对撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟（可编辑）

对撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟（可编辑） 对撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟 第 3 卷第 6 期 江 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Vol. 3 No. 6 2004年 12 月 Dec. 2004 Journal of Southern Yangtze University Natural Science Edition 文章编号 :1671 - 71472004 06 - 0595 - 05 对撞式流化床气流粉碎机内腔结构 及气流场数值模拟 1 ,2 1 2 1 刘雪东 , 何云松 , 李凤生 , 卓 震 1. 江苏工业学院 机械工程系 ,江苏 常州 213016 ; 2. 南京理工大学 国家特种超细粉体工程技术 研究中心 ,江苏 南京 210049 摘 要 : 通过分析对撞式流化床气流粉碎机的喷嘴结构、 分级叶轮型式、 加料口位置及底部结构 等 ,阐述了该型气流粉碎机的结构型式及特点.为了克服 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 该型粉碎机过程中的盲目性 ,采用计 算流体力学软件 fluent ,对内径为 200 mm的对撞式流化床气流粉碎机的 内腔气流场进行了有限元 分析计算 ,并根据计算结果绘制内腔气流场的速度和压力分布云图 ,描绘 了粉碎机内腔流场的气 流迹线 ,为对撞式流化床气流粉碎机的优化设计提供了理论依据. 关键词 : 流化床 ;气流粉碎 ;流场 ;数值模拟 中图分类号 : TD 454 文献标识码 : A Study on Internal Structures and Numerical Simulation of Internal Cavity in a Fluidized Bed Opposed Jet Mill 1 ,2 1 2 1 L IU Xue2dong , HE Yun2song , L I Feng2sheng , ZHUO Zhen 1. Department of Mechanical Engineering , Jiangsu Polytechnic Institute , Changzhou 213016 , China ; 2. National Special Superfine Powder of Engineering and Research Center , Nanjin University of Science and Technology , Nanjing 210094 , China Abstract : The paper presents the internal structures and performance features of the fluidized bed opposed jet mill based on the jet nozzles structure , impeller types , feeding inlet and bottom structure. Numerical simulation in the cavity of a jet mill whose internal diameter is 200 mm is achieved by the CFD software Fluent to overcome design blindly. The contour maps of static pressure , velocity distribution and path lines for flow2field of jet air in the cavity of the mill are presented by the calculated results. The method can help obtain the optimal design for this kind of jet mill. Key words : fluidized bed ; jet mill ; flow2field ; numerical simulation 粉体材料在工农业生产以及人们的日常生活 中得到广泛的应用.