基于環(huán)狀超聲速氣流引射作用的靶式氣流磨研究

張 兆, 林 俊, 陶 洋, 郭秋亭, 左 金, 路 波

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

在超精細(xì)粉末制備過(guò)程中，其表面晶格被破壞，表面活性大大增強(qiáng)，因而表現(xiàn)出良好的物理化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于化工、材料等諸多領(lǐng)域，其制備工藝也得到了深入研究。氣流磨具有顆粒自研磨無(wú)污染、損耗低、粉體尺寸均勻、適用于熱敏感材料等優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注[1-2]；但也存在效率低、能耗大等缺點(diǎn)[3]，應(yīng)用受到限制。隨著綠色化學(xué)的興起，如何進(jìn)一步提高氣流磨研磨效果并拓展其應(yīng)用，成為超精細(xì)粉末制備行業(yè)的關(guān)注焦點(diǎn)[4-5]。

氣流磨的原理是利用高速氣流對(duì)顆粒進(jìn)行加速，實(shí)現(xiàn)顆粒之間、顆粒與固壁之間的碰撞，從而達(dá)到研磨的目的，其核心是氣固兩相流和氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)問(wèn)題[6-7]。本文基于對(duì)傳統(tǒng)氣流磨流動(dòng)特點(diǎn)的分析，提出一種中心引射式環(huán)狀超聲速氣流磨布局方案，通過(guò)理論估算確定其核心部件“環(huán)狀噴管”的外形及工作參數(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬及鐵粉循環(huán)碰撞試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)加工的超聲速靶式氣流磨進(jìn)行了方案驗(yàn)證。

1 典型氣流磨中的流動(dòng)特征

在氣流磨中，顆粒被高速氣流裹挾，得到極高的動(dòng)能，并通過(guò)高速碰撞實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，因此，提高顆粒動(dòng)能、實(shí)現(xiàn)高速碰撞是氣流磨的設(shè)計(jì)核心。提高顆粒動(dòng)能，最直接的方法是提高氣流速度，即以超聲速氣流攜帶顆粒；實(shí)現(xiàn)高速碰撞，則需使顆粒充分加速并維持碰撞速度，并避免激波等減速因素。

工業(yè)領(lǐng)域的氣流磨主要有旋流式、流化床式和靶式3大類(lèi)[3]。大量的數(shù)值研究[8-10]表明：在旋流式、流化床式氣流磨的旋流流場(chǎng)中難以獲得超聲速氣流；而在靶式氣流磨中，即使使用了Laval噴管，由于碰撞室中存在復(fù)雜的激波結(jié)構(gòu)，超聲速氣流難以維持，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)超聲速碰撞。

Dogbe等[12]的研究表明：顆粒的碰撞動(dòng)能和體積濃度是氣流磨氣動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于顆粒從壁面進(jìn)入并分散于高速氣流中，顆粒體積濃度較低，運(yùn)動(dòng)軌跡高度分散，其碰撞概率難以預(yù)測(cè)[11]。為提高顆粒碰撞概率，通常需增加顆粒在碰撞室中的滯留時(shí)間，這樣就只能采用一種旋流流場(chǎng)，導(dǎo)致氣流速度降低，使整個(gè)設(shè)計(jì)陷入兩難境地。

2 超聲速靶式氣流磨的理論設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

通過(guò)上節(jié)分析可知，氣流磨設(shè)計(jì)有3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何得到一個(gè)超聲速流場(chǎng)；如何維持顆粒動(dòng)能；如何提高碰撞概率?；诖耍疚奶岢隽艘环N中心引射式環(huán)狀超聲速靶式氣流磨方案。如圖1所示，該氣流磨由中心加料管、環(huán)狀收縮擴(kuò)張噴管、加速段、碰撞室和靶頭5個(gè)部分組成。其工作原理為：

