基于FLUENT對自動配料除塵裝置的優(yōu)化設(shè)計

李娟， 張琰， 白俊武， 席娜

（中鈔油墨有限公司，上海201315）

0 引言

隨著技術(shù)提升，配料作為油墨生產(chǎn)的第一道工序，由于其自動化程度較低、投料不便、除塵效果不佳、控制系統(tǒng)可靠性不高等等問題，已然成為影響提高整個生產(chǎn)效率的瓶頸。為了解決這一問題，中鈔油墨有限公司決定新建一條自動配料生產(chǎn)線，本文旨在通過流體模擬軟件FLUENT，對新建配料生產(chǎn)線中除塵裝置進(jìn)行流場模擬，對比不同粒徑粉料顆粒在除塵系統(tǒng)中的運動軌跡，驗證新除塵裝置設(shè)計的可行性。

1 數(shù)值模擬模型的選取

在流體力學(xué)中我們所用的數(shù)學(xué)模型是連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)是假設(shè)流體分子之間的距離（即流體分子運動的平均自由程）相對于流體力學(xué)問題中的任何宏觀物理尺度非常小，我們就可以選擇這樣的流體微團(tuán)，在宏觀上足夠小，微觀上足夠大（包含足夠多的流體分子），因此所有（微積分中的）數(shù)學(xué)模型的過程都是有意義的［1］。

FLUENT軟件通過數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，可以據(jù)此算出其它相關(guān)物理量［2］。本論文采用FLUENT進(jìn)行模擬計算，得出除塵裝置的速度分布、壓力分布及顆粒運行軌跡圖［3］。

本文所建立的除塵裝置的模型具有不規(guī)則的幾何邊界，其中的氣體流動狀態(tài)為湍流［4］。計算機技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了湍流流動數(shù)值求解方法的進(jìn)步，根據(jù)對湍流求解主要思想的不同大致可以分為直接數(shù)值模擬、雷諾時均模擬和大渦模擬。根據(jù)實驗研究以及實際工程的應(yīng)用情況，雷諾時均方程中的雙方程k-ε模型是工程中適用性最強，也是最有實用價值的一類湍流模型。因此，本文所選定的計算模型為 k-ε 模型［5］。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型需要求解湍動能k及其耗散率ε方程。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導(dǎo)得到的，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學(xué)上模擬相似原形方程得到的。該模型假設(shè)湍動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動能k及其耗散率ε方程為如下形式［6］：

式中：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。在FLUENT中作為默認(rèn)值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動能 k 與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。湍流黏性系數(shù)μi=ρCμε2/k。

2 除塵系統(tǒng)數(shù)值模擬研究

本論文研究的新型自動配料裝置中的除塵系統(tǒng)由除塵罩和接料桶兩部分組成。首先對除塵罩的空氣流場進(jìn)行模擬，以了解除塵罩本身的特性。

2.1 除塵罩空氣流場模擬

1）除塵罩的模型建立。根據(jù)除塵罩的實際尺寸建立模型如圖1所示，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個網(wǎng)格數(shù)量為370 961個，如圖2所示。

2）設(shè)置除塵罩的邊界條件。實際的操作工況中物料從除塵罩上部的進(jìn)料口進(jìn)料，下部出料至料桶，右邊的管路是抽風(fēng)裝置，對其中飛濺的灰塵進(jìn)行回收。物料的進(jìn)料方式采用螺旋推進(jìn)器，因此物料的進(jìn)料速度為螺旋推進(jìn)器的加料速度（考慮重力影響），螺旋推進(jìn)器的加料速度為0.109 m/s，螺旋推進(jìn)器的出口到除塵罩的進(jìn)料口有大約500 mm的垂直距離。根據(jù)能量守恒方程進(jìn)行換算：

根據(jù)換算得出除塵罩進(jìn)料口的加料速度為3.132 m/s。下部出料口和料桶中間有8 mm的空隙，因此，下部出料口和大氣連通。右邊的抽風(fēng)裝置經(jīng)測定風(fēng)速為27.1 m/s，根據(jù)伯努利方程

對其進(jìn)行換算得出該風(fēng)速下的壓力為450 Pa（表壓）。

設(shè)置模型的邊界條件如下：a.進(jìn)口設(shè)置速度入口，速度為3.132 m/s；b.下出口設(shè)置壓力出口，因和大氣連通，設(shè)置表壓為0 Pa；c.右出口設(shè)置壓力出口，因右側(cè)為抽氣裝置，設(shè)置其為負(fù)壓，表壓為-450 Pa。

