選粉機常見動葉片阻力特性研究

摘要：本文針對工業(yè)應用中常見的四種動葉片結(jié)構(gòu)，基于動力相似原理，設計了四種不同的動葉片工藝配置方案，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，縮寫CFD）的滑移動網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值研究了TRM56.4輥磨選粉機流場，得到了常見動葉片結(jié)構(gòu)的阻力特性，為高效低阻選粉機的開發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。

關鍵詞：選粉機 立磨 粉體 CFD 數(shù)值模擬

中圖分類號：TQ172.6+3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0020-03

近年來，隨著我國水泥工業(yè)生產(chǎn)無球化技術(shù)的推廣應用，立式輥磨在水泥生料粉磨、水泥熟料粉磨都得了廣泛的應用。選粉機是立式輥磨的一核心部件，其性能好壞直接決了產(chǎn)品的質(zhì)量、系統(tǒng)產(chǎn)量及系統(tǒng)粉磨電耗，因此，為降低系統(tǒng)粉磨電耗，提高成品質(zhì)量，國內(nèi)外均對選粉機開展了深入的理論研究[1-6]，但對不同動葉片結(jié)構(gòu)性能的研究還未見到過報道，此外選粉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程的處理上均采用多重參照系MRF方法，MRF方法實質(zhì)上是固定轉(zhuǎn)子，氣流按設定的轉(zhuǎn)速繞轉(zhuǎn)子及動葉片流動的方法，從理論上違背了選粉區(qū)內(nèi)氣流由于轉(zhuǎn)子及動葉片的轉(zhuǎn)動而被動流動的實際物理過程，據(jù)此本文采用了滑移動網(wǎng)格方法處理選粉機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程。

1 幾何物理模型模型

本文結(jié)合TRM56.4立磨選粉機為研究對象，以降低選粉機阻力為結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的，采用三維建模軟件構(gòu)建選粉機流體域?qū)嶓w幾何模型，為采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，以選粉機動-靜葉片1/2間隙柱面位置及轉(zhuǎn)子上、下面端面位置對選粉機幾何模型進行分割（圖1），將生成的三維幾何模型導出parasolid格式文件（*.x_t），并導入網(wǎng)格生成軟件Gambit2.4.6，采用網(wǎng)格加密和網(wǎng)格過渡技術(shù)，生成圖1所示的計算網(wǎng)格。為研究幾種常見動葉片的阻力特性，對“TRM”、“LV”、“Leosche”及“L”型動葉片結(jié)構(gòu)基于動力相似（相同的動葉片靜態(tài)間隙風速）工藝計算結(jié)果（表1）分別進行幾何建模、網(wǎng)格劃分和流場計算，動葉片結(jié)構(gòu)形式及尺寸見圖2。

2 計算邊界條件略。

3 數(shù)值求解

本文采用CFD商用軟件Fluent6.3非定常求解器，湍流模型采用RNG [7]湍流模型，速度-壓力耦合方程采用PISO算法[8]求解，差分格式除壓力采用PRESTO！格式外，其余均采用Third-Order MUSCL格式，滑移動網(wǎng)格求解設置如下：

1）定義轉(zhuǎn)子流體域為rotor，類型為Fluid，將rotor內(nèi)轉(zhuǎn)子葉片、筋板、轉(zhuǎn)子軸等所有隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動的幾何結(jié)構(gòu)面統(tǒng)一定義為固壁rotor-wall，類型為WALL；

2）定義圖1所示滑移網(wǎng)格界面為INTERFACE類型邊界，輸出各流體域網(wǎng)格，并逐個導入CFD求解器，然后分別將Slide1-1與Slide1-2、Slide2-1與Slide2-2、Slide3-1與Slide3-2定義Slide1、Slide2、Slide3三個滑移網(wǎng)格副；其次，將轉(zhuǎn)子流體域rotor設置為動網(wǎng)格（Moving mesh），設置自轉(zhuǎn)revolving運動類型，并根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向按右手定則定義轉(zhuǎn)軸矢量坐標，依據(jù)轉(zhuǎn)子設計或工作轉(zhuǎn)速度計算并設置rotor轉(zhuǎn)速α（rad/s）。

3）將轉(zhuǎn)子rotor-wall壁面設置為跟隨相鄰網(wǎng)格運動，將相對運動速度值設置為0m/s，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片及內(nèi)部筋板、轉(zhuǎn)軸按照流體域rotor 設定的轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動

4）按表2所示的選粉機喂料量及喂料粒度分布定義DPM多相流模型，設置選粉機入口為顆粒相注入口，入口類型為面Surface，入射方向沿氣流方向。

5）求解器采用非定常求解器，并按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速α（rad/s）、單個轉(zhuǎn)子葉片掃過相鄰靜子葉片間隙所經(jīng)過的角度θ（rad），計算數(shù)值求解最大時間步長 、 ：