自氣源入口g引入高壓氣流，經(jīng)環(huán)狀收縮擴(kuò)張噴管b加速至超聲速狀態(tài)，在引射截面h處達(dá)到壓力最小值，從而在加料管a中形成順流向的壓降。該壓降將自加料管入口f吸入的顆粒輸送到下游的引射截面h，在該截面形成外圈的超聲速氣流對(duì)管道中心的亞聲速氣流的引射。攜帶顆粒的亞聲速氣流在加速段c中持續(xù)加速，使顆粒達(dá)到超聲速并獲得極高的動(dòng)能。由于在加速段中徑向速度較小，顆粒在管道中心維持顆粒束狀態(tài)i并進(jìn)入錐狀碰撞室d，以極高動(dòng)能準(zhǔn)確碰撞于靶頭,實(shí)現(xiàn)粉碎。在出口j對(duì)粉碎產(chǎn)物進(jìn)行回收、分級(jí)，并將大顆粒再次輸送至加料管入口f作循環(huán)粉碎。

圖1 環(huán)狀超聲速靶式氣流磨示意圖

2.2 參數(shù)計(jì)算

環(huán)狀收縮擴(kuò)張噴管和中心加料管是整個(gè)氣流磨的核心氣動(dòng)部件，需作深入計(jì)算分析。假定環(huán)狀收縮擴(kuò)張噴管中的流動(dòng)滿(mǎn)足變截面等熵流假設(shè)、加料管中的流動(dòng)為一維絕熱摩擦管流,在給定來(lái)流總溫和總壓、噴管工作馬赫數(shù)以及環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)噴管和加料管中的流動(dòng)進(jìn)行理論估算：

(1) 環(huán)狀收縮擴(kuò)張噴管中的變截面等熵流

(1)

(2)

式中，A、Athr分別為環(huán)狀噴管出口截面積、環(huán)狀喉道截面積；Ma為設(shè)計(jì)馬赫數(shù)；γ為空氣比熱比(取γ=1.4)；p0、T0為上游高壓氣源的總壓、總溫，p、T為噴管出口的靜壓、靜溫。

(2) 加料管中的絕熱摩擦管流

(3)

(4)

(5)

式中，χ為壁面平均摩擦系數(shù)，可以由Moody圖進(jìn)行估算[13]；L和Φ為幾何長(zhǎng)度和直徑，在式(3)中表示加料管長(zhǎng)度和直徑；下標(biāo)“in”和“ex”分別為各個(gè)部件對(duì)應(yīng)的上游入口和下游出口處的參數(shù)，這里假定引射截面(h截面)處壓力均勻。

表1 超聲速氣流磨的參數(shù)Table 1 The parameters of supersonic jet mill

3 氣固兩相流的數(shù)值模擬

氣流磨是一個(gè)復(fù)雜的循環(huán)系統(tǒng)(本文設(shè)計(jì)的中心引射式環(huán)狀超聲速靶式氣流磨是其核心部件，此外還包括高壓氣源、顆粒分級(jí)器、顆粒回收系統(tǒng)、下游引風(fēng)機(jī)以及氣力輸運(yùn)管路等，在第4節(jié)具體闡述)，對(duì)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬極其困難，需要對(duì)顆粒循環(huán)研磨過(guò)程(顆粒分級(jí)器攔截的大尺度顆粒會(huì)被氣力輸運(yùn)至加料管，再次進(jìn)入氣流磨循環(huán)研磨)進(jìn)行簡(jiǎn)化。假定相同粒徑的顆粒每次循環(huán)過(guò)程都保持一致，并假定顆粒為球形，因此，僅需模擬不同粒徑的顆粒在氣流磨中的一次加速與碰撞過(guò)程。

3.1 數(shù)值方法

氣流磨涉及的流動(dòng)屬于典型的氣固兩相流，且固相體積濃度小于5%，因此，采用多相流中的離散相(Discrete phase model, DPM)模型對(duì)顆粒與氣體的相互作用進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)評(píng)價(jià)氣流磨的碰撞研磨效果。DPM模型是一種典型的模擬體積濃度小于10%的多相流模型，以歐拉觀點(diǎn)的Navier-Stokes方程描述流體相，以拉格朗日觀點(diǎn)的牛頓定律描述顆粒相，兩項(xiàng)之間以曳力模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)量交換。

氣相控制方程為雷諾平均的可壓縮Navier-Stokes方程，并采用k-ε湍流模型來(lái)考慮湍流對(duì)多相流的影響:

+ρg+∑Fgp

(6)

式中，ρ、p、h、u分別為氣相的密度、壓力、總焓和速度，g、μ、μT分別為重力加速度矢量、粘性系數(shù)和渦粘系數(shù)，F(xiàn)gp為顆粒相與氣相的相互作用力，σh為湍流模式對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)(σh=0.9)，t為時(shí)間。