3）對模型進(jìn)行求解并顯示結(jié)果。選擇k-ε模型進(jìn)行求解，設(shè)定求解過程為定常、不可壓縮。對其進(jìn)行迭代計算，殘差監(jiān)控曲線可收斂于10-5，各項指標(biāo)均趨于穩(wěn)定，可知計算結(jié)果正確。

根據(jù)計算結(jié)果截取不同截面的空氣流場進(jìn)行結(jié)果顯示，如圖3～圖6所示。建模的坐標(biāo)原點位于除塵罩下邊緣圓盤的中心，分別截取 x=0、x=300、y=0、z=40處截面的速度矢量進(jìn)行結(jié)果顯示。圖中不同的速度值用不同顏色表示。箭頭的方向代表氣體流動方向，箭頭長短代表速度的大小。

由圖3可知，x=0截面平行于負(fù)壓出口邊界并距離邊界面800 mm，又由于中間有擋料板的遮擋，x=0截面的速度值較小，氣體流動方向如圖3所示。x=300截面靠近吸風(fēng)管路的進(jìn)風(fēng)口，從圖4可以看出此截面速度值有所增加，在靠近吸風(fēng)管，截面的下部位置，速度增大，可達(dá)到5～6 m/s左右。y=0截面顯示了整個除塵罩垂直剖面的流場情況，在除塵罩內(nèi)部，速度矢量箭頭較短，速度值很小，在吸風(fēng)管路中速度逐漸增大，在出口處達(dá)到最大26 m/s左右，如圖5所示。z=40截面是除塵罩下邊緣以上包括擋風(fēng)板的橫向截面，由圖6可以看出，由于擋風(fēng)板的原因，擋風(fēng)板前端的氣體流速較小，在環(huán)形擋風(fēng)板兩端靠近吸風(fēng)口的地方，速度逐漸加大，在擋風(fēng)板后部兩端氣流交匯的地方受到氣流影響，氣體流速有所降低。由整個氣體的流場可知，除塵罩下端的除塵風(fēng)力較小。

2.2 除塵系統(tǒng)空氣流場模擬

1）除塵系統(tǒng)模型建立和邊界條件設(shè)置。由于實際使用過程中，除塵罩的下部有加料桶，其整個氣體流動狀態(tài)受到影響，因此要對整個除塵系統(tǒng)的流場分布進(jìn)行重新計算。加入料桶后，建立模型如圖7所示，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總的網(wǎng)格數(shù)量為712 264個，劃分網(wǎng)格如圖8所示。邊界條件設(shè)置除過下邊界的壓力出口面更改為除塵罩和接料桶之間的環(huán)形曲面以外，其余邊界條件均和除塵罩的設(shè)置相同。

圖7 除塵系統(tǒng)模型

圖8 除塵系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

圖9 y=0截面的壓力云圖

2）對模型進(jìn)行求解并顯示結(jié)果。求解模型選擇及所有邊界條件設(shè)置均和除塵罩相同，迭代計算收斂，根據(jù)計算結(jié)果對整個除塵系統(tǒng)的壓力分布進(jìn)行顯示，選取y=0截面，如圖9，對應(yīng)左邊的壓力色標(biāo)，可知整個壓力分布在抽風(fēng)管路上均為負(fù)壓，且逐漸遞減，在出口邊界處負(fù)壓達(dá)下，至料桶底部后氣體方向發(fā)生變化，反向向上流動，由于吸力作用，除塵罩中兩邊的氣體流動狀態(tài)較明顯。在離抽風(fēng)口較近的地方x=300處截取平行截面進(jìn)行顯示，由于此截面離開加料口，靠近抽風(fēng)口，受下料速度影響較小，而受抽風(fēng)負(fù)壓影響較大，桶內(nèi)部氣流向下的流速較小，上部的除塵罩中氣體流速加大，流動性明顯。y=0截面是整個系統(tǒng)的截面圖，速度矢量圖可以顯示整個加料過程中氣體的流動狀態(tài)，進(jìn)料的氣流先到達(dá)底部，隨后會有回旋向上流動，加料的氣流會受右側(cè)抽風(fēng)的影響，向右側(cè)偏移。同樣截取z=40即除塵罩內(nèi)部截面進(jìn)行顯示，受到下料速度及下部桶體的影響，氣體流速會加大，除塵罩內(nèi)氣體流動明顯，在擋風(fēng)板前段流速降低，擋風(fēng)板后部和單獨模擬除塵罩時流場一致。最后分別對比z=0截面（除塵罩下邊緣）和z=-5截面（除塵罩和桶之間的空氣流場）進(jìn)行顯示，可知在z=0截面比遠(yuǎn)到最大-450 Pa，除塵罩和接料桶之間有一段和大氣連通，因此這兩部分的壓力接近大氣壓為正壓分布。

