基于Fluent的離心分離腔體內(nèi)流場(chǎng)模擬仿真

顧宗幸 李浙昆 蔡培良 王勝枝 楊劍鋒 陸菲

摘 要：為研究離心式分離腔體內(nèi)部氣流流動(dòng)軌跡以及梗絲顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)一步深入研究梗絲分離效果，基于ANSYS建立流體域模型，利用流體仿真軟件Fluent，采用RNG湍流模型模擬腔體內(nèi)氣流軌跡，拉格朗日離散相模型（DPM）模擬顆粒相運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到腔體內(nèi)氣流軌跡、壓力和顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡云圖，并在入口處設(shè)定不同大小的氣流速度，當(dāng)入射速度為6m/s時(shí)，氣流流動(dòng)軌跡發(fā)生改變，達(dá)到8m/s時(shí)氣流軌跡比較理想，且顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡正確。此時(shí)梗絲在離心分離腔體內(nèi)可以得到有效分離，梗中含絲率降低到2.55%左右，煙絲利用率進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：離心腔體;顆粒相;數(shù)值模擬;入射速度

DOI：10. 11907/rjdk. 191359 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）008-0159-03

Simulation of Flow Field in Centrifugal Separation Chamber Based on Fluent

GU Zong-xing1，LI Zhe-kun1，CAI Pei-liang2，WANG Sheng-zhi2，YANG Jian-feng2，LU Fei1

（1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China;

2. Qujing Cigarette Factory， HongyunHonghe Tobacco （Group） Co.， Ltd.， Qujing 655001， China）

Abstract：In order to analyze the flow trajectory of the airflow inside the centrifugal separation chamber and the movement law of the stem-splitting particles， the separation effect of the stems was further studied. Based on ANSYS， the fluid domain model was established. Using the fluid simulation software Fluent， the RNG turbulence model was used to simulate the airflow trajectory in the cavity， and the Lagrangian discrete phase model （DPM） was used to simulate the motion law of the particle phase， then the air velocity trajectory ， pressure in cavity and motion trajectory of particle phase were obtained. The airflow velocity of different sizes was set at the entrance. When the incident velocity was 6m/s， the airflow trajectory changed. When the velocity reached 8m/s， the airflow trajectory was ideal and the particle motion trajectory was correct. The stem wire can be effectively separated in the centrifugal separation chamber， and the silk content in the stem was reduced to about 2.55%， which improved the utilization rate of the tobacco.

Key Words：centrifugal cavity;particle phase;numerical simulation;incidence speed

基金項(xiàng)目：云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（2017GY05）

作者簡(jiǎn)介：顧宗幸（1993-），男，昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造;李浙昆（1957-），男，博士，昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)等。本文通訊作者：李浙昆。

0 引言

目前，大多數(shù)煙草企業(yè)采用真空浮選的方式對(duì)成品煙絲中多余梗簽進(jìn)行分離[1-3]，將風(fēng)送進(jìn)入梗簽分離裝置進(jìn)行分離后，還會(huì)有一大部分結(jié)團(tuán)煙絲被分離進(jìn)梗簽收集箱內(nèi)[4-5]，為了使其在梗簽中分離、提高煙絲利用率，許多煙草企業(yè)對(duì)此進(jìn)行了研究。劉程[6]在PROTOS70的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套新型梗絲分選裝置，該裝置加長(zhǎng)梗絲提升通道，使梗絲一邊上升一邊左右擺動(dòng)，使塊狀梗絲松散，調(diào)節(jié)風(fēng)選氣壓使梗絲分離;廖艷培[7]針對(duì)YJ17卷煙機(jī)設(shè)計(jì)一套梗絲分離3次風(fēng)選裝置，利用梗絲懸浮速度差異通過(guò)調(diào)壓裝置、吹風(fēng)裝置使梗絲分離;劉瀾波[8]設(shè)計(jì)了一套煙梗打散型漂浮室裝置，將其安裝在“之”字形漂浮室垂直方向上，使煙絲與煙梗徹底分離，提高梗絲二次分離效果;張皓天[9]通過(guò)模擬仿真方形和圓形懸浮腔，得到的方形懸浮腔分離效果較好;蔡培良[10]對(duì)梗簽二次分離裝置工作原理、主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及梗絲受力進(jìn)行了分析研究，但并未對(duì)整個(gè)離心分離腔體內(nèi)的氣流以及梗絲顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬仿真。本文通過(guò)Fluent軟件對(duì)離心分離腔體內(nèi)的氣流及顆粒相運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬仿真，同時(shí)研究不同入射速度下腔體內(nèi)速度變化，找出最優(yōu)入射速度，進(jìn)一步探討梗絲經(jīng)過(guò)離心分離腔體后梗中含絲率。

