 各商品楼盘注重打造“绿色小区”、“环保小区”的卖点，目前已有数十个小区统 一安装了冲击式食物破碎机，数量近万台。因居民使用后反映效果好，近年有日 益增加的趋势。 图1 - 2 1 冲击式破碎机结构简图 1 2 2 冲击式食物破碎机工作原理和结构 冲击式食物破碎机是通过小型直流或交流电机驱动刀盘，利用离心力将粉碎 腔内的食物垃圾粉碎后排入下水道。粉碎腔具有过滤作用，自动拦截食物固体颗 3 江苏大学硕士学位论文 粒；刀盘设有两个或者四个可3 6 0 度回转的冲击头，没有利刃，安全、耐用、免 维护。刀盘转速( 满负载，工作状态) 直流电机约2 6 0 0 5 5 0 0 r m i n 钟，交流电 机约1 4 5 0 1 7 5 0 r m i n 钟。粉碎后的颗粒直径小于3 毫米，不会堵塞排水管和下水 道。 冲击式食物破碎机主要有入口部分、粉碎室、驱动电机和排污管组成，如图 1 - 2 1 所示。 粉碎室下部侧壁设有排污管( 出水弯管) ，室内装有多重多向粉碎功能的固 定刀组，旋转刀组由安装在带孔转盘上下两面的粉碎刀组成。当水池内的废弃食 物，经入口进入粉碎室随水流下，便落入粉碎室内腔的转盘上。盘中短轴上装有 两只可动锥形破碎角爪，盘上有菱形粉碎刀，盘上可动破碎角爪与固定粉碎刀组 成旋转刀组，粉碎室内壁四周嵌有套装成一体的由内齿环和端齿圈组成，作为固 定刀组的齿形碾磨环，它与转盘之间有一间隙，转盘由永磁电机驱动高速旋转， 通过固定刀组和旋转刀组实现多重多向粉碎功能。落入粉碎室的废弃食物通过 切、撕、磨等多重刀具粉碎迅速变成小于3 毫米的微小颗粒，随水冲入下水道， 这样就避免了下水道的堵塞。 使用冲击式食物破碎机的优点如下： 1 、对居民：最大限度地减少厨房垃圾存量，尤其是易臭的食物垃圾，大 大改善现代厨房环境卫生；使清理排放厨房垃圾成为一项轻松干净的工作，如 清洗餐具的垃圾及时进入处理机；有利于保持楼梯间和居住小区的环境卫生。 2 、对环卫部门和物业管理：改善环卫作业环境；显著减少垃圾产量； 减少垃圾收运过程的二次污染；减少垃圾收运处理的难度和成本。 3 、对市政和交管部门来说：增加污水中易腐性有机物的含量，有利于污 水处理厂的生化工艺；减少垃圾车的数量和垃圾污水滴漏对路面的污染。 4 、对环境和资源回收：减少厨房垃圾对可回收物的污染，提高资源回收 率；改善填埋场和焚烧厂的处理工况，减少渗滤液、沼气、烟气等污染物的排 放。 使用破碎机的缺点是：增加水电资源消耗，居民会因此增加水、电支出；普 遍应用后污水管网的清理工作量及频率可能会有所增加；需逐步调整或变革污水 处理厂的处理工艺。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 冲击式粉碎理论研究现状及发展 1 3 1 能耗规律研究现状 很久以来，人们一直在努力找出一个描述粉碎与能耗之间带有普遍性的规 律。粉碎能耗理论一直在不断发展【3 _ 1 2 1 ，也是长期争论的焦点。关于粉碎能耗规 律，已有了许多理论和假设，著名的能耗三大理论是1 8 6 7 年雷廷哥( p r r i t i n g e r ) 的表面积学说，1 8 8 5 年基克( e k i c k ) 的体积学说和1 9 5 2 年邦德( e c b o n d ) 的 裂缝学说。 e r r i t i n g e r 学说 = k ( 吉一去) ( 1 3 - 1 ) f 1 【i c k 学说 ：磁培导( 1 - 3 - 2 ) f c b o n d 学说 = ( 寺一扫( 1 - 3 - 3 ) 式中w ：粉碎所需的能量，k w h t k ：比例系数； d ：给料平均粒度； d ：产品平均粒度，m m 。 上述能耗学说是1 9 5 2 年以前提出来的，一般认为，k i c k 学说适应于脆性物料 的粉碎，指产品粒度大于5 0 m m 的破碎作业。