為了觀測氣流流場，分別選取 x=0、x=300、y=0、z=40、z=0、z=-5截面的速度矢量進(jìn)行顯示，如圖10～圖15所示。

由圖10～圖15可知，加入接料桶以后，x=0即桶中心距離抽風(fēng)口800 mm的平行截面，其流場發(fā)生了變化，由于受下料速度的影響，氣體以較大的速度從中心處先向離除塵罩的z=-5截面空氣流動速度較大，流動性明顯。

圖12 y=0截面流場速度矢量圖

圖10 x=0截面流場速度矢量圖

圖13 z=40截面流場速度矢量圖

圖11 x=300截面流場速度矢量圖

圖14 z=0截面流場速度矢量圖

圖15 z=-5截面流場速度矢量圖

3 物料顆粒運動軌跡仿真

實際生產(chǎn)中，進(jìn)入除塵罩的為固體狀的物料，由于物料的顆粒度很細(xì)，一般在微米級，本文取其中一種X作為研究對象，可知X的顆粒粒徑為5μm，密度為1430kg/m3，將粉料顆粒加入到除塵系統(tǒng)的空氣模型中，給定從加料口進(jìn)入的速度為3.132 m/s，最后的仿真結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 顆粒運動軌跡正視圖

圖17 顆粒運動軌跡上視圖

圖中顯示的是顆粒在整個系統(tǒng)內(nèi)的運動軌跡，顏色代表其在內(nèi)部的停留時間，從圖中可以看出，一部分顆粒進(jìn)入桶內(nèi)到達(dá)底部后會產(chǎn)生回流，向上反向運動，最終因為抽風(fēng)管的負(fù)壓，返到上部的粉狀顆粒會被吸走。該軌跡圖是在假設(shè)所有顆粒均勻分布，下料過程中顆粒粒徑均為5 μm的情況下得出的，由軌跡圖可知，有大部分的顆粒會被吸走，在實際生產(chǎn)過程中，由于下料前物料會先進(jìn)入儲料罐，后經(jīng)螺旋推進(jìn)器輸送到加料口處，經(jīng)堆積、擠壓后大部分的顆粒會粘合在一起，形成較大粒徑的顆粒，本文也分別對100 μm和1 mm粒徑的顆粒運行軌跡進(jìn)行了模擬，結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 100 μm顆粒運行軌跡

圖19 1 mm顆粒運行軌跡圖

由圖18和圖19可知，當(dāng)粒徑達(dá)到100 μm級時，只有少數(shù)的顆粒會被吸收，大部分物料都留在料桶內(nèi)，顆粒直徑增大至1 mm級時，所有的物料都不會被吸收。實際生產(chǎn)過程中，物料的顆粒直徑可能會達(dá)到100 μm級以上，因此，該套除塵裝置在保證加料量的同時，能對飛濺到上桶邊的細(xì)小顆粒進(jìn)行很好的回收。由于除塵罩下端面和料桶上端面之間的區(qū)間和大氣連通，這一部分的物料顆粒不能得到回收，就會飛落到空氣中，落到地面上，造成工作環(huán)境惡劣，通過選取不同大小的顆粒進(jìn)行重復(fù)模擬試驗，最終得出，此套裝置可以對飛至上桶邊，小于30 μm級的物料顆粒進(jìn)行很好的吸收。經(jīng)過以上結(jié)論，證明該套裝置除塵效果顯著。

4 結(jié)論

本文通過對除塵罩和除塵系統(tǒng)的流場進(jìn)行仿真模擬，最終得出顆粒在其中的運動軌跡，觀測除塵裝置的除塵效果，得出以下結(jié)論：1）根據(jù)模擬結(jié)果可知，影響除塵效果的變量有加料速度、抽風(fēng)的負(fù)壓和顆粒的大小。2）實際生產(chǎn)加料時，大部分顆粒由于擠壓會粘合在一起，形成較大粒徑的顆粒。根據(jù)模擬結(jié)果，可知該套裝置可以對一小部分粒徑為100 μm級的顆粒進(jìn)行回收，而當(dāng)粒徑達(dá)到1 mm級時，就不會被吸收。通過多次試驗，得出新的除塵系統(tǒng)可以對運動到料桶的上邊緣，且粒徑小于30 μm的所有顆粒進(jìn)行很好的收集。

通過FLUENT的流場模擬，證明新的除塵裝置除塵效果更佳，結(jié)合實際生產(chǎn)，地面可見粉塵明顯減少?？赏ㄟ^改變操作參數(shù)，模擬出不同情況的除塵效果，并通過確定合理的操作參數(shù)，給出一個最佳操作工況。

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