沉降室升降閥板的氣固兩相流場數(shù)值分析

徐建華，楊立山，陳 亮，陳 輝，丁桐桐

（中聯(lián)重科股份有限公司國家混凝土機(jī)械工程技術(shù)研究中心，湖南長沙410205）

近些年緊隨著國家環(huán)保戰(zhàn)略，采用機(jī)制砂替代江海河砂的趨勢愈來愈明顯，越來越多的機(jī)制砂成套系統(tǒng)設(shè)備涌現(xiàn)出來。其中，砂石骨料的級配參數(shù)是決定砂石品質(zhì)是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。為了滿足工程要求，實現(xiàn)環(huán)保清潔生產(chǎn)線，在制砂線中引進(jìn)了風(fēng)選沉降系統(tǒng)。其中，風(fēng)選沉降系統(tǒng)主要由風(fēng)選箱、沉降室、除塵室和除塵管道等組成。砂石骨料從前端進(jìn)入到風(fēng)選箱，在空氣負(fù)壓作用下將粒徑較小的砂石顆粒輸送到沉降室中，在沉降室中經(jīng)過選擇性沉降實現(xiàn)砂石骨料的級配調(diào)整，其升降閥板對沉降粒徑的調(diào)整起到關(guān)鍵性作用。

目前沉降室的研究有：三維定常流動慣性沉降顆粒分離［1］；采用重力沉降原理在復(fù)雜漿泵中消除固體顆粒雜質(zhì)［2］；氣固兩相流分析噴丸效果和道路清掃車降塵效果［3-5］。以上計算分別采用了重力沉降和慣性沉降的方法對顆粒進(jìn)行了研究，但未綜合考慮應(yīng)用慣性沉降和重力沉降的方法進(jìn)行研究。本文以計算流體力學(xué)作為基礎(chǔ)，重點研究在慣性和重力雙重沉降效果下，升降閥板的長度對沉降室氣相流場、砂石顆粒的運動軌跡、顆粒沉降效率和系統(tǒng)阻力的影響。

1 仿真模型

在機(jī)制砂風(fēng)選沉降系統(tǒng)中通過氣流帶動顆粒運動，屬于在定常、恒溫、不可壓縮氣體下的流固雙向耦合環(huán)境。在目前流固耦合計算中有3種方法：Euler-Euler方法將流體和固體皆視為連續(xù)相考慮；Lagrange-Lagrange方法將流體和固體都用離散相進(jìn)行分析；Euler-Lagrange方法將流體作為連續(xù)相，固體顆粒作為離散相分析，更加切合實際工況的要求。因此，需要分別采用氣相和固相模型進(jìn)行計算［6］。

1.1 氣相湍流模型

為了能更加準(zhǔn)確地擬合砂石顆粒在系統(tǒng)中的運動軌跡，氣相流場采用湍流模型，Realizablek-ε模型采用新的湍流黏度公式，ε方程從渦量擾動量均方根的精確運輸方程推導(dǎo)出來，可以精確地模擬砂石顆粒的射流擴(kuò)散問題，在旋轉(zhuǎn)流計算、帶方向壓強(qiáng)梯度的邊界層計算和分離流計算問題中更加符合真實工況［7-9］。

Realizablek-ε模型關(guān)于湍流動能k和湍流耗散率ε的輸送方程如下：

式中：ui為平均速度分量；xi、xj為坐標(biāo)變量；ρ為流體密度；ν為運動黏度；E為時均應(yīng)變率；σk=1.0；σε=為由平均速度梯度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項，

式中：μt為湍流黏度，表達(dá)式為

1.2 顆粒運動軌跡模型

砂石顆粒占整個流場的體積分?jǐn)?shù)小于1%，使用基于Euler-Lagrange方法的離散相模型（DMP）計算最為合適。在笛卡爾坐標(biāo)系下，單個顆粒的運動軌跡由自身的重力、流體對顆粒的黏性曳力、動壓托力決定，顆粒的作用力平衡方程為

式中：FD為流體對顆粒的黏性曳力；Fg為顆粒重力；Fs為流體對顆粒的動壓托力；mp為顆粒質(zhì)量；up為顆粒速度。

1.3 風(fēng)選沉降系統(tǒng)模型和網(wǎng)格劃分

本文采用Pro-E 5.0建立風(fēng)選沉降系統(tǒng)物理模型，其中，風(fēng)選箱由砂石物料入口、物料出口、上進(jìn)風(fēng)口、左進(jìn)風(fēng)口和多級揚料板等組成，沉降室由砂石顆粒進(jìn)風(fēng)管、升降閥板、右轉(zhuǎn)動閥板、出風(fēng)口、固定閥板、沉降口、補(bǔ)風(fēng)口等組成，然后通過管道將兩者連接，沉降室結(jié)構(gòu)如圖1所示。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在邊界條件、結(jié)構(gòu)細(xì)微處、流場計算量大處進(jìn)行多層加密處理，共有4 000 000個網(wǎng)格單元，滿足計算要求，風(fēng)選沉降系統(tǒng)網(wǎng)格化模型如圖2所示。