顆粒相控制方程為拉格朗日觀點(diǎn)下的牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，即：

(7)

方程離散采用基于密度求解器的有限體積法，時(shí)間上采用隱式格式求解。考慮到氣流磨的對(duì)稱(chēng)性，數(shù)值模擬采用軸對(duì)稱(chēng)定常模型?？紤]徑向和流向上的流動(dòng)，忽略周向流動(dòng)，因此僅需求解氣流磨對(duì)稱(chēng)面上的流動(dòng)方程。整個(gè)計(jì)算域按照理論計(jì)算結(jié)果(表1)并采用四邊形進(jìn)行離散，網(wǎng)格量為34 130，大多數(shù)網(wǎng)格集中于壁面剪切區(qū)和中心引射區(qū)。氣流磨加料口和高壓氣源入口均采用壓力入口條件，碰撞室出口采用壓力出口條件，所有壁面均假定為無(wú)滑移壁面。相關(guān)氣相流動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。

假定參與循環(huán)碰撞的顆粒為不同粒徑(1、5、10、15、20和25 μm)的球形顆粒(模擬鐵粉顆粒，ρp=7800 kg/m3)。每次模擬同一粒徑的1000個(gè)球形顆粒從加料口以40 m/s的初速度均勻注入流場(chǎng)，采用DPM模型跟蹤計(jì)算其速度和軌跡，并評(píng)價(jià)其碰撞動(dòng)能和碰撞概率。

3.2 模擬結(jié)果

3.2.1 基本流場(chǎng)

圖2給出了無(wú)顆粒注入時(shí)的基本流場(chǎng)。圖2(a)為噴管附近的流場(chǎng)，可見(jiàn)在噴管出口處就已獲得環(huán)狀超聲速氣流，引射截面外環(huán)的超聲速氣流對(duì)中心氣流有明顯引射作用，加料管內(nèi)的氣流速度已接近聲速；圖2(c)為加速段內(nèi)的流場(chǎng)，可見(jiàn)引射中心氣流被逐步加速至超聲速；圖2(b)為碰撞室內(nèi)的流場(chǎng)，可見(jiàn)在加速段出口處速度剖面比較均勻，速度達(dá)到530 m/s，超聲速氣流在靶頭上形成弓形激波結(jié)構(gòu)。圖2表明在整個(gè)裝置中建立了超聲速流場(chǎng)。

圖2 裝置中速度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.2 顆粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

圖3和4為不同粒徑顆粒的兩相流模擬結(jié)果。圖3給出了粒徑分別為1、5、10、15、20和25 μm的顆粒沿軸向的加速過(guò)程。粒徑為1 μm的顆粒與氣 流完全跟隨，而粒徑較大的顆粒則對(duì)流場(chǎng)速度變化有時(shí)間遲豫，但總體而言，顆粒在加速段中都得到了足夠加速(速度約為440～530 m/s)并獲得充分的動(dòng)能。靶頭前的弓形激波會(huì)使氣流突然減速，導(dǎo)致跟隨性較好的小顆粒減速，而大顆粒則因慣性可以輕松穿透激波并碰撞靶頭，如圖3中的放大圖所示。圖4給出了粒徑為1和25 μm的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡匯聚于流道中心，形成一股超聲速顆粒束，在碰撞室中與靶頭的碰撞概率很高。第一次碰撞都為超聲速碰撞(速度約為500 m/s)，部分顆粒還會(huì)發(fā)生第二次、第三次碰撞。

圖3 不同粒徑的顆粒的軸向速度在中軸線(xiàn)上的加速過(guò)程

Fig.3 The accelerating process of the streamwise velocity of particles with different diameters along the axis

圖4 采用DPM兩相流模擬的不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡

Fig.4 The motion trajectories of particles with different diameters numerically simulated by the discrete phases model

4 顆粒碰撞的試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 氣流磨的組成和操作

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案、評(píng)估顆粒粉碎效果，制造了如圖5所示的氣流磨。除圖1所示的氣流磨核心部件外，還配置了高壓氣源、顆粒分級(jí)器、顆粒回收系統(tǒng)、下游引風(fēng)機(jī)以及氣力輸運(yùn)管路等(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1)。其工作過(guò)程為：從漏斗加入物料，先后打開(kāi)引風(fēng)機(jī)和高壓氣源，此時(shí)超聲速流場(chǎng)就會(huì)在加速段和碰撞室中建立，將顆粒引射進(jìn)入流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)超聲速碰撞。粉碎產(chǎn)物經(jīng)分級(jí)器分離后，大顆粒再次進(jìn)行循環(huán)粉碎，而小顆粒則被回收。