超细粉 体由于粉体自身具有的 收稿日期 :2004 - 05 - 31 ; 修订日期 :2004 - 06 - 25. 基金项目 : 中国石油化工股份公司科技基金项目 W01018 资助课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 江苏省高校自然科学研究项目 01 KJB530004 资助课题. 作者简介 : 刘雪东 1965 - ,男 ,江苏滨海人 ,工学硕士 ,副教授.主要 从事过程装备与控制工程、 粉体工程的研究. 596 江 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 3 卷 与大颗粒粉粒明显不同的物理化学性能 ,其应用领 射流场 ,被粉碎的物料 在压差作用下形成流态化. 域更趋广阔. 生产超细粉体材料的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 很多 ,根据 所谓流态化 ,就是在流场中使颗粒床层在临界流态 不同 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 或不同的粒径范围 ,可以选择适当的物 化速度下膨胀 ,床层中的 固体颗粒具有流体的流动 [1 ,2 ] 理、 化学方法以及其它综合性的方法 .文中介绍 特征.粉碎区的被粉碎物 料在高速对心逆喷射流场 的是起源于 20 世纪 70 年代且近年来在国内外得到 中被加速 ,在各喷嘴 喷出的射流交汇点处产生剧烈 [7 ] 广泛应用的对撞式流化床气流粉碎机. 的冲击碰撞、 摩擦 ,导致物料被粉碎对撞式流化床气流粉碎机的独到之处 , 在于将 1 对撞式流化床气流粉碎机结构型式 传统气流粉碎机的线、 面冲击粉碎改为空间立体冲 击粉碎 ,并将喷射冲击产生的高速气流流能充分利 图 1 为德国 A1pine 公司开发的一种对撞式流 用于粉碎室的物料流动中 ,使粉碎区产生类似于流 化床气流粉碎机.被粉碎物料通过输送装置 1 和料 化状态的气固粉碎及分级循环流动效果 ,提高了冲 位显示控制器 3、 4 控制的双翻板阀 2 进入料仓 ,翻 击粉碎效率和能量的综合有效利用率.由于冲击粉 板阀的作用在于避免空气进入料仓.物料通过螺旋 碎区和气固流动带置于粉碎室中部空间内 ,避免了 加料器 5 送入粉碎室 8 内.气流从安装在腔壁同一 粉碎室壁面受高速料流的冲击磨蚀作用 ,改善了喷 平面内的 4 个喷嘴 图 1 中 6、 7 喷嘴中进入粉碎 射冲击粉碎中最严重的磨损问题. 室 ,使物料流态化 ,在逆向对喷气流束的汇交点上 , 2. 1. 2 特点 对撞流化床气流粉碎与其他类型的 被加速的物料颗粒由于相互撞击而得以粉碎.在汇 气流粉碎机相比 ,有如下特点 : 交点周围则形成一股向上的气流 ,把粉碎的物料带 1能耗低. 与其它类型的气流粉碎机相比 ,可 到上部水平放置的涡轮分级机 9 中. 节能 30 %~40 % ; 这种分级机的优点 ,在于它几乎不受进料粒度 2 由于主要的粉碎作用是颗粒在流态化中的 和进料量的影响.经过分级后的细粉进入后续旋风 相互冲击碰撞、 高速颗粒很少碰撞器壁以及物料不 分离器和脉冲袋滤器收集 ,不合格的粗颗粒被分级 通过喷嘴等原因 ,因此磨损轻微 ,适用于粉碎高硬 机抛出并沿粉碎室壁回到流化床层中继续粉碎.粉 度物料 ; 碎机中的最佳料位由料位显示及控制装置保 [3~6 ] 3 采用涡轮式超细分级机分级 ,分级精度高 , 证 .目前国内外对撞式流化床气流粉碎机的结 产品粒度分布范围窄 ; 构型式很多 ,但粉碎的原理相似. 