1 離心腔體數(shù)值仿真

1.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

離心分離腔體利用離心分離的原理[11]，在正壓吹風(fēng)的作用下，梗絲混合物進(jìn)入腔體內(nèi)，由于腔體結(jié)構(gòu)的改變使氣流發(fā)生改變，進(jìn)而使重量較輕（小于氣流的升力）的煙絲、重量較重（大于氣流升力）的梗簽達(dá)到分離。其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

Fluent主要用于流場(chǎng)內(nèi)的數(shù)值模擬[12]，流體域模型建好后利用Workbench中的Mesh模塊對(duì)已經(jīng)建好的流域進(jìn)行前處理工作，首先選擇右側(cè)底部圓形面作為入口，標(biāo)為inlet，然后選擇左側(cè)上部矩形平面為出口1，標(biāo)為outlet1，左側(cè)底部圓形平面為出口2，標(biāo)為 outlet2，其余面定義為壁面，標(biāo)記為wall，如圖2所示;然后將物理場(chǎng)選項(xiàng)設(shè)置為CFD，求解器設(shè)置選項(xiàng)為FLUENT，Relevance Center選項(xiàng)設(shè)置為fine，Smoothing設(shè)置為high，即將其劃分為分布較密、質(zhì)量較高的網(wǎng)格[13-14]。點(diǎn)擊 Generate Mesh 按鈕可生成相應(yīng)網(wǎng)格。

圖1 離心分離腔體? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖2 進(jìn)出口及壁面定義

1.2 計(jì)算模型構(gòu)建

氣相與顆粒相分離過(guò)程屬于兩相流，在腔體內(nèi)部發(fā)生。固體顆粒主要在內(nèi)部氣流場(chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)，在分析顆粒相分離前對(duì)離心分離裝置內(nèi)的氣流場(chǎng)研究很重要，有助于進(jìn)一步研究離心分離裝置性能。

離心腔內(nèi)部流體遵循質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒規(guī)律。本模型數(shù)值仿真中，利用拉格朗日方程計(jì)算固相顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，研究對(duì)象采用RNG k-ε湍流模型，該模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流相似，但RNG k-ε湍流模型應(yīng)用范圍廣、結(jié)果可靠[15]。這是因?yàn)镽NG k-ε方程中出現(xiàn)了新函數(shù)項(xiàng)，得到的湍動(dòng)能和耗散率方程為[16-19]：

[？（pk）？τ+？（pkui）？xi=？？xiakueff+？k？xj+Gk+pε？（pk）？τ+]

[？（pkui）？xi=？？xjazueff+？k？xj+？igεkGk-？2gpg2k] （1）

式（1）中，[ak]、[az]、[？2g]、[η]和[β]為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，均采用Fluent默認(rèn)數(shù)值。

采用DPM模型跟蹤固相顆粒運(yùn)動(dòng)，固相顆粒作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式為：

[dupdt=FD（μ-μP）+gx（pp-p）px+Fx]? ? （2）

式（2）中，[FD（μ-μP）]為顆粒單位質(zhì)量曳力，[μ]為液相速度，[up]為顆粒速度，[μP]為流體動(dòng)力黏度，[p]為流體密度，[pp]為顆粒密度，[gx]為顆粒受到的其它加速度，[Fx]為其它作用力。

1.3 材料物性、邊界條件與初始條件

（1）離心分離腔體的選材為1Cr18Ni9Ti，而Fluent默認(rèn)固體材料為鋁，修改其相應(yīng)屬性。離心分離腔仿真中，在腔體入口通入氣體;固體顆粒材料設(shè)置為wood，直徑取0.335～3.815mm。

（2）固體顆粒在氣體推動(dòng)作用下進(jìn)入離心腔體內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)原因?qū)崿F(xiàn)分離。因此設(shè)定氣體及固體顆粒速度相同，分別取5～8m/s之間速度進(jìn)行模擬仿真。

（3）當(dāng)模擬梗簽顆粒軌跡時(shí)，選擇面射流源將固體顆粒從進(jìn)口面均勻射入腔體內(nèi)，同時(shí)將集梗斗底面設(shè)為捕集面（trap），而集絲斗底面設(shè)為反射面（reflect）;當(dāng)模擬煙絲顆粒軌跡時(shí)，將集梗斗底面設(shè)為反射面（reflect），而集絲斗底面設(shè)為捕集面（trap），出口永遠(yuǎn)為逃逸面（escape）。

（4）求解，選用穩(wěn)態(tài)求解：利用二階迎風(fēng)格式離散的方法計(jì)算連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗方程，殘差均下降至1×10-4;采用欠松弛迭代方法避免非線性問(wèn)題的發(fā)散[20-21]。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 腔體內(nèi)速度分析

為了獲得最佳工作風(fēng)速使梗絲得到有效分離，利用數(shù)值模擬的方法可以直接觀察到整個(gè)離心腔體內(nèi)氣相流場(chǎng)的速度分布規(guī)律。取不同大小的速度，得到腔體內(nèi)氣流軌跡及速度變化，如圖3所示。