圖1 沉降室Fig.1 Settlement chamber

圖2 沉降系統(tǒng)網(wǎng)格模型Fig.2 Sedimentation system mesh model

氣相流場邊界條件設(shè)置如下：風(fēng)選箱物料入口、上進(jìn)風(fēng)口、左進(jìn)風(fēng)口、物料出口邊界條件都采用壓力進(jìn)口，壓力大小為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；沉降室出風(fēng)口采用速度入口邊界條件，根據(jù)出口管道直徑為850 mm，風(fēng)機(jī)風(fēng)量60 000 m3/h，得到出口速度大小為-21.2 m/s；沉降室沉降口和其他區(qū)域采用壁面邊界條件，壁面的法向和切向動量傳遞系數(shù)分別為0.90和0.85。

顆粒相邊界條件設(shè)置如下：顆粒材質(zhì)定為花崗巖，密度為2 800 kg/m3；為了防止顆粒與氣流發(fā)生速度分離，顆粒的入口速度與氣流速度相等為5 m/s；從風(fēng)選箱入口噴射5組Rosin-Rammler分布的顆粒源，不同粒徑顆粒進(jìn)料級配如表1所示。設(shè)定計算時間步長為5×10-5s，每個時間步迭代步數(shù)為50，先計算氣相流場，待氣相流場穩(wěn)定后再進(jìn)行氣固兩相流和流固耦合計算。

表1 風(fēng)選箱進(jìn)料級配Tab.1 Classifier feeding gradation

2 仿真結(jié)果與分析

采用相同的物理模型、邊界條件和求解方法，設(shè)定升降閥板的長度L分別為400、600、800、1 000 mm，研究升降閥板長度對沉降室速度壓力場、顆粒運動軌跡、沉降性能和設(shè)備阻力的影響，以及氣相壓力對沉降室的作用效果。

2.1 升降閥板對速度場和壓力場的影響

圖3 為在相同的計算條件下，不同升降閥板長度時沉降室氣相流場的速度云圖。通過對比可以看出：當(dāng)L=400 mm時，氣流在沉降室進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處的速度大小基本相同，且在出風(fēng)口管道內(nèi)速度大小呈均勻分布，并未發(fā)生減小，對升降閥板與右轉(zhuǎn)動閥板的磨損較小；當(dāng)L=600 mm時，氣流隨著升降閥板的增長向下流動，在出風(fēng)管的底部位置流速明顯降低，同時在出風(fēng)管的中心位置速度增大，有助于顆粒在此處與氣流產(chǎn)生速度分離，產(chǎn)生沉降；當(dāng)L=800 mm時，在灰斗固定閥板位置速度明顯增大，部分顆粒在此處將會被二次吹起，部分小粒徑顆粒被選出；當(dāng)L=1 000 mm時，升降閥板左右兩側(cè)區(qū)域速度明顯減小，在固定閥板兩側(cè)形成了兩股氣流，兩股氣流先在右轉(zhuǎn)動閥板發(fā)生擠壓碰撞，然后在升降閥板處與右轉(zhuǎn)動閥板間形成了狹長的高速氣流帶，氣流強(qiáng)度明顯增大，沉降室的阻力也同時增大。

圖4 為在相同的計算條件下，不同升降閥板長度下沉降室氣相流場的壓力云圖?？梢钥闯?，隨著升降閥板長度的增加，氣流通過升降閥板與右轉(zhuǎn)動閥板間的流通面積將會逐漸減小，在沉降室出風(fēng)管處的壓阻逐漸增大。其中，當(dāng)L=400 mm時，整個沉降室內(nèi)的壓阻基本相同，約為800 Pa；當(dāng)L=600 mm時出風(fēng)管的壓阻顯著增大，達(dá)到1 800 Pa，壓力發(fā)生質(zhì)的變化，顆粒的運動軌跡將隨著壓力的增大發(fā)生改變，從氣流中脫離出來。

2.2 升降閥板對顆粒運動軌跡的影響

圖5 為在相同的計算條件下，不同升降閥板長度下粒徑45～75μm顆粒運動軌跡。通過對比可以看出：當(dāng)L=400 mm時，顆粒未在沉降室發(fā)生沉降，直接從出風(fēng)管逃逸而出；當(dāng)L=600 mm時，部分顆粒與固定閥板發(fā)生彈性碰撞后發(fā)生沉降，但是在灰斗左側(cè)存在高速渦流區(qū)，不利于顆粒向出風(fēng)口提升，部分顆粒將再次沉降，沉降能力增大；當(dāng)L=800 mm時，在升降閥板導(dǎo)流作用下顆粒運動角度增大，大量顆粒在灰斗與固定閥板之間來回碰撞后沉降；L=1 000 mm時，大量顆粒沿著固定閥板向下運動，運動至固定閥板末端時部分顆粒被氣流二次吹起，從固定閥板右側(cè)經(jīng)右轉(zhuǎn)動閥板從出風(fēng)管逃逸而出。