b o n d 学说适应于细碎和粗磨的粉 碎作业，产品的粒度为0 5 一5 0 m m 。r i t i n g e r 学说适应于细磨作业，产品粒度为 0 5 加0 7 4 r a m 。但上述三种学说均不适应产品粒度小于1 0 聊的粉碎作业的能耗 计算0 3 - 1 4 】。 1 9 5 7 年，r l c h a r l e s 提出了一个粉碎能耗微分式【1 5 1 ： 栅7 = 饯1 出 ( 1 - 3 - 4 ) 式中d w ：颗粒粒度小d 】【时的粉碎能耗； x ：颗粒粒度； c 、n ：系数。 将该微分式积分，则 = f 哪! 出( 1 - 3 - 5 ) 若分别以n = l 、1 5 、2 代入式中进行积分计算，则可分别得到上述的基克、 邦德、雷廷哥学说公式。也说明上述三个能耗学说可以用一个公式来概括。另外 5 江苏大学硕士学位论文 这些系数除了与给料粒度和产品细度外，还和物料的性质、粉碎设备类型、工艺 参数条件( 矿浆浓度、转速) 等因素有关【1 6 】。由此可见粉碎作业的能耗规律是 很复杂的。 1 3 2 冲击式食物破碎机机构设计的国内外现状 冲击式食物破碎机内固液两相流动是一种复杂的流动，既有食物的破碎过程 又包含固液两相的相对运动。其中破碎过程又可分为冲击式破碎和边壁与刀盘组 件的磨碎等。 目前国内外只有一些中小型企业对该产品进行过粗略的研究，如美国格莱达 公司的食物处理器，只对高速旋转的刀架组合及粉碎腔进行了设计等，但是出于 商业竞争原因，他们对研究成果进行的技术交流很少。国内各高校或研究所中， 中科院电工研究所林德芳等人针对我国食物结构( 废弃食物多、杂、硬等) 特点， 对关键部件如电机、粉碎室、刀组等的设计和材料作了许多改进并申请了专利 u 7 。河南郑州轻工业学院刘建秀等人应用有限元分析从力学的角度进行了粉碎 刀盘的载荷计算【1 引。但是在湿法粉碎领域，研究人员主要是对破碎机理进行定 性分析研究，内部固液两相流的流场研究没见过相应的报道，也未检索到相关资 料。 1 3 3 固液两相流动数值模拟现状 随着计算机技术的日新月异和所需解决的工程问题的复杂程度不断加强，计 算流体力学已不再是以计算为唯一目的的科学手段，而是以计算机技术、计算方 法、网格技术、图形可视化技术的综合应用。计算流体力学的研究也扩展成为包 含网格生成、区域分解和并行计算、算法结构以及流场显示等多方面内容的立体 交叉结构体。当前通过计算机对液固两相流的数值模拟是两相流动问题研究的热 点之一。与经典实验的方法对比，c f d 技术不仅可以节省大量的科研经费、具有 较短的设计周期，而且可以获取粉碎室中的速度场、温度场、浓度场，对设备的 优化设计具有重要的经济意义。 液固两相流动在工业生产中十分常见，普遍存在于能源动力、化工冶金、核 能、航天、石油、矿业、建筑、水利、环保等各个领域。随着科学技术的迅猛发 展，新材料、新技术、新工艺的出现，液固两相流理论的应用范围不断扩大，它 在现代工业和科学技术各个领域中的重要性也越来越明显。自从两相流成为- f - j 独立的分支学科以来，虽然在理论和实验方面都取得了较大的进步，但迄今为止 还没有非常成熟的体系，仍需要进一步的研究与完善n9 i ，以便更好地服务于社会。 6 江苏大学硕士学位论文 两相流动与单相流动一样都服从流体力学的所有基本方程，不过其控制方程 比单相流动更复杂一些和更多一些，它需要两个相的流体力学方程及两相之间的 传递方程。 在多相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。一般而言，各相间有明显 可分的界面。两相流就是指必须同时考虑物质两相共存且具有明显相接面的混合 物流动力学关系的特殊流动问题。 