沸騰式送粉器性能及其結構優(yōu)化數(shù)值模擬研究

戴俊豪 韋俊尤

摘要： 文章運用氣固兩相流數(shù)值模擬的方法對送粉器輸送不同密度及不同顆粒直徑粉末進行了仿真研究，并分析送粉器結構對粉末輸送效果的影響，從而對送粉器的結構進行了優(yōu)化。結果表明，隨著顆粒直徑的增大，相同氣流條件下得到的送粉流量減小。而相同顆粒直徑下，隨著粉末材料密度的增大，送粉的體積流量逐漸減小，而質量流量的變化無規(guī)律可循。根據(jù)氣固兩相流理論，選取不同的送粉管與氣流入口高度值進行模擬對比分析。該高度值的增大并不能改善送粉的均勻性，而從當前高度降低6mm可得到更好的送粉均勻性。

關鍵詞：沸騰式送粉器，性能分析，結構優(yōu)化，數(shù)值模擬

前言

在高能束熔覆粉末輸送中，氣-固兩相流數(shù)值模擬已經在粉末噴嘴流場模擬中得到很多的應用[1-3]；此外，針對螺旋式送粉器，施陽和等[4]運用Fluent模擬了送粉器內部的速度分布、顆粒軌跡等進行了仿真分析；對于該類需要追蹤流動顆粒的數(shù)量較少的工況，用歐拉-拉格朗日法[5]可得到很好的效果。而針對本文所研究的送粉器，粉末與氣體混合的濃度大，涉及的顆粒數(shù)量多，離散相模型進行仿真所需的計算時間久，因此運用歐拉-歐拉法[6]對沸騰式送粉器的輸送過程進行仿真。該方法已在氣固兩相流模擬中得到廣泛的應用。K. Papadikis等[7]曾運用數(shù)值模擬對快速裂解流化床的結構進行優(yōu)化。通過修改不同的流化床結構，實現(xiàn)了基于數(shù)值模擬的流化床結構優(yōu)化。

1.沸騰式送粉器及其數(shù)值模擬

對本文所涉及的沸騰式送粉器，由于其不存在軸對稱性，無法簡化為二維模型進行模擬。因此，按照現(xiàn)有設備的尺寸進行模型建立如圖1所示，粉倉內的粉末在下端沸騰氣流的作用下，隨氣體通過小孔進入送粉管中，并由送粉氣路的氣流將混合的粉氣送入激光熔覆送粉噴嘴。粉倉的主要尺寸參數(shù)為：送粉管直徑為2mm，粉倉與送粉管連接的小孔直徑為1mm，下端氣流入口直徑20mm。

圖1送粉器的三維網格示意圖

在之前的研究中，確定了Mckeen曳力模型在該送粉器數(shù)值模擬中得到的送粉流量與實驗結果較符合，因此，利用數(shù)值模擬的方法研究送粉器輸送粉末的性能時，只需對Fluent中粉末相的顆粒直徑或材料密度進行修改。而對送粉器結構進行優(yōu)化時，需要對不同結構尺寸的送粉器重新建模及劃分網格。

2.對不同粉末輸送結果的模擬與分析

對于不同的粉末，流態(tài)化過程中臨界流化速度等參數(shù)也會不同，因此要對其輸送特性進行全面的了解需要大量的實驗，在確定了合適的數(shù)值模型基礎上，通過修改數(shù)值計算時固體相的參數(shù)，能更方便快捷的了解送粉器對各類熔覆粉末輸送的性能。

2.1.不同顆粒直徑粉末的輸送效果模擬

選擇2.83L/min的沸騰氣流，2.4L/min送粉流量作為邊界條件，粉末固定為鎳基合金粉末，選取70μm，80μm，90μm，100μm，110μm五種不同顆粒直徑的粉末進行仿真，粉末材料密度均為8830kg/m3，將其得到的粉末輸送結果進行對比分析。

