立磨腔内气固两相流场的数值分析

立磨腔内气固两相流场的数值分析

0立磨腔内流场的研究立磨采用料床机粉磨材料，集研磨、干燥、分类于一体。结构紧凑，制作工艺简单，电耗低。是一种高效的粉磨设备。虽然中国的研磨开始缓慢，但比国外落后。然而，在过去的十多年里，中国的首都磨在快速发展。作为行业中的重要设备，立磨系列的大型化和过程效率是其发展的主要方向。然而，在我国的旋转试验中，设计冗余、结构参数和技术参数不合理，模仿国外设备不能独立创新，因此，旋转摩擦片的优化、改造和更新是多学科优化的重要组成部分。对于旋转莫哈姆曼的模型，fd动态方程的统计分析可以进行详细的流量动力学分析（cfd）。为了提高立磨系统的工作效率，降低系统能耗，孙亚忠、陈作兵等从速度场和压力场的角度分析了旋转莫哈布松的特征。孙亚忠、陈作兵等从速度场和压力场的角度分析了旋转莫哈布松的气固耦合流场。采用数值模拟方法和工程实际的比较方法，分析了旋转莫哈布松的高速区域，并描述了两种不同直径颗粒的运动轨迹。kamalehs、bumbae和zanhofma等人考虑了磨损机座框架内的温度场，并分析了两种不同直径颗粒的运动轨迹。kamalehs、bumbae和zanhuma等人考虑了公共服务部和炉场中的流量分布。根据分析获得的理论，对模糊地破坏结构进行了优化设计。1立磨腔内的流场本研究选择国内某型立磨.其主要结构尺寸如表1所示,其主要技术参数如表2所示.由表1数据并结合立磨结构尺寸,依据工程流体力学基本公式计算立磨腔内流场的初步参数.输送气体的雷诺数为立磨磨腔入口处的雷诺数远远大于管道内形成湍流的临界值4000.因此立磨腔内的流动过程按湍流流动来处理.湍流强度为立磨磨腔是一个复杂的空间结构.磨辊与水平方向成15°悬置,高速热风通过风环夹带低速颗粒向上流经磨辊轴时相当于在一定夹角下气固两相流体的绕圆柱流动,由于速度差的存在使气固两相的耦合性很强.磨辊较磨辊轴直径大的多,即又存在突扩流动,以及绕磨辊四周气体的剪切流,同时存在磨盘和磨辊的旋转运动,使得立磨腔内的流场又具有旋转流的特性.2磨腔内流动相流模型在立磨粉磨的工作过程中,入磨风速很大,磨腔内流场的雷诺数很高,磨腔内流动为气固两相流,同时磨盘和磨辊都在做旋转运动,气固两相的耦合程度很高,需要选择合适的湍流模型和多相流模型来进行数值分析.2.1磨腔内的湍流运动动力学模型Realizablek-ε二方程模型,是标准k-ε二方程模型的改进方案,是目前应用最为广泛的湍流模型.能有效的用于各种不同类型的流动模拟,包括旋转均匀剪切流、包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动,以及带有分离的流动等.立磨腔内空间结构复杂,高速热风夹带低速颗粒向上喷射,气固两相存在很强的耦合性.气固两相流体绕磨辊轴流动,在磨辊周围又存在突扩流动并且气固两相存在分离流动.根据以上分析,并从稳定性、经济性和计算精度上考虑,本研究选用Realizablek-ε二方程模型来计算分析磨腔内的湍流运动.2.2拉格朗日多相流模型拉格朗日多相流模型适用于模拟主要有一个连续相和一个相对较小体积分数的离散相组成的两相流流动.在粒子数量很大的情况下,拉格朗日多相流模型用统计的方法定义了粒子团(Parcel),每个粒子团代表局部小范围的粒子有相同的属性,两相流中总体的粒子被小数量的可计算的粒子团代表.目的是为了使流动过程中包含小数量的粒子团(但足以代表总体粒子的特性).