2.3 升降閥板對沉降室沉降性能的影響

為了更加精確地研究沉降室沉降效果，根據(jù)風(fēng)選箱進(jìn)料級配，從風(fēng)選箱進(jìn)料口噴射5組Rosin-Rammler分布的顆粒源，每組噴射7 080個顆粒，然后統(tǒng)計顆粒數(shù)目。表2和表3分別為沉降室沉降口、出風(fēng)口顆粒分布。圖6和圖7分別為相應(yīng)的沉降室沉降效率和選粉效率變化曲線。

從圖中可以看出，當(dāng)L=600 mm，800 mm，1 000 mm時，顆粒沉降效率大，L=400 mm時，沉降能力較弱。隨著顆粒粒徑的增大，沉降效率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中，當(dāng)L=600 mm、顆粒粒徑為75～150μm時，沉降效率最大為68.23%；但是隨著顆粒粒徑的增大，出風(fēng)口處的顆粒數(shù)目逐漸減少，這就意味著在顆?？倲?shù)目一定的條件下，在風(fēng)選箱物料出口被收集的顆粒數(shù)目逐漸增多，這是因為升降閥板長度增大時，沉降室設(shè)備的阻力將會增大，從而導(dǎo)致風(fēng)選箱對顆粒的吸附能力減弱。

圖4 不同升降閥板長度下沉降系統(tǒng)的壓力云圖Fig.4 The pressure cloud map under different lifting valve plate lengths

圖5 不同升降閥板長度下粒徑45～75μm顆粒運動軌跡Fig.5 The moving locus of the 45～75μm size particle under different lifting valve plate lengths

表2 沉降室沉降口顆粒分布Tab.2 The inlet particle distribution of the settlement chamber

表3 沉降室出風(fēng)口顆粒分布Tab.3 The air outlet particle distribution of the settlement chamber

圖6 不同升降閥板長度下沉降室沉降效率Fig.6 Sedimentation efficiency under different lifting valve plate lengths

2.4 升降閥板對沉降室設(shè)備阻力的影響

圖8 為不同升降閥板長度下沉降系統(tǒng)阻力的變化曲線。由圖可見，隨著升降閥板長度的增加，升降閥板與右轉(zhuǎn)動閥板間的過流面積減小，沉降室、風(fēng)管的阻力都明顯增大。

2.5 氣流對升降閥板的影響

圖7 不同升降閥板長度下沉降室選粉效率Fig.7 Separating efficiency under different lifting valve plate lengths

圖8 不同升降閥板長度下沉降系統(tǒng)阻力Fig.8 Resistance of settlement system under different lifting valve plate lengths

當(dāng)升降閥板的長度為1 000 mm時，采用流固耦合的方法計算氣流對升降閥板的作用效果。圖9和圖10分別為計算得到的沉降室應(yīng)力、應(yīng)變云圖。由圖可見：升降閥板與壁面連接處的應(yīng)力最大，達(dá)到19.13 MPa；升降閥板下端處的應(yīng)力在未連接區(qū)域最大，達(dá)到7.19 MPa，皆滿足沉降室使用的強(qiáng)度要求。在升降閥板的下端和沉降室前后側(cè)板的應(yīng)變最大，達(dá)到0.73 mm，滿足沉降室的剛度要求。

圖9 沉降室應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud of the settlement chamber

圖10 沉降室應(yīng)變云圖Fig.10 Strain cloud of the settlement chamber

3 結(jié)論

本文采用Realizablek-ε湍流模型和Euler-Lagrange離散相模型，研究了升降閥板長度對沉降室的影響，進(jìn)行了氣固兩相流場和流固耦合數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)沉降室升降閥板的長度對砂石顆粒的氣力分級具有顯著的影響，具體結(jié)論如下：

（1）隨著升降閥板長度L的增加，沉降室內(nèi)氣流速度大小發(fā)生分級，氣流方向在升降閥板位置發(fā)生重大改變，使砂石顆粒從氣流中分離出來，發(fā)生沉降；同時壓阻增大，在升降閥板左右兩側(cè)產(chǎn)生明顯的壓力分界線。

（2）在升降閥板長度L=600 mm時，沉降效率最高，粒徑75～150μm顆粒沉降效率為68.23%，選粉率最低，最符合砂石級配和實際工況要求。

（3）升降閥板和沉降室的最大應(yīng)力為19.13 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.73 mm，滿足設(shè)備使用的強(qiáng)度和剛度要求。