不同顆粒直徑下送粉流量穩(wěn)定后取平均值，結果如表1?？梢婎w粒直徑的不同，對送粉質量流量也產生較大影響，在相同的沸騰進氣量下，粉末顆粒直徑越大，送出的粉末流量越少，且流量并非雖顆粒直徑增大而等比例減小。

表1 不同等效顆粒直徑下得到的送粉流量

圖3顯示粉氣管中的粉末濃度在隨密度增大而降低。另外，在對密度大的粉末輸送，粉末濃度分布不均勻，有粉末濃度低的氣泡出現(xiàn)。當氣-固兩相的密度差越大，流化床越容易形成聚式流態(tài)化。

圖4為四種不同密度合金粉末輸送時粉末流量隨時間的變化，該圖顯示的結果與之前對粉末體積分數(shù)分布圖的分析結果一致，兩種密度比較大的粉末輸送時，流量的波動比較明顯。而對后兩種密度較小的粉末（鋁合金和鈦合金）則可得到較均勻的粉末流量。因此，這類基于流態(tài)化的送粉器對密度小的金屬粉末會得到更加穩(wěn)定的送粉效果。

3.送粉器結構優(yōu)化數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬結果表明，該尺寸的送粉器送粉流量仍然有比較大的不均勻性，這會導致熔覆層高度不均勻，因此，利用數(shù)值模擬的方法，修改送粉器的結構，從而能對送粉器的結構進行優(yōu)化。

基于流化床理論的初步分析，通過數(shù)值模擬，對不同送粉管高度下的送粉流量結果進行分析比較。下端沸騰進氣口到送粉管上的小孔的高度為H=20mm，本節(jié)重新更改送粉器結構并劃分網格，參數(shù)H分別取14mm，17mm，23mm，29mm四種高度。

重新設計送粉器結構后，在其他邊界條件和參數(shù)不變的情況下，進行送粉模擬，圖5顯示了不同結構下粉末流量隨時間變化。為了對比不同參數(shù)下送粉流量的波動性。

不同的高度H下粉末輸送的效果不盡相同，而H為17mm、23mm和29mm時，送粉流量的波動均比較大，其平均值分別為30.1g/min、28.1g/min和25.8g/min。而送粉過程中最大的流量可能達近80g/min。

通過對比H為14mm和29mm兩種情況下粉末濃度分布，圖6（a），（b）分別為H=14mm時送粉器中的粉末濃度分布基本保持不變，不存在氣泡的上升和聚并而導致送粉流量的波動。圖6（c），（d）分別為H=29mm的送粉器結構中所得到的粉末濃度，在送粉管兩邊容易產生流量不均勻的氣泡，導致送粉流量存在波動性。

可見，送粉管距離篩網的高度H降低到14mm，可得到穩(wěn)定的粉末輸出，且減少了送粉時剩余無法輸送的粉末量，參數(shù)H可作為對送粉器優(yōu)化的參數(shù)之一。

4.結論

通過數(shù)值模擬，表明對于該類流態(tài)化粉末輸送設備，粉體的密度，顆粒直徑等均會關系粉末輸送的流量。在一定的輸送氣流下，隨著顆粒直徑的增大，送粉器輸送的粉末質量流量逐漸減小，且粉末顆粒直徑大于一定值后，將很難送出粉末。而對于相同顆粒直徑的粉末，隨著粉末材料密度的增大，粉末的體積流量減小。

對送粉管距離下端沸騰進氣口的高度參數(shù)H進行調整，分析不同H下的送粉效果。結果表明，H參數(shù)減小到14mm時，可得到相對穩(wěn)定的送粉效果。一定程度上改進了送粉器的性能，而其它高度下送粉流量波動性都很大。因此，現(xiàn)有送粉器中送粉管與篩網的高度可適當?shù)南抡{，而該高度的增大并不能得到更好的送粉效果。

參考文獻：

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作者簡介：戴俊豪（1986-），男，浙江紹興人。浙江工業(yè)職業(yè)技術學院，講師，碩士研究生，主要從事數(shù)控教學工作與金屬材料表面改性研究。