该模型为每个粒子团制定控制方程,跟踪每个粒子团.这样就可以得到所有粒子运动的概貌.本研究中固体粒子所占体积分数为0.021%,满足拉格朗日多相流模型对粒子相的体积分数较小的要求,因此选用拉格朗日多相流模型对立磨腔内的流场进行精确的模拟.在拉格朗日模型中,气体为连续相,粒子为离散相,粒子满足动量守恒方程为dd=+(3)在拉格朗日坐标下颗粒的运动轨迹方程为颗粒与壁面碰撞的速度控制方程为3砂浆内流场设计3.1建立网格模型根据立磨的基本结构尺寸,建立简化的三维磨腔模型如图1所示.为了更具有针对性,更具体细致的分析立磨腔内流场,立磨腔内流体计算部分的几何模型不包含选粉机部分.本文基于STAR-CCM+通用流体力学软件,采用多面体网格该模型进行网格划分,生成的网格模型如图2所示.3.2设置研磨盘及追踪固体粒子气体入口选取风环入口处,粒子入口设置在磨盘边缘,进口采用速度进口边界条件,出口采用压力出口边界条件,给定出口为中壳体的顶端横截面如图2所示.根据壁面不滑移假设,立磨磨腔壁面设置为非滑移网格属性,设置边界层厚度为0.033m.磨盘主动转动,通过料层和磨辊啮合在一起,使磨辊从动转动,磨辊转速为45r/min,磨盘转速为25r/min.磨辊粗糙度设置为0.03m.由于物料的存在磨盘粗糙度设置为0.10m.固体粒子密度为ρs=3100kg/m3,追踪固体粒子采用ResidenceTime方法,设置值为1s.入磨风量设置为6.4×105Nm3/h.4砂浆内流场计算及分析4.1风环出口形状对立磨腔内流场的影响将流体介质设为气体,对立磨腔内的流场做出单相流分析,通过其模拟结果能准确形象的分析出立磨腔内的气相流动,为下一步气固两相流的计算分析做基础.选取磨盘中心为原点,选取过原点的方向为[1.0,0.0,0.0]和[1.0,0.0,1.0]的两个截面研究磨腔内流场的纵向分布,分别记为纵截面1和纵截面2.选取两个分别距于磨盘1.5m和3m处的横截面研究立磨腔内流场的水平分布,分别记为横截面1和横截面2,记H为所采集数据的截面到磨盘的垂直距离,如图3所示.图4为过两个磨辊对称面的纵截面1的速度矢量图,气流以很高的速度从风环底部向上喷出,形成环形射流.从风环口进入磨腔区时,由于空间突然扩大,气体做突扩运动,可根据流体流动的突扩理论来加以解释.当气体从风环进入磨腔时,其流通区域突然扩大,气体脱离壁面形成射流注入扩大了的磨腔中,在射流扩大部分外表面和磨盘之间存在着一部分不随主流向前流动的气体.由于这部分气体中靠近主流射流表面的气体在惯性力和粘性作用下将沿主流气体流动方向运动,又由于主流区射流截面不断扩大使流速逐渐降低,根据伯努利方程知压强沿流动方向负值增加,出现正向压力梯度.随着气体流速减小,离磨盘的某一距离处,射流边缘处受粘性作用较大的气体的动能不足于克服压差和气体分子之间的阻力向前继续运动,在前后压差的作用下,使该区内的气体出现沿磨辊逆主流方向的运动趋势,即这部分气体在前后作用力下不停的,剧烈的在该区域内做旋涡流动,记为旋涡1,如图4所示.由于粘性作用,气体做旋涡流动时将消耗流动的能量,产生能量损失.气体绕过磨辊轴的运动,相当于在一定的攻角下沿圆柱体的绕流运动.磨辊倾斜悬置15°,在一定程度上减小了磨辊轴上方的湍流强度.由于进气口截面为圆环,磨辊轴直径较磨辊小得多,在磨辊轴周围形成沿轴面斜向下的分速度,在突扩运动的影响下,磨辊轴下方与向上喷射的气流形成旋涡,如图4所示.