其中 整數(shù)，視實際求解過程的穩(wěn)定性取值，n值越大求解越穩(wěn)定，但計算收斂速度越慢。

6）初始化求解程序，設置求解殘差及選粉機進、出口壓力監(jiān)控曲線，開始迭代計算，求解過程中視殘差曲線的穩(wěn)定性調(diào)整計算時間步長 （ ），待選粉機進、出口壓力監(jiān)控曲線水平或長時間規(guī)律波動、選粉機入口與成品出口和粗粉回料出口質(zhì)量流速平衡，即可視為求解收斂。

4 計算結(jié)果與討論

圖2所示四種不同的動葉片結(jié)構(gòu)在57r/min、35r/min兩種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工況下選粉機阻力計算數(shù)據(jù)見表3。

各方案采用相同結(jié)構(gòu)和數(shù)目的靜葉片，且動葉片數(shù)目基于動葉片間相同的靜態(tài)間隙風速條件計算得到，在相同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、選粉機風量和喂料量條件下，表1選粉機動葉片配置方案具有動力相似的條件，從而計算得到的選粉機阻力具有可比性，也即計算得到的各方案選粉機阻力主要是由于動葉片結(jié)構(gòu)不同造成的。據(jù)表3，在兩種不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速條件下，均以“LV”動葉片方案具有最小的選粉機阻力；此外，在35r/min轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，“LV”動葉片同其它方案的阻力差最大613.4Pa，最小345.2Pa，在57r/min條件下，陰力差最大957.7Pa，最小424.8Pa，這說明轉(zhuǎn)子速度越高，其低阻優(yōu)勢越明顯。

根據(jù)圖2所示選粉機動葉片結(jié)構(gòu)，“LV”動葉片區(qū)別于其它動葉片結(jié)構(gòu)的共同點在于其外側(cè)擋板，該擋板能有效克服動葉片間氣流的旋轉(zhuǎn)離心力阻礙來自靜葉片的氣流進入動葉片間隙（圖3）；如無該擋板，動葉片間的旋轉(zhuǎn)氣流的離心力就在一定程度上阻礙靜葉片氣流進入動葉間隙（圖4），從而增加阻力。“Leosche”動葉片雖有外側(cè)擋板，但由于該擋板同葉片直段存在42°的夾角，在隨其內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過程中，該擋板會直接對來自靜葉片的氣流產(chǎn)生外推作用，此外，42°夾角相對于LV的垂直角，其平衡動葉片間氣流離心作用的效果也造到削弱，這必然導致“Leosche”動葉片方案阻力最高，且轉(zhuǎn)子速度越高，阻力越高。

“LV”動葉片方案計算阻力低，這同工業(yè)應用實踐中“LV”選粉機相比“TRM”、“Leosche”、“L”型立磨選粉機阻力低的現(xiàn)象吻合，此說明本文所采用的選粉機流場數(shù)值研究方法合理，能基本正確反映工業(yè)生產(chǎn)實踐的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

1）采用滑移動網(wǎng)格技術(shù)成功解決了選粉機流場研究中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動問題，改善了目前國內(nèi)外普遍采用的MRF方法處理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程研究的不足，提高了選粉機流場研究的精度。

2）“LV”動葉片結(jié)構(gòu)相對于“TRM”、“Leosche”、“L”型選粉機動葉片方案具有最低的阻力性能，且低阻優(yōu)勢隨轉(zhuǎn)子速度的增加而增加。

3）選粉機動葉片在結(jié)構(gòu)上要避免其外端在回轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的外推來自靜葉片氣流作用的結(jié)構(gòu)設計。

參考文件

[1] 童聰，李雙躍，綦海軍，等.立磨選粉機葉片結(jié)構(gòu)對分級區(qū)速度場影響分析[J]， 化工進展，2012，31（4）：778-783.

[2] 童聰，李雙躍，綦海軍，等.立磨選粉機葉片參數(shù)的分析與優(yōu)化設計[J].過程工程學報，2012，12（1）：14-18.

[3] 綦海軍，李雙躍，任朝富，等.立磨選粉機導流圈的數(shù)值模擬與分析[J].浙江工業(yè)大學學報，2012，40（1）：70-74.

[4] 陳杰來，姜大志，黃億輝.O-Sepa選粉機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對流場特性的影響[J]，中國粉體技術(shù)[J]，2011，17（6）：38-41.

[5] 范增曉，姜大志，黃億輝.O-SEPA選粉機內(nèi)部流場數(shù)值模擬的方法選擇[J].江南大學學報（自然科學版），2011， 10（5）：568-572.

[6] Karunakumari L，Eswaraiah C，Jayanti S，et al，Experimental and numerical study of a rotating wheel air classi-fier[J].AIChE Journal，2005，51（3）：780.

[7] D.Choudhury.Introduction to the Renormalization Group Method and Turbulence Modeling.Fluent Inc.Technical Memorandum TM-107，1993.