在数值计算中，对不同的相可以采用不同的计算方法，这样就形成了不同的 数值模拟方法：一类是把每一相均视为连续相( 即通常的双流体模型) ，相与相 之间相互渗透，共同占据计算单元格，对两相分别利用e u l e r 方法进行计算，即 所谓的e u l e r - - e u l e r 方法；另一类将主体相视为连续相，而将稀相视为离散颗粒 ( 离散相模型) ，对每一个颗粒的每一时刻的速度、能量等流体力学参数进行跟 踪计算，即所谓的e u l e r l a g r a n g e 方法，其计算量非常的大，而且要求稀相含 量不能超过1 5 。文献报道的对机械搅拌式反应器、流化床、鼓泡塔等的数值 模拟大多数采用e u l e r - - e u l e r 方法。 1 4 本课题的研究目的和主要内容 1 4 1 目前存在的问题 由上所述，可以看出国内外专家学者在冲击式食物破碎机的结构设计和改进 方面作了不少的尝试，并提出了一些优化设计的方法。尽管如此，现在的认识还 不够了解它的破碎原理和真实流动。目前已有的研究主要基于力学和结构设计等 方面，因此还存在很多不足，主要有： 1 ，对冲击式粉碎机内部流动规律了解不全面。其内部并非一般的机械粉碎 或研磨，内部的固液两相流动情况复杂，而流场对粉碎的效果所起作用如何尚不 清楚，因此迫切需要对内部流场进行了解和分析。 2 ，能耗规律仍不清楚。无论是国外设计师还是国内学者，在结构设计时所 采用的破碎机理都是单纯的固体破碎机理。而实际上，由于加入了水，内部粉碎 已经变成了具有固液两相的湿法粉碎，所以还得从固液两相流方面着手对粉碎机 理和能耗规律进行研究。 1 4 2 研究目的和基本思路 本课题从冲击式食物破碎机的结构及液固两相流动两方面进行研究，希望通 过本课题的研究工作为从更微观更本质的角度对冲击式食物破碎机的粉碎研究 7 江苏大学硕士学位论文 提供实验数据和c f d 研究思路，并力求能取得一定的成果： 1 、优化设计粉碎部件，提高物料的粉碎比，缩短粉碎时间。得到粉碎室内 部固液两相的流场为粉碎机设计提供参考依据。 2 、从流体力学，机械设计等方面考察粉碎机理。 本课题从数值模拟和实验研究两方面出发，具体步骤如下： 1 、考虑固体颗粒、颗粒与流体间的相互作用，建立冲击式食物粉碎机粉碎 室内的流体流动的控制方程。根据简化的数学模型采用计算流体力学软 件f l u e n t 6 2 进行求解，得到数值模拟结果，并将结果可视化。 2 、将粉碎室改造成可视的有机玻璃装置，在改变转速条件下采用相位多普 勒测试技术( p d p a ) 对粉碎室内湍流流场进行测定。 3 、对比分析反映冲击式食物粉碎机性能参数的实验结果和数值模拟结果， 一方面验证数值模拟结果的可靠性及所建立数学模型的可靠度，另一方 面可以得到关于冲击式食物粉碎机内部流动与粉碎的一般规律。 本章小结 本章首先介绍了常见的几种破碎机及应用情况。另外特别介绍了由于市场需 要但还不很成熟的新型破碎机冲击式食物粉碎机的概况。它通过固定刀组和 旋转刀组实现多重多向粉碎功能。使落入粉碎室的废弃食物通过切、撕、磨等多 重刀具粉碎迅速变成小于3 毫米的微小颗粒，随水冲入下水道，避免了下水道的 堵塞。 总结了国内外学者和设计师对冲击式食物破碎机的结构及粉碎机理等方面的 研究进展，所采用的分析方法不能完全和准确地反应粉碎原理，鉴于这一现象， 提出了本课题的研究目的加深对粉碎能耗及提高使用寿命的研究，从粉碎室 流场等方面考察破碎机的破碎机理，从而能从本质上优化粉碎室的设计，并制定 了课题的研究基本思路。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章数值模拟模型及控制方程组 工程应用中流体一般都处于复杂的湍流状态，因此很难精确地描述整个流场 特性。