由于磨辊轴正下方的射流沿磨辊轴有向下的一个分速度,在同一横截面离中心同样远处磨辊轴上方的速度要大于其他地方的速度.气体绕过磨辊轴,斜向上的射流边缘气体在压差的作用力下沿着灰斗向下运动,在运动到磨辊上方部分时这部分气体又在气体粘性作用力下沿着射流方向前进,这样在灰斗与磨辊之间形成旋涡,记为旋涡2.在图5中即气体通过风环喷出,其上方无磨辊空间做无绕流流动,可认为这部分气体在整个模拟的磨腔纵切面上形成突扩运动,在射流与灰斗和磨盘之间形成一个大的旋涡3,其形成机理和旋涡1、2形成机理相同.值得一提的是,在灰斗接近相同的高度上,纵截面1中形成局部高速区而纵截面2中却是低速区.经分析认为,在纵截面1出现高速区是由于这个位置是射流经过绕磨辊轴流动后与灰斗和磨辊之间形成的旋涡2的涡流区边缘,其速度较大.在纵截面2处是由于边界层分离引起的低速区,边界层内气体的流动受到惯性力、粘性力和由压强梯度所引起压强差.在壁面处受到的粘性力最大,旋涡3的回流气体的惯性力克服流体粘性力与压强差是气体沿灰斗向下流动.当回流气体的粘性力与压强差的合力大于惯性力时,气体成减速沿灰斗向下流动,逐渐形成低速区.由于两侧磨辊的存在,使回流气体的流通面积减小,流速变大,压强变小,压强差正作用于回流气体,回流气体的压强差与惯性力大于粘性力时,气体有一个加速,气速增大,逐渐脱离低速区.在图5中能看出风环出口形状的重要性,出口的形状直接影响立磨腔内流场的分布规律.关于风环出口不同形状对磨腔流场分布的影响将在下一节详细对比分析,对立磨风环参数的选择是立磨磨腔结构优化的一部分.通过对立磨腔内的两个纵截面的分析,对立磨腔内流场有了大体的了解.图6为立磨腔内不同横截面速度分布云图.图6a)是距磨盘1.5m高度处的速度横截面云图,向上喷射的气流绕过磨辊轴,在磨辊轴两侧形成高速区,有上文的分析可知在两磨辊之间射流与灰斗之间有一较大的涡流区,其涡流中心的低速区在图上能很清楚的观察出来.两磨辊的外轮廓在水平方向形成一定角度的楔形,位于相邻两磨辊之间的气体有水平沿中心方向一个分速度,因而在相邻两磨辊之间的区域的速度较高.图6b)是距磨盘3.0m高度的速度横截面云图,从风环喷出的气体绕磨辊轴流动后损失部分动能,使磨辊轴上方的速度小于其他风环口上方的速度.在相邻两磨辊之间靠近灰斗的区域有因边界层分离而形成相对低速区.磨辊上部顶端的涡流区靠近中心,沿着磨辊边缘向下,涡流区远离中心,在整个磨辊上方的截面出现脉动形状的低速涡流区,在横截面2上能很好的观察出来.在图6c)即出口面的速度云图上,能清楚地观察到低速区和高速区的分布,速度的分布有很好的对称性,这是由于单相气体粘度小,气体流动速率较高,磨辊磨盘定轴旋转且转速较低以及存在边界层等导致致磨辊、磨盘的运动对磨腔内流场的影响很小.从压力场角度分析立磨磨腔的压力分布,如图7所示.立磨磨内压力分布的分析主要集中在磨辊轴和磨辊周围,在这个区域压力梯度变化显著,找出磨辊轴周围与外界的压力差,为磨辊轴的密封结构设计提供数据依据.从风环喷出的气体对磨辊轴的底部冲击,产生正压强.气流绕过磨辊轴时在磨辊轴周围产生高速气流,根据伯努利方程可知此区域压强减小,到达磨辊轴轴面中心时,气速为最大值,压强为最小值.气流绕过轴面中心后气速开始减小压强增大,在圆柱的正上方受到尾涡对磨辊轴的压差力,在磨辊轴顶端出现极值区域.受磨辊旋转的影响磨辊下方的极值区域有稍微偏移.4.2立磨腔内的固体粒子固体粒子的直径设置为45μm和100μm,其质量流量分别为107.46kg/s和11.94kg/s,满足产品细度的要求,喷射面选取为磨盘边缘.