新型淘析器内颗粒运动轨迹的数值模拟

新型淘析器内颗粒运动轨迹的数值模拟与工业应用摘要：采用FLUENT6.2提供的标准^一^模型和随机轨道模型对新型惯性撞击式淘析器内的颗粒运动轨迹进行了模拟研究，预测了不同粒径颗粒的运动轨迹和速度分布。模拟结果表明：通过在淘析区加入格栅板，使大颗粒在器内的运动路径变长，颗粒与格栅间的碰撞作用促进了粘附在粗颗粒表面上细粉的分离；加长对流段有利于提高粒料中离散的细粉尘的分离。工业规模实验验证了模拟结果。工业应用的结果表明：设备投入运行后，除尘风机的能力得到发挥，没有发生堵料、不下料的状况，设备的除尘能力明显较以前增强，出厂产品的外观质量得到根本改善。关键词：淘析器；两相流；FLUENT；数值模拟；工业应用NumericalSimulationofParticleMovingBehaviorinElutriatorHeJiaqiang(SINOPECQiluBranchCompanyPlasticsComplex,Zibo255410,China)Abstract:TheparticlemovingpathsinanewtypeelutriatorhadbeensimulatedbasedonthestandardidodelandStochasticTrackingmodelprovidedbyFLUENT6.2.16.Themovingpathsandvelocitydistributionoftwosizeparticleswerepredicted.Thenumericalsimulationresultsshowedthatthetravelingdistancesoflargeparticlesinthenewelutriatorbecomelongerthantheoldelutriatorwithoutguidedgridtrays,whichenhancetheseparationoffineandcoarseparticles.Thecollisionimpactforceofgridtolargeparticlescausethefinedustadheredonthesurfaceofcoarseparticlesdetachedfinallyandherebygetatop-qualitygranularproduct.Thisnumericalsimulationresultshadbeenprovedbyindustrialscaletest.Keywords:elutriatortwo-phaseflowFLUENT；numericalsimulationindustrialapplication淘析器是一种粒料分级设备，主要用于颗粒产品中纤维粉尘的分离。其工作原理是：利用各区域气固两相存在的速度差，在气体对固体表面的剪切作用下将附着在粒料表面的细粉尘分离。淘析器由加速段、对流段和淘析区组成。在加速段中进料口 ■司■进气口AN5加料段 「加速段I加速段II对流分离段出料口N4进料口 ■司■进气口AN5加料段 「加速段I加速段II对流分离段出料口N4图1改进型淘析器结构Fig.1Thestructureoftheimprovedelutriator上述形式的淘析器在实际应用中存在粒料产品中的细粉脱除不彻」底，以及细粉中含有少量粒料的问题本文所研究的惯性撞击式淘析器，如图1所示，在原淘析器的基础上，加长了对流段的长度，在对流区封-装了内筒，并在淘析区加装了两层格㈱］使上述问题得到解决，工业应用取得了良好的效果。为了深入了解惯性撞击式淘析器内粗细颗粒的运动与分离规利，用FLUENT6.2提供的标准1^—^模型和随机轨道模型对改进型淘析器内的颗粒运动轨迹进行了模拟研究，分析了影响分离性能的结构因素，进行了设备结构优化，为工业化设计提供了参考依据。1数学模型1.1气相控制方程由于淘析器内气相流动基本呈各向同性无强旋流故可选用标准

K-8模型模拟其气相流场。当流动为不可压缩，且不考虑自定义的源项时，标淮8模型的湍动能和耗散率方程为2］：湍动能K方程：d(pd(pk)d(pku)+idt dxiadx.+Gk-P8湍动能耗散率8方程:d(P8)dd(P8)d(P8u)

—_+ ——r-dtd_dx dxi j根据Launder推荐值及实验验证1.2颗粒运动轨迹方程空dxj」C8 82 一k2+T式中湍动粘度f=pC丁各模型常数取值为C1£=1.44，C2£=1.92，C「0.09,气=1.0,区=1.3【3］固体颗粒在淘析器中运动时所受外力包括：气体曳力、重力、浮力、附加质量力asse力、Magnus升力和Saffman升力等。由于颗粒粒径较大、浓度较低，颗粒所受的流体曳力是最主要的，因此本文忽略了附加质量力、Basset力和Magnus升力。在拉氏坐标系下，随机轨道模型中建立的瞬态颗粒动量方1方向）如下［4-5：du——p