圖5 超聲速氣流磨

4.2 顆粒碰撞和粉碎試驗(yàn)

在不含顆粒的超聲速流場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)中，以中軸線(xiàn)上的超聲速皮托管直接測(cè)量當(dāng)?shù)氐牟ê罂傡o壓，并按照激波公式換算流場(chǎng)馬赫數(shù)，來(lái)流總溫由高壓氣源參數(shù)給出。表2為不同來(lái)流總壓下的測(cè)量結(jié)果。在試驗(yàn)給定總壓范圍內(nèi)流場(chǎng)都是超聲速流場(chǎng)，而在設(shè)計(jì)工況p0=1.5 MPa下，碰撞室入口的馬赫數(shù)已經(jīng)達(dá)到2.77。

表2 超聲速氣流磨流場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The validation test of the jet mill supersonic field

為研究顆粒的碰撞能量，在氣流磨中開(kāi)展了鐵粉碰撞粉碎試驗(yàn)。分別采用了圓柱型和圓盤(pán)型靶頭，靶頭和顆粒都采用相同的鐵材料(高鉻鋼GCr5)。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，加入200 g平均粒徑為60 μm的鐵粉顆粒，進(jìn)行90 min氣流粉碎試驗(yàn)。圖6對(duì)比了試驗(yàn)前后的靶頭形狀，兩種靶頭的中心都被侵蝕出一個(gè)凹坑，表明顆粒在實(shí)驗(yàn)中獲得了足夠動(dòng)能，聚集于流道中心并與靶頭實(shí)現(xiàn)了聚焦式碰撞。

圖6 鐵粉粉碎試驗(yàn)中靶頭的侵蝕效果

Fig.6 The targets’ erosion photographs of the iron particle size-reduction tests

為進(jìn)一步驗(yàn)證研磨效果，在電鏡下仔細(xì)觀察了粉碎前后的鐵粉顆粒微觀形貌，并對(duì)顆粒進(jìn)行了粒徑分析。由圖7(a)顆粒微觀形貌電鏡照片對(duì)比可以看出，細(xì)化后的顆粒表面不再光滑，其晶格被顯著破壞，從而使表面化學(xué)性能得到有效改善。圖7(b)為粉碎前后鐵粉顆粒的粒徑分布，經(jīng)過(guò)超聲速碰撞，鐵粉顆粒明顯細(xì)化(統(tǒng)計(jì)粒徑見(jiàn)表3)，d50自64.3 μm降低至7.8 μm。從鐵粉的微觀形貌和粒徑分析可以推斷：鐵粉在碰撞時(shí)具有很大的動(dòng)能，這也證實(shí)了鐵粉顆粒從超聲速氣流中獲得了很大的動(dòng)能。

表3 鐵粉的統(tǒng)計(jì)粒徑Table 3 The statistic radius of iron particles size distributions

圖7 鐵粉顆粒碰撞試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

基于對(duì)傳統(tǒng)氣流磨流動(dòng)特征的研究，設(shè)計(jì)制造了一種新型超聲速靶式氣流磨。在新型氣流磨中，采用環(huán)狀超聲速流動(dòng)引射加速顆粒流，使顆粒最終達(dá)到超聲速狀態(tài)并獲得極大動(dòng)能，聚集于流動(dòng)中心形成顆粒束，從而極大提升顆粒與靶頭的碰撞概率。數(shù)值模擬結(jié)果表明：顆粒能夠精準(zhǔn)碰撞流場(chǎng)中心的靶頭，實(shí)現(xiàn)超聲速碰撞，碰撞速度可達(dá)500 m/s。鐵粉顆粒的碰撞粉碎試驗(yàn)表明：在碰撞過(guò)程中，顆粒巨大的動(dòng)能對(duì)靶頭產(chǎn)生了顯著的侵蝕效果。這說(shuō)明新型氣流磨可以使顆粒獲得極大動(dòng)能以及很高的碰撞效率。