由于有大量粒子从磨盘边缘射入,立磨腔内气固两相流的最大速度点出现在风环靠近筒壁的一端,如图8所示.在两相流绕过磨辊轴后,由于两相流的密度和粘度都较单相气体增大,与单相流相比两相流受到的惯性力和粘性力都增大,其绕流后形成旋涡的半径将变大.由于固体粒子与壁面的碰撞性以及分布的随机性,立磨腔内的两相流流场的对称性和规律性没有单相流流场的强,这也是分析立磨腔内单相流流场的必要性所在.图9比较了立磨腔内单相流和气固两相流在距磨盘不同高度下截面的平均速度和最大速度.从图中可以看出两相流出口平均速度较单相流的小,但最大的速度却大于单相流.主要原因是由于气体和固体粒子耦合使两相流的惯性力和粘性力较单相流的大,做突扩运动时的扩散性低,凝聚性强.但由于在两相流中存在重力场,输送粒子时消耗气相动能,使其平均速度降低.立磨腔内气固两相流流场与单相流流场的特性相似,在磨辊轴下方形成旋涡1,在磨辊与灰斗和射流之间形成旋涡2,在无磨辊区磨盘与灰斗和射流之间形成旋涡3.在流线图上能形象的看到旋涡的存在和整个流场的分布情况,如图10所示.在旋涡形成的涡流区,消耗输送气体的动能,减小了气体的输送效率,另一方面在涡流区气体和粒子耦合程度很高,实现了对粒子颗粒的初步分级,有利于提高选粉机的效率和增加磨盘上料床的稳定性.由于气固两相流的粘度增大,磨盘和磨辊的旋转对磨内流场产生了一定的影响,如图10b),磨辊周围的流场不再对称,而是沿磨辊的旋转方向有分速度.立磨腔内的固体粒子的流动轨迹在图11中很形象的显示出来.图11是从过磨盘中心的横截面由里向外的一个记录粒子运动轨迹的速度视图.从立磨磨盘边缘射出的固体颗粒和从风环喷出的射流气体有很强的速度耦合性,气体速度高,夹带固体粒子向上运动,使粒子做加速运动.气固两相流的惯性力和粘性力增大,绕过磨辊轴后由于突扩运动的影响,射流边缘气体夹带较小的粒子在磨辊与灰斗和射流之间形成旋涡.图11能看到射流边缘的粒子沿灰斗形成回旋趋势.另一方面由于粒子之间存在作用力,流动状态为湍流,脉动速度很大,磨辊磨盘的转动等导致气固两相流的流场分布对称性不强,但粒子运动的总体趋势保持一致.本模拟中设置为两个不同直径的粒子分别为命名为相1粒子(phase1)和相2粒子(phase2),其直径分别为45m和100m,其质量流量前者为后者的9倍.取平行于磨盘的横截面,在所取的每个横截面上采集所需数据.如图12,从两条固体粒子的截面平均体积分数线可以看出相1粒子的体积分数是相2的十五倍左右,导致这样的原因是由于相2粒子较大在与气体耦合的过程中产生的惯性力大于相1粒子,而所受粘性力和压差力相差不大,使相2粒子集中随射流方向流动,而相1粒子惯性力较小导致在射流边缘夹杂的主要是相1粒子,本研究追踪固体粒子采用residencetime,设置值为1s,即粒子超过在立磨腔内的停留时间将不再予以追踪计算,出口设置为相对零压力出口,因此大部分相2粒子在未达到停留时间时就随射流流出出口.而相1粒子较相2来说,由于存在随气体的涡旋运动,流出出口的粒子数量较少,导致相1粒子与相2粒子的体积分数之比大于初始流入的质量之比.从所采集数据横截面上的最大体积分数线上,能明显的看出相1粒子最大速度分布的不均匀性.绕磨辊轴和磨辊流动过程中由于固体粒子的惯性力较气体大得多,沿磨辊轴和磨辊的壁面上形成较高体积分数的区域,这些区域主要存磨辊背面区域.