從圖3中可以看出，進(jìn)口風(fēng)速在5m/s時(shí)氣流軌跡主要流向左下通道，在左上通道流出比較稀疏，這樣當(dāng)梗絲進(jìn)入腔體后，大部分梗絲會(huì)從左下通道流出，無(wú)法實(shí)現(xiàn)梗絲進(jìn)一步分離。當(dāng)進(jìn)口速度進(jìn)一步增大到6m/s時(shí)，氣流軌跡發(fā)生變化，主要從左上通道流出，左下通道氣流變得稀疏。進(jìn)一步增大進(jìn)口速度至6.5、7.0、7.5、8.0m/s時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣流也主要從左上通道流出，左下通道很少，相互比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)口速度為8m/s時(shí)氣流軌跡較好，在分離口處不會(huì)有漩渦出現(xiàn)，且在分口處速度也降低到4.1m/s左右，這是通道截面積增大引起的，如此會(huì)使煙絲與梗簽受力發(fā)生變化，煙絲不能克服離心力，繼續(xù)在氣流作用下從左上通道流出，而梗簽本身比煙絲沉，由于重力大于離心力便會(huì)下落，從左下通道流出，從而實(shí)現(xiàn)梗簽與煙絲分離。

（a）5.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）5.5m/s

（c）6.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （d）6.5m/s

（e）7.0m/s? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （f）8.0m/s

圖3 不同進(jìn)口速度下腔體內(nèi)速度軌跡

2.2 腔體內(nèi)壓力分析

經(jīng)過(guò)后處理得到整個(gè)離心分離腔內(nèi)及z=0.05m時(shí)的壓力云圖，在腔體右半部分壓力逐漸減小，左半部分壓力基本保持不變，如圖4所示。

圖4 離心分離腔體內(nèi)壓力云圖

2.3 腔體內(nèi)顆粒軌跡

梗絲顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是進(jìn)行梗絲分離裝置性能研究的重要環(huán)節(jié)。由于該分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，顆粒在分離裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況不是很復(fù)雜，考慮除受到氣流曳力外，還受到顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的碰撞。本文主要跟蹤顆粒粒徑在0.335～3.815mm梗簽顆粒與煙絲顆粒的軌跡，在入口處釋放一定數(shù)量的顆粒，找到顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖5-6所示。

圖5 煙絲顆粒軌跡? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖6 梗簽顆粒軌跡

由圖5、圖6可以看出，煙絲及梗簽顆粒受湍流氣流影響，其隨機(jī)性較大，相互之間與壁面之間均會(huì)發(fā)生碰撞，但煙絲及梗簽顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)正確，在圖5中可以看出大部分煙絲在氣流作用下直接沿外壁面流出，只有極少量流入左下通道。而在圖6中梗簽在到達(dá)分口處時(shí)，由于氣流速度變小以及自身重密度大，會(huì)有向下運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，梗簽從左下通道流出，不過(guò)也有一些細(xì)碎的梗簽從左上通道流出，但數(shù)量極少，這是不可避免的。

為了研究分離效率，通過(guò)多次模擬在入口處加入不同數(shù)量的煙絲及梗簽顆粒，得到梗簽顆粒平均捕集效97.83%，煙絲顆粒捕集效率為76.14%。若按照原始梗中含絲率為20.27%[～]22.56%計(jì)算最后收集到的梗中含絲率，設(shè)梗絲混合物的數(shù)量為[γ]個(gè)，則按照公式（3）可計(jì)算出經(jīng)過(guò)離心分離腔體后梗中含絲率：

[γ（1-97.83%）（20.27%～22.56%）γ1-97.83%77.44%～79.73%+γ76.14%（20.27%～22.56%）][=（2.51%～2.59%）] （3）

從而利用該分離裝置使煙絲及梗簽得到進(jìn)一步分離，梗中含絲率由原先的20.27%[～]22.56%降低到2.51%～2.59%，可極大提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用離散相模型對(duì)離心分離腔體內(nèi)的流場(chǎng)及顆粒軌跡進(jìn)行仿真分析，進(jìn)口通入的風(fēng)速大小不同，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速在5.0～6.0m/s時(shí)氣流軌跡主要流向左下通道，而達(dá)到6.5m/s時(shí)氣流軌跡發(fā)生改變，主要流向左上通道，當(dāng)進(jìn)口氣流速度為8m/s時(shí)達(dá)到最佳。同時(shí)在入口處入射一定量的煙絲和梗簽顆粒，大部分煙絲會(huì)從左上通道流出，多數(shù)梗簽會(huì)直接落入左下通道流出，煙絲及梗簽通過(guò)該分離裝置后可得到有效分離，梗中含絲率大幅降低。通過(guò)該數(shù)值模擬分析可為后續(xù)梗絲分離裝置研究與開(kāi)發(fā)提供支持。

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（責(zé)任編輯：江 艷）