计算流体力学这一基于数学模型的研究方法，可以克服实验所固有的一些 缺点，如：实验成本过高、实验周期长、重复性差以及测量过程中的人为误差， 同时，数值模拟能够获得比实验更详细的流场信息，还能提供实验条件限制所无 法提供的信息，从而有可能揭示流场( 包括多相流) 的特征这一优点。现有的工 程应用已经证明，c f d 数值模拟的方法对复杂流场的描述是可行和高效的【2 0 1 。 冲击式食物破碎机内两相流c f d 数学模型的建立，将从新的视角研究破碎机的 湿法破碎原理。 本章的目的主要是探索冲击式食物破碎机内流场的数值算法。首先对破碎机 内的流体流动进行数学描述，利用湍流模型建立液体的流动模型，列出模型的控 制方程组。 2 1粘性流体力学基本方程 在流体力学中，描述流体运动的基本方法有拉格朗日法和欧拉法【2 。拉格 朗日法采用质点初始坐标和时间变量共同表达流体的运动规律，它着眼于流体质 点跟踪每个流体质点的运动全过程及描述运动过程中各指点的物理量随时间变 化的规律。欧拉方法的着眼点是空间点，认为流体的物理量随空间点及时间而变 化，它设法在空间的每一点上描述出流体运动参数随时间的变化情况。在流体力 学中，由于流体的位移和变化很大，普遍采用欧拉法。本文主要研究的对象是粉 碎室内流体流动及传质性能，因此采用欧拉法。 一般粘性流体流动均遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，在 欧拉坐标体系下流体流动满足以下基本方程 2 2 1 ： 连续方程：半+ 咖( ) = o ( 2 - 1 - 1 ) 优 动量方程：p _ _ d u ：p f + d i v e r ( 2 一卜2 ) d f 能量方程：p 掣：p ：s + d i v ( x g r a d t ) + p q ( 2 一卜3 ) 口l 本构方程：盯= 一+ 2 t ( s - 号i d i v u ) + i t 肋，u ( 2 一卜4 ) 9 江苏大学硕士学位论文 2 2 湍流方程 工程装置中的流动通常都是复杂的湍流流动，对其流动过程的模拟必须严格 处理好湍流问题。按国内外不少学者的看法，目前可用于工程的现实模拟方法， 仍然是由r e y n o l d s 时均方程出发的模拟方法，也就是目前常说的湍流模型，湍 流模型是目前处理工程问题中最有效而且最有希望的方法【2 3 1 。 对于两相流湍流模型，到前为止还没有标准的模型，其远没有单相流湍流模 型成熟，一般都是在单相流湍流模型，如k 一模型及雷诺应力模型等基础上进 行修正后加以应用。 标准的k 一双方程模型虽然是工程流场计算中主要工具，但它对处理强漩 流、浮力流、曲壁边界流、低雷诺数流动等存在问题，因此国内外一些学者采用 r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p 的数学方法，从暂态的n - s 方程中推出r n gk 一模型。 r n gk _ 模型来源于严格的统计技术，它和k 一模型很相似，但是有以下的改 进： 1 ) l i n gk 模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。 2 ) 考虑到了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。 3 ) r n g 理论为湍流p r a n d t l 数提供了一个解析公式，然而标准k 一模型使用 的是用户提供的数据。 4 ) 标准k 一模型是一种高雷诺数的模型，r n gk 一模型则考虑了低雷诺数 流动，增加了流动粘性的解析公式。这些公式的效用依靠正确的对待近壁区域。 冲击式食物破碎机中液固两相流动存在较强的湍流漩涡，在近壁区域流动速 度比较小，而且还存在一定的环流，因此认为r n gk e 模型能更好的处理这些 问题。 