4 设备运转自动化程度高 ,进料及从分级机分 离出的粗颗粒不用向外排出 ; 5 与扁平式气流粉碎机相比 ,系统噪音小 ; [8 ] 6 结构紧凑 ,占地面积小2. 2 气流粉碎机的主要结构元件 2. 2. 1 喷嘴 对撞式流化床气流粉碎机喷嘴形式 与扁平式气流粉碎机喷嘴相似 ,其功能是把工质的 压强能转换为速度能.一般粉碎机都采用渐缩型喷 嘴或缩扩型喷嘴 亦称拉乌尔型喷嘴 .缩扩型喷嘴 能产生超音速喷气流 ,喷气流的出口速度可高达数 1 - 原料输送螺旋 ;2 - 双翻板阀 ;3、 4 - 料位显示控制装置 ;5 马赫 mach .针对不同粉碎机 ,喷嘴的数量及结构 - 螺旋加料器 ;6、 7 - 喷嘴 ;8 - 粉碎室 ;9 - 涡轮分级机 有多种型式 ,但均要求粉碎喷嘴的中心轴线能汇聚 图 1 对喷式流化床气流粉碎机 到一点. 目前较多采用的为喷嘴处于同一平面、 在 Fig. 1 Schematic diagram of a fluidized bed opposed jet mill 空间汇聚于一点的正锥型及倒锥型几种.一些设计 [9 ] 在粉碎机底部加设防止积料的喷嘴2 粉碎原理及内腔结构 2. 2. 2 分级叶轮 分级叶轮是粉碎机的重要部 件 ,分级叶轮设置在粉碎机上部. 粉碎后的物料被 2. 1 粉碎原理及特点 上升气流携带进入分级叶轮 ,分级叶轮的高速旋转 2. 1. 1 粉碎原理 对撞式流化床气流粉碎机将单 向喷射气流与逆向对喷气流相互迭加.单向喷射气 产生离心力场.细粉通过 叶轮缝隙进入后续捕集系 统 ,粗粉在离心力作用下 ,被抛向壁面 ,返回粉碎机 流束通过喷嘴进入粉碎室 ,在粉碎区形成对心逆喷 第 6 期 刘雪东等 :对 撞式流化床气流粉碎机内腔结构及气流场数值模拟 597 进一步粉碎.目前分级叶轮从叶片结构上可分为前 弯、 后弯及径向 3 种.从分级叶轮的轴线方向看 ,又 [10 ] 可分为卧式和立式的分级叶轮两种2. 2. 3 底部结构 对撞式流化床气流 粉碎机的底 部结构 ,大体有平底、 倒锥型及球型几种. 由于底部 不同的结构影响到粉碎室的流场分布 ,近年来有一 些研究不同底部结构对粉碎效果影响的成果报道 , 球形底部结构能有效减少底部积料 ,有利于粉碎腔 [11 ,12 ] 稳定流场的形成2. 2. 4 加料位置与加料方式 该型粉碎机的加料 位置大致有 3 种 ,即处于喷嘴上方、 喷嘴平面以及 图 2 对撞流化床气流粉碎机数值模拟对象结构 底部加料. 加料方式也大致有 3 种 ,即 : ?重力加 Fig. 2 Schematic diagram of a fluidized bed opposed jet 料 ,当加料口位于喷嘴上部时 ,多采用重力加料 ; ? mill for numerical simulation 螺旋挤压加料 ,多用于加料位置在喷嘴平面或底 数值计算的边界条件及有关假设 :一为采用压 部. 加料时通过螺旋输送 ,将物料送入粉碎室 ; ?引 力边界条件 ,二为忽略机身的传热影响. 气流场由 射加料或喷射加料 ,物料通过引射喷嘴送入粉 于超音速喷嘴的作用为可压缩流 ,粉碎机壁面的气 碎区. 流满足无滑移条件.采用结构化网格划分粉碎机内 各种不同的加料位置和加料方式均有各自的 腔区域 ,在非常贴近壁面的区域网格细化 ,近壁节 特点 ,故选择的依据是由粉碎机的结构型式决定其 点用壁函数近似值修正雷诺数的影响.用 SIMPL E [13 ] 加料的位置与方式算法求解偏微分方程 ,引入松弛因子促进解的收 [15 ,16 ] 敛 .图 3 为内腔气流场沿出口管轴线的纵向剖 3 粉碎机粉碎腔内的流场数值模拟 面的速度分布云图. 由图 3 可见 ,经过喷嘴的气流 速度明显提高 ,在喷嘴与下盖之间形成基本对称的 由于该机与传统气流粉碎机相比有诸多优点 , 涡流 ,卷吸被粉碎物料循环 ,减少底部积料.在喷嘴 所以对撞式流化床气流粉碎机推广很快 ,各种机型 不断涌现.但对对撞式流化床气流粉碎机粉碎效果 气流交汇处 ,粉体高速 碰撞实现粉碎 ,细颗粒随上 升气流进入涡轮分级机分级. 在喷嘴与分级机之 影响极大的的内腔流场的研究却少见报道. 在开发 间 ,气流保持高速 ,并使被粉碎物料流态化 ,随着距 新机型的过程中 ,主要依靠经验和测试其最终的粉 碎效果 ,存在较大的盲目性. 