dtdu——p

dt=Fd(u-叩+£(P—P)-P-PP式中，总曳力为f式中，总曳力为fd曳力系数为18日CRpd224pp24 bR=—(1+气Rb2)+b3re 4e=exp(2.3288-6.4581©+2.4486^2)=0.0964+0.5565©b3=exp(4.905-13.8944©+18.4222©2-10.2599©3)=exp(1.4681+12.2584©-HaiderandLevenspi取的形状因子定义为©=s/S式中，s为与粒子有相同体积球体的表面积S为粒子的实际表面积。2数值模拟2.1物理模型建立与网格划分利用GAMBIT建立了淘析器的几何模型模型的结构尺寸与实验设备相同。网格划分采用非结构化混合网格，在流场相对复杂的格栅处，进行了网格的局部加密共划分了26.7万个非均匀的六面体网格和3.8万个四面体网格。经网格离散后的设备物理模型如图所示。2.2定义边界条件入口边界条件入口气流为常温状态的空气入口处气流速度采用平均速度湍动能k和耗散率£通过湍流强度/和水力直径Oh间接给出，其经验关系式为-9:3 K1.5 _ 1K=212U2，£=--—,I=u•/u=0.16(Re)-8h出口边界条件出口设为流动充分发展的压力出口，出口压力为标准大气压。壁面边界条件壁面处采用无滑移边界条件，在壁面附近采用标准壁面函数 图2模型网格图Fig.2Fig.2Thephysicalmodelaftermeshing(4)进料边界条件加料方式采用面加料，进料量为粒径1mm^粒0.01kgs-1，粒径2mm^粒0.5kgs-1。2.3差分格式选择控制方程组采用有限体积法离散求解。差分格式采用二阶迎风，代数方程组采用分离隐式求解方法，用SIMPLE算法求解压力耦合方程组，考虑颗粒与流体之间、颗粒与湍能之间的四向耦合。3结果分析与讨论针对要处理的聚乙烯树脂粒料的粒径分布特点，本文主要研究了两种代表性粒径颗粒的运动行为，以直径0.1mm球形颗粒代表细粉尘，以直径mm球形颗粒代表成品粒料。3.1颗粒运动轨迹模拟计算中投"mm颗粒100个，图3示出了几种代表性的颗粒轨迹图。颗粒从进料口加入，大部分的2mm颗粒竖直下落撞到格栅上后在栅板间进行两次弹性碰撞使其表面粘附的细颗粒得到振动分离，大颗粒落入淘析区，如(a)图所示。可以看出，大颗粒经气流加速至一定速度后，惯性是主导其运动状态的主要因素，淘析区流场对其影响不大。一部分颗粒撞在有一定厚度的栅板上缘，发生反弹，至对流分离区甚至加速段，然后被下冲气流再次加速，与格栅进行二次碰撞，如励所示；或者在格栅与淘析区上壁间反弹，如图c)、《)所示。还有的在反弹过程中遇到下降颗粒，发生弹性碰撞后折回淘析区，如图(e)所示。囹^所示的颗粒多次反弹至加速段或者对流区环隙，如果没有套筒的阻挡，有可能会从出气口溢出，所以，在对流区封装套筒，是避免大颗粒溢出的关键所在图(g)显示了本次模拟中运动路线最复杂的颗粒。它受湍动气流的影响，在淘析区和对流分离区进行多次碰撞折回运动，最终仍然落回淘析区，得到分离。这说明，引入格栅的惯性撞击式淘析器虽会导致部分颗粒反弹，但合理设计后可以很好地避免大颗粒的溢出。格栅的加入增加了粒料在器内的停留时间，通过碰撞作用使颗粒表面未被淘析干净的细粉尘得到振动分离。图4示出了0.1mm颗粒在淘析器中的运动轨迹。由FLUENT内缺乏相应的数学模型，模拟过程没有考虑颗粒之间粘附的问题，本文只模拟了离散的细粉尘可以看出，绝大部分0.1mm颗粒在对流分离区得到了分离，因小颗粒惯性小，更易受气流湍动的影响，其运动轨迹有较强的随机性°i：图(湿示，有的小颗粒受聚壁效应影响而贴壁运动；由图)可看出，部分小颗粒受出口强旋气流影响，在出气口附近旋转运动后流出器外；图m)、(n)显示，有的小颗粒被大颗粒流夹带会下冲到对流段下缘甚至淘析函析区