r n gk 一模型如下： 鬈方程为： 昙( 删+ 毒( 嗍) = 苦( 吻考) + q + g 一胪一场+ & ( 2 - 2 - 1 ) 占方程为。 昙( 伊) + 毒( 胱) = 丢( 砌考) + c l 。昙( q + c 3 。g ) 一c 2 。p 譬一疋+ 疋 ( 2 - 2 2 ) g 。是由速度梯度而产生得湍流动能，计算公式如下： 江苏大学硕士学位论文 g p - 一厩塑 ( 2 2 3 ) q 一雕吩云 心一_ 3 ) q 是由浮力而产生的湍流动能，计算公式如下： q 一风等詈 ( 2 - 2 - 4 ) 式中耽是能量湍流p r a n d t l 数，e l - , - o 8 5 ，热膨胀系数可由下式求得 = 一1 ( 、a o p r ) p d ( 2 - 2 - 5 ) 表示可压缩流体因为体积的变化对耗散的影响，计算公式如下： = 2 p 6 m 其中m ，为湍流马赫数，定义如下： ( 2 - 2 - 6 ) 即层( 2 - 2 - 7 ) a 为气体中的声速。 式中湍流粘度肛可以表示为： 以：p c 。竺 ( 2 2 8 ) 方程中的r 可由下式计算得到： 疋：雩譬d c 鼢m 南船等浯2 删 其中c = o 0 9 ，= 4 3 8 ，= o 0 1 2 ，1 = s 鬈g ，和是关于r 和占有效 ：旦 ( 2 2 1 0 ) 弘嚼 这里- - 1 0 ，方程中的吻可由下式得到： 1 l 江苏大学硕士学位论文 洲v p - 窖掣) = 1 7 2 赤彩 v 6 d 3 1 + c ， 式中q ：1 0 0 ，6 ：丝。 模型中的自定义函数s 。= 0 ，s 。= 0 。 模型常数c 1 。= 1 4 2 ，c 2 。= 1 6 8 ，g 。= 1 3 。 2 3 流体相的数值模拟 2 3 。1 直接数值模拟( d n s ) d i n s 方法是在k o l m o g o r o v 尺度的网格中求解瞬态三维n a v i e r - s t o k e s 方程， 而不使用任何湍流模型。理论上讲，直接数值模拟是模拟湍流流动最准确的方法。 至于三维瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程的求解，早期曾采用全光谱方法，即 n a v i e r - s t o k e s 方程中的每一项均在谱空间上进行计算。但是目前对n a v i e r - s t o k e s 方程的直接求解大多采用拟光谱方法进行，即在物理空间上计算n a v i e r - s t o k e s 方程中的非线性项，在谱空间上计算速度和速度的空间导数然后再变换到物理空 间。和全光谱方法相比，拟光谱方法对n a v i e r - s t o k e s 方程非线性项的处理更加 快速有效。直接数值模拟是模拟湍流流动最准确的方法，也是解决湍流流动问题 的最根本的方法。但d n s 方法要占据非常庞大的计算机容量和c p u 时间，这也 是该方法的最大弊病乜卜2 7 1 。 2 3 2 大涡模拟( l e s ) 大涡模拟的基本思想是，认为湍流是由许多大小不同的漩涡组成，那些大漩 涡对平均流动有比较明显的影响，而那些小漩涡则通过非线形的作用对大尺度运 动产生影响。大量与平均流动之间有强烈的相互作用，它直接由平均运动或湍流 发生装置提供能量。流场的形状、障碍物的存在等对大涡有比较大的影响，使它 具有明显的各向不均匀性。小涡则不然，他们有更多的共性和更接近各向同性， 因而较易于建立有普遍意义的模型。基于上述物理分析，人们形成了大涡模拟的 思想，即湍流运动分成大尺度和小尺度运动。大尺度通过数值求解运动微分方程 之间计算出来：小尺度模型将会具有更多的普遍性，大涡模拟将更加有效。