研究粉碎机内腔流场 离喷嘴的高度升高 ,气 流速度下降 ,携带粉碎产品 的分布特点 ,对优化粉碎机的设计大有裨益. 进入分级区. 计算流体力学 CFD 理论和计算机技术的发 展 ,为粉碎机内腔流场的数值求解提供了可能 ,高 速流场的测试技术又能进一步验证数值计算结果. 目前流体力学数值计算的商用软件主要有 phoenics、 fluent、 CFX等. 数值计算程序多采用通用形式的微分方程描 述流体流动 ,用离散化方法对偏微分方程进行数值 计算.此外 ,流体流动还应满足质量守恒方程.采用 ε 三维坐标系下的的 k2 湍流双方程模拟粉碎机内腔 的气流场情况 ,由此可构建流场三向的动量方程、 [14 ] 湍流动能方程及湍流动能耗散方程图 3 对撞流化床气流粉碎机纵向剖面 内腔气流场速 文中采用计算流体力学软件 Fluent ,对一内径 度分布云图 Fig. 3 Velocity contour map of vertical section at jet 为 200 mm、 工质入口压力 0. 8 MPa 的对撞式流化 nozzles 床气流粉碎机的内腔气流场进行三维数值计算.该 图 4 为内腔气流场在喷嘴平面上的速度分布 粉碎机数值模拟对象结构、 计算对象的结构尺寸见 云图. 由图 4 可见 ,喷嘴产生的高速喷气流在中心 图 2. 598 江 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 3 卷 区域汇聚 ,在内壁附近气流速度低 ,颗粒低速与壁 面摩擦 ,既克服了对壁面的磨损 ,也防止了由于表 面磨损对产品成分的影响. 图 6 对撞流化床气流粉碎机喷嘴平面气流场静压分 布云图 Fig. 6 Static pressure contour map of horizontals section at jet nozzles 图 4 对撞流化床气流粉碎机喷嘴平面气流场速度分 布云图 Fig. 4 Velocity contour map of horizontals section at jet nozzles 图 5 为内腔气流场沿出口管轴线的纵向剖面 的压力分布云图. 图 6 为内腔气流场在喷嘴平面上 的压力分布云图. 由图 6 可见 ,经过喷嘴的气流压 力随着气流速度的增加 ,压力下降 ,在交汇处的压 力又有提高.气流速度在喷嘴前方附近出现大值区 域 ,在喷嘴与底部的区域 ,产生卷吸漩涡的区域 ,压 力较低. 在喷嘴平面上方存在压力梯度 ,且随着位 图 7 对撞流化床气流粉碎机内腔气流迹线 置的提高 ,压力呈下降趋势. Fig. 7 Path lines map of jet air on internal cavity of this kind of jet mill 4 结 语 在以气流为动力的超细粉体加工领域中 ,对撞 式流化床气流粉碎机占有重要地位.该型粉碎机结 构简单 ,且由于内腔被加工物料的流态化粉碎过程 以及粉碎区域处于粉碎机轴线中部等特点 ,使得该 型粉碎机具有诸多优点. 在内腔流场研究方面 ,采用 Fluent 软件对内腔 图 5 对撞流化床气流粉碎机纵向剖面内腔气流场静 气流场进行数值模拟 ,通过软件的后处理程序 ,可 压分布云图 以获得内腔的压力、 速度的分布计算值 ,并绘制气 Fig. 5 Static pressure contour map of vertical section at jet nozzles 流迹线.由于对撞式流化床超细气流粉碎机内部不 图 7 为对撞流化床气流粉碎机内腔流场气流 仅有颗粒群的流态化流动 ,同时还伴随颗粒群的相 迹线图谱. 由图 7 可较直观地观察到在喷嘴平面与 互高速碰撞碎裂 ,粉体的粒度分布也不均匀 ,这就 底部之间的气流涡旋 ,中心区域的气流方向指向底 为气固两相流的模拟带来很大困难.如何将颗粒的 部 ,当受到底部的阻滞后 ,气流方向改变 ,卷吸底部 粉碎行为与流体气固流动特征耦合 ,是今后的研究 物料向上进入流化粉碎区 ,在粉碎区粉碎后 ,气流 方向. 速度下降 ,进入分级区分级. 下转第 641 页