气速较低，对细粉尘的分离能力有限。通过增加对流段长度，扩大了对流分离区，避免小颗粒进入淘析区。加装格栅板，规整了淘析区内流场，规范了小颗粒的运动路径，二者结合，促进了细粉尘的分离。(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)图32mm颗粒运动轨迹Fig.3Thetrackof2mmparticles(h) ⑴ (j) (k)(l) (m) (n)图40.1mm颗粒运动轨迹Fig.4Thetrackof0.1mmparticles3.2颗粒速度分布图5（a）为大部分的2mm颗粒在淘析器内的速度分布曲线。颗粒在加料段自由下落约7秒后进入加速段，受上进气口气流加速，速度迅速增至3m/s,产生了一个速度峰值。尔后颗粒进入扩压段，颗粒速度值在反复振荡中缓慢减小到8m/s,这是下冲气流强烈湍动和静压增大共同作用的结果。在对流分离段，颗粒受上冲气流作用，速度迅速降至2m/s，继而进入淘析区，产生一个平缓的速度小峰。颗粒在0.53秒时与格栅相撞，经过对两层格栅的两次撞击后，在6秒时就从出料口排出器外。图;（b）为打到格栅上缘发生反弹的颗粒速度变化曲线示例。颗粒反弹至格栅与淘析区上壁间后，再次进入扩压区，进行了多次碰撞，停留时间也增加至1.3秒，这更有利于其表面的细粉尘在反复振动中脱落分离。图6给出了0.1mm颗粒速度分布曲线示例。如图（a）所示，细粉尘在进料段自由下落.34秒后，被气流加速，速度迅速增至21m/s,经扩压段逐渐减速至17m/s,受上冲气流减速，在0.4秒时速度减至1m/s。颗粒随气流翻转进入对流分离段环隙，与环隙顶部器壁撞击，同时受出口返混气流作用，在环隙内振荡运动，最后以17m/s的速度随气流排出器外。图）（b）中颗粒的运动轨迹与图5（a）基本一致，不同的是，在

扩压段受大颗粒碰撞，减速明显；在出气口附近，撞到器壁上，最后以m/s的速度排出器外。小颗粒受气流湍动影响显著，运动轨迹有较大的随机性，但其速度分布基本一致。(a) (b)图52mm颗粒速度分布曲线Fig.5Thevelocitydistributionof2mmparticles图60.1mm颗粒速度分布曲线Fig.6Thevelocitydistributionof0.1mmparticles3.3实验验证实验设备与计算模型具有相同尺寸，实验过程中采用了不同的进气速度和加料量，经过优化后取得了最优操作条件。实验结果表明：原淘析器处理的产品中细粉尘含量为11%（质量百分数），改进型淘析器处理后的粒料中，细粉尘含量小于.001%，细粉尘中不再含有大颗粒。在光学显微镜下，产品物料的外观效果照片如图7所示。

实验前的物料Particlestobeelutriated经原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat♦图7实验前的物料Particlestobeelutriated经原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat♦图7物料外观效果图♦经改进型淘析器处理的物料Productofimprovedelutriator■g.wwfflipwfimieippiifflc^™由此可以验证，实验结果与模拟结论一致，加长对流段、引入格栅的改进措施可以很好的促进细粉尘的分离。4工业应用结果新型淘析器已安装投入使用，经过一个月的考核，该设备投入运行后，除尘风机的能力得到发挥，包装过程中淘析器运行稳定，没有发生堵料、不下料的状况，设备的除尘能力明显较以前增强，出厂产品的外观质量得到根本改善。没有改造前，使用旧淘析器除尘，除尘风机的出口阀门仅能开到五分之一，如果再开大出口阀门，部分粒料就会被吹落到粉尘收集器中除尘风机的能力得不到有效发挥除尘的长度一般带mm左右；20mm的粉尘堆积在除尘器的环形下料口，出现堵料、不下料现象；除尘能力^儿每天包装能力550t计算，每天除尘55kg，除尘能力低。淘析器改造后，除尘风机的下风口降低了.5m,避免了开大风机出口阀时，部分粒料就会被吹落到粉尘收集器的现象。除尘风机的出口阀门现在可以开到二分之一，除尘风机的能力得到了有效发挥；除尘的长度最大200mm除尘器的环形下料口间距曲0mm改为500mm,堵料、不下料现象得到了改善;除尘能力0.5kg/t,每天包装能力550t计算，每天除尘275kg除尘能力大大提高。5结论在对流区加接套筒，是解决大颗粒溢出问题的关键所在适当增加对流段长度，有利于提高细粉尘的分离效率。在淘析区加入格栅，增加了粒料的停留时间，碰撞作用加强了粘附在粒料表面细粉尘的分离。工业规模实验验证了模拟结果说明通过数值模拟能较准确地预测淘析器内的流场分布和颗粒运动轨迹，节省了实验研究费用，对淘析器的进一步研究有重要的参考价值。工业应用的结果表明:设备投入运行后，除尘风机的能力得到发挥，没有发生堵料、不下料的状况，设备的除尘能力明显较以前增强，出厂产品的外观质量得到根本改善。符号说明CDdpCDdpDhFdRe

t

u

n曳力系数u 颗粒速度，m・s-1颗粒直径，m_pu 速度时均值，m-s-1-水力直径，m8—流耗散率，m2.s-3总曳力，kg-m-s-