由于 l e s 方法仍然需要比较大的计算机容量和c p u 时间，因而距离工程预测尚有一 定距离幽峭1 。 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 湍流统观模拟( p a n s ) 在实际工程应用中，人们普遍关心的是流动的时均值，而忽略湍流的细节。 因此目前大量的工程湍流计算还是依赖于基于求解雷诺时均方程及关联量运输 方程的湍流模拟方法，即湍流统观模拟方法。r a n s 的基本思想是用低阶关联量 和平均流性质来模拟未知的高阶关联项，从而封闭时均方程组或关联项方程组。 它的计算量对于前两种方法要小得多，目前在工程上应用非常普遍。通常，忽略 密度脉动的雷诺时均控制方程组为： 昙c 却，+ 考c 鹏扔2 若学考一刃，+ 墨( 2 - 3 - 1 ) 式中，矽为通用因变量的时均值，= 1 ，：邑为源项，分别为： s o ，一考+ 腮+ 毒 争 上式方程由于包含有未知的表征湍流脉动引起的动量、能量及组分质量的二 阶运输关联项一明j ，即雷诺应力一肛、雷诺热流一肛j 。和雷诺物质流 一例：c 等项而未封闭。上述湍流的统观模拟方法可用涡粘性系数和雷诺应力方 程封闭。在涡粘性系数法中，把湍流应力表示成涡粘性系数或涡运动粘性系数 取或u ) 的函数，把湍流方程封闭的任务归结到模拟这些粘性系数的计算口1 _ 捌。 2 4 颗粒相的数值模拟 研究工作者对两相流的理论从上世纪4 0 年代末开始，几十年来，人们根据 不同的观点及假设建立了不同的两相流模型。但基本上有两类观点：一是把流体 作为连续介质而把颗粒群作为离散体系，探讨颗粒动力学，颗粒轨道等：另一类 是除把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟流体或拟连续介质，设其在空间 上有连续的速度和温度分布。各模型的特点如表2 4 1 所示【3 4 】。 对稀疏颗粒相的数值模拟一般是基于c r o w 和s m o o t 等提出的颗粒轨道模 型。该模型是在欧拉坐标系中处理流体相，在拉格朗日坐标系下处理颗粒相。 江苏大学硕士学位论文 表2 4 1 两相流基本模型 类别颗粒相模型特点大致年代 离 不考虑颗粒对流体流动的 散 单颗粒动力学模型2 0 世纪4 0 年代末 影响 模 考虑颗粒对流动的影响，考 型 颗粒轨道模型虑了相间耦合，粗略地考虑 2 0 世纪7 0 年代中 了紊流扩散 连 不考虑颗粒对流体流动的 续 扩散模型 影响，相问相对运动等价于2 0 世纪6 0 年代初 流体的扩散漂移 介 部分的考虑颗粒对流体流 质 单流体模型动的影响，不考虑相间相对2 0 世纪7 0 年代 模 运动 型 全面考虑颗粒对流体流动 双( 多) 流体模型的影响，相间相对运动及相2 0 世纪7 0 年代 间作用 2 4 。1 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型来说包含确定性轨道模型、漂移速度和漂移力修正模型以及随 机轨道模型三种，而目前应用最广泛的是随机轨道模型。颗粒随机轨道模型假设 颗粒由一定的初始位置出发，且沿着各自得轨道运动，互相不干扰。在拉格朗日 坐标系下考虑颗粒沿轨道运动时，一般是先要给定瞬态流场，然后计算各个颗粒 的轨迹。对大量颗粒轨迹进行统计分析，就得到颗粒群运动的概貌，比如各个时 刻的颗粒速度和颗粒速度和颗粒位置等。瞬态流场中流体的速度分解为时均速度 和脉动速度，脉动速度根据流体的湍流能和预先假设的概率密度函数由随机数给 出，以用于考虑流体湍流脉动对颗粒湍流扩散的影响。这也是随机轨道模型名称 的由来。 一般情况下颗粒在流体中的运动会受到多种力的作用，颗粒的运动速度不等 于流体的速度，因此可由单颗粒的运动方程来代替颗粒群的运动状况。