针盘式粉碎机内气固两相流场数值研究

添加人：admin 发布时间：2016/1/22 14:49:05 来源：中国破碎机网

　　针盘式粉碎机能用于目前难以粉碎的物料，例如脂肪质、油质及黏性物料的粉碎1h21，其原理主要是粉碎机内定转子的多级销棒对物料颗粒进行碰撞粉碎。KHuenarm等人曾采用输运模型对针盘式粉碎机的粉碎过程进行过研究13，但对粉碎腔内细小的微观扩散现象并不十分清楚，而采用流体动力学模型对该机型颗粒粉碎过程的模拟研究鲜见报道。
　　采用针盘式粉碎机对物料进行粉碎，粉碎机内部流场是典型的气固两相流。研究两相流有Eulei-Lgangf和Euler―Euler方法。颗粒轨道模型是EHr一Lagange方法体系下的两相流模型之一，与其他两相流模型相比，该模型的优点是无需构造颗粒的湍流模型，易于模拟有复杂经历（如颗粒的破碎、凝并）的颗粒相，且没有数值扩散，但该模型的计算过程却相对复杂141.随着计算流体力学的发展，颗粒轨道模型已经能够广泛地用于工程模拟。笔者选用商业软件，1祚为计算工具，模拟了粉碎腔内物料流场区域的流动状况。对气相采用重整化群（RNGk―双方程湍流模型，对颗粒相采用随机轨道模型，考虑颗粒间碰撞，颗粒与粉碎腔体内壁面的碰撞，研究了不同转速、不同间隙、不同形状的粉碎部件对粉碎腔内气术的速度场、压力场变化以及颗粒相轨道变化的影响。
　　1物理模型及网格划分1.1物理模型模拟所用的主要设计参数取自台湾凌广工业股份有限公司的针盘式粉碎机。其主要部件为定、转子模拟参数如表1所示。
　　表1模拟参数项目数值物料处理量/（kh4进口气流速度/（m.ri）定。转子销棒长度/mm进口直径/mm出口直径/mm出口压力（表压）/Pa因为销棒的长度是定、转盘径向尺寸的1/10以上，中心断面可以简化成二维问题进行模拟，经简化的计算模型如所示。
　　1.2划分网格为研究不同运行及结构参数（如转子转速、定转子销棒间隙、转子叶片与叶轮径向夹角）对粉碎腔内物料流场的影响，将前述几何结构进行源项，这里为0￡为端流耗散率，aka、C、、CL、均为常量，k=aE=l.39C=1.44C=1.68C=1.92ak和a、是k方程和、方程的湍流Pandt数；R为强旋流的修正项；其余参数物理意义见。
　　22固体颗粒的控制方程。重整化群k一e双方程湍流模型在k一￡模型基础上，修正了湍流黏度及、方程，反映了主流的时均变化率，能更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。k方程与、方程见式（1）和（2）。
　　（m.SQ为平均速度梯度产生的湍流动能，kQ为浮力产生的湍流动能，Y为可压缩湍流mcd为阻力系数无量纲）与颗粒雷诺数及颗粒形状有关；Re为相对雷诺数（颗粒雷诺数）无量纲；Fhe为其它相间作用力，N）右端第一项为单位质量颗粒所受阻力，第二项为颗粒的重力与浮力之差，最后一项代表颗粒所受其它作用力，主要包括视质量力、布朗力、Safmn升力等，视质量力主要作用于流体密度大于颗粒密度的情况，该力在计算中不予考虑，而布朗力和Safan升力均对亚观粒子（直径1 ~10Zm）而言，粉碎腔内物料颗粒的平均直径一般大于10/m故不需要考虑这两种力。
　　23射流源定义Roi与Ramnle等人通过对煤粉、水泥等物料粉碎。由（5试可知，―d为Y=edQ 368时的颗粒直径。
　　由得到的拟合曲线，可计算出d=颗粒直径入射颗粒粒径Roin-Rmmle分布及其平均值ni本算例中nvr=i.77将算得的d与n输入Fluen中，可得到颗粒的粒径分布。将射流源定义为面射流源，材料为花生粉末，实验测得其密度为11002kg/ni，质量流率为05kg/S进口速度为05m/S方向与重力方向一致。
　　24颗粒一壁面撞击模型国外采用高速摄像的方法及相关研究，分析出颗粒粉碎的作用主要来自颗粒与壁面的撞击。可以看出，颗粒在定子区域附近发生了回流。一般来说，颗粒在定转子销棒间发生的回流有利于颗粒的多次粉碎。但在粉碎区的外缘即叶片附近区域回流应当减小，采取的办法就是如前面所分析的，减小叶片与径向的夹角（0°<a<45°）增大叶片前角正压，有利于出料。
　　4为颗粒群平均驰豫时间随转速的变化。
　　转速提高，颗粒群的平均驰豫时间减小，单位时间内处理量提高。可以看出，这种趋势却随着转速的提高不断下降，因此一味追求高速旋转使生产效率提高也是不可取的。并且，对于不同物料，转速也有不同的使用范围。对于硬脆性物料，例如矿石、金属颗粒，高速旋转碰撞有利于粉碎；但对于花生、药材等塑性、热敏性颗粒，高速碰撞会使得颗粒获得的能量大于其破碎需要的能量，多余的能量转化为热能，使物料产生粘结，粒度难以粉碎，因此对于不同物料，转速需要控制在不同的范围内，且具体范围需要通过实验确定。
　　5总结根据针盘式粉碎机粉碎部件的实际结构和工作参数，对粉碎腔内的气固两相流场进行了数值研究。气相采用RNGk―e双方程模型，颗粒相采用随机轨道模型。得出了不同转速、定转子及叶片结构下粉碎腔内的流场分布和颗粒运动轨迹，为分析粉碎腔内的物料粉碎特性提供了可视化描述，也为该类粉碎机的结构及参数优化提供了理对于数量多且属性复杂的颗粒，FUen能够从颗粒受力、湍流扩散作用以及颗粒粒径分布等方面进行精确定义。
　　在转子销棒的高速撞击下，物料颗粒在定子区会形成回流，有利于颗粒的再粉碎；小的定、转子周向间隙和径向间隙也有利于颗粒的多次粉碎，提高粉碎效率；转子叶片与径向夹角应减小，有利于出料。
　　对于不同物料，粉碎机的转速应控制在与其结构尺寸相匹配的范围内，可以达到更好的粉碎效果。