从图上可以看出两种不同直径粒子最大分数之和在10%左右,满足拉格朗日对固相体积分数较小的要求.5立磨腔内的流场随着立磨技术成熟的发展,对立磨的粉磨效率要求越来越高,其中风环是控制立磨腔内进气的一个重要结构部件,风环能将来自风道的气体均匀的导入立磨磨腔中.风环中间的调风板能调节气体的入射角度.本部分将加入风环对入磨气体的影响,研究入磨气体在不同角度下进入立磨磨腔所带来的流场变化,并比较分析结果,选取入磨气体的最佳入射角度,记入射角度为α.本研究选取α=15°、α=30°和α=45°3种入射角度进行分析对比,下面选取入射角α=30°的情况代表有入射角的3种情况来对磨腔内流场的加以分析.如图13所示,入射角度α=30°,沿圆周方向有切向速度分量.气体沿筒壁方向斜向上射入,磨辊轴下部与磨盘后面和射流之间形成漩涡1,由于磨盘的转动影响,涡流区域被拉长.同时由于磨辊为倾斜放置,在磨辊轴的顶端出现速度极大区.在磨辊与灰斗和射流之间形成的旋涡同样被拉长,进入无磨辊区域,旋涡得到进一步的扩大,旋涡边缘沿灰斗方向与射流之间形成回流.上文提到的磨盘与灰斗和射流之间形成的大涡,由于入射速度方向的倾斜,使其沿周向有位移进入有磨辊的区域,回流的气固两相流穿过灰斗与磨辊之间的区域.在入射角度α=30°的情况下,立磨腔内的流场变得更为复杂,其中形成的涡旋区具有很强的三维特性,外围气体夹杂固体粒子沿筒壁做旋线射出,固体颗粒在周向速速的影响下产生离心力,促进固体粒子在立磨腔内的初步分级,腔内气体由于在周向有分速度,涡旋区域被拉长,使旋涡区的空间增大,增加气体和固体粒子的耦合时间,使气固两相更为均匀.图14显示了在4种工况下的气固两相流的绕流运动.α=0°时,即气体垂直从风环喷出,有输送效率高的优点,在磨辊顺时针的旋转作用下,对磨内流场有一定会影响;α=15°时,气体的入射速度的周向速度与磨盘旋转地切向速度保持一致,当在磨辊与灰斗和射流间的区域时,两相流的周向速度与磨辊边缘的切向速度相反,相互抵消,使涡流区正好在磨辊上方;α=30°时,由于两相流的轴向速度进一步变大,磨辊上放的涡流区被拉长到无磨辊区域,相比较其他3种情况,此时两相流的运输阻力最小.α=45°时,由于两相流周向速度等于竖直向上的速度,其向上的运输能力大大被削弱,如图14d)所示,此时磨辊上方区域无旋涡生成,但绕灰斗有一个较大的周向速度.由图14可以粗略的判断α=0°、α=15°和α=30°的流场分布符合气力输送原理的要求.体积分数是用于气固两相流流场研究分析的一个重要参数.图15反映了不同入射角度下的立磨腔内固体粒子的体积分数的分布情况,其中横坐标H表示所采集数据的横截面距磨盘的高度.从稳定性上来说,入射角α=0°和α=30°时较为稳定.在α=5°的条件下,整体的固体粒子体积分数高,这也充分说明气固两相流的周向速度大,导致进入选粉机固体粒子较少,气力输送的效率偏低.在α=15°的工况下,在H=1.5m处和H=4.0m处出现两个极值,这是两个涡流区中心的高度,分别为无磨辊区域由磨盘与灰斗和射流之间形成的涡流中心和磨辊区域的由磨辊与灰斗和射流之间形成的涡流中心.在涡流中心存在大量悬浮固体粒子,导致局部区域的固体粒子的体积分数偏大,这种情况下由于存在的大量悬浮颗粒,部分气体的动能转化成维持粒子悬浮状态的能量,导致气力输送的效率降低.α=0°时,磨内体积分数分布偏低,运输效率高,但气固耦合程度较低,导致气流中夹杂较多大直径粒子,在磨腔中对固体粒子的初次分级效