单颗粒的 运动方程实际上是颗粒受力平衡方程，可直接从牛顿第二定律得出： 鲁= b + m p g ( 2 4 1 ) 上式所表达的即颗粒动量的变化等于所有外力之和。b 包括颗粒所受的 曳力、压力梯度力、虚假质量力、b a s s e t 力、s a f f i n a n 力、m a g n u s 力、升力和聊口g 1 4 江苏大学硕士学位论文 颗粒的重力。一般情况下，并不是所有的作用力都一样重要，在各种不同的具体 条件下，颗粒运动方程中的某种作用力可以被合理的忽略。 随机颗粒轨道模型认为颗粒在湍流流体中的运动实际上是颗粒与一系列流 体涡团之间的相互作用过程。在该模型中，其核心是含能涡团的概念。在含能涡 团与颗粒相互作用的时间内，代表含能涡对颗粒作用的脉动速度是保持不变得。 即：在整个颗粒轨道上，连续相湍流对颗粒相的作用是间歇的。为此，张会强等 提出了一种改进的随机轨道模型。在该模型中，颗粒的本身的时均速度和脉动速 度来确定。它连续地考虑了影响颗粒湍流脉动的经历效应( 即颗粒从什么地方来) 和颗粒所在位置流场影响的当地效应( 即颗粒在什么位置) 。因此与常用的随机 轨道模型相比，具有计算量小、易于得到合理的统计结果和分散相入口湍流脉动 状况易于考虑等特点。进一步的研究表明，改进的随机轨道模型对两相平板混合 层流动和湍流两相突扩流动中的颗粒相的预报结果与实验结果符合较好。 2 4 2 双流体模型 和第一类方法相比，用双流体模型来模拟流体颗粒两相流动具有计算简便 的优点，对流体和颗粒相可以采用统一的数值方法处理，无需占用过多的计算机 存储量和计算时间就能获得颗粒相的比较详细的信息，而且可以充分考虑颗粒相 的不同的湍流输送过程以及颗粒和流体之间的双向耦合作用。 双流体模型包括小滑移双流体模型和完整的有滑移扩散的双流体模型。双 流体模型的基本概念是将每一相都看成充满整个流场的连续介质，流场中任一点 都同时被两种组元所占据，即认为颗粒相是与流体相相互渗透的拟流体，在e u l e r 坐标系中考虑两相流体的流动。拟流体的运动与两相流体的流动。拟流体的运动 与连续相流体一样采用宏观连续介质原理中的质量、动量和能量守恒方程进行描 述。 采用双流体模型建立两相流方程时，只需假设每一相局部范围内都是连续介 质，不必引入其它各种人为的假设，而且对两相流的种类和流型没有任何限制。 假设之后先建立每一相的瞬时的、局部的守恒方程和相界面的间断关系，然后采 用某种平均的方法得到两相流方程和各种相间作用的表达式。求平均的方法有时 间平均、空间平均、空间平均加时间平均的各量在空间和时间分布上的光滑性略 有不同。关于各种相间作用，在空间平均中表达为对控制体中所有间断点求和。 根据不同的方法，可以得到各种形式不同的双流体模型及其基本方程。目前 常见的有如下两种： 混合理论基本方程 江苏大学硕士学位论文 混合理论以液一固两相是重叠地存在于同一空间中这一假设为前提的。即， 在空间的所有点上可以同时为流体与固体质点所占据；而且这些质点在空间是连 续的，这样就可以应用推导单相流体基本方程的方法直接写出两相流基本方程， 而不必考虑各相在空间实际存在的离散性与随机性。 混合物理论的基本思想首先是由b o w e n 提出的，而其理论的进一步完善并 被广泛地引入两相流研究中大概是在8 0 年代初。p a s s m a n 等及n u n z i a t o 在他们 的文章中均对混合物理论及其应用作过系统的论述。 时一空平均方程 j 上述混合物方程只强调了固相拟流体假设，却忽略了实际上流体与固相介质 在空间分布上的离散性与在时间分布上的随机性。如果考虑到这一点，拟流体假 设只能在某种统计平均概念才有意义。这就是时间一空间平均方程的基本思想。 双流体模型较为全面地考虑了液一固混合物的相间相对运动及相间作用等 两相流的基本特点。它从物理基本守恒定律出发，通过较严格的数学推导，建立 了两相流基本方