摘要：本文針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中常見(jiàn)的四種動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)，基于動(dòng)力相似原理，設(shè)計(jì)了四種不同的動(dòng)葉片工藝配置方案，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，縮寫(xiě)CFD）的滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值研究了TRM56.4輥磨選粉機(jī)流場(chǎng)，得到了常見(jiàn)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)的阻力特性，為高效低阻選粉機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：選粉機(jī) 立磨 粉體 CFD 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TQ172.6+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（c）-0020-03

近年來(lái)，隨著我國(guó)水泥工業(yè)生產(chǎn)無(wú)球化技術(shù)的推廣應(yīng)用，立式輥磨在水泥生料粉磨、水泥熟料粉磨都得了廣泛的應(yīng)用。選粉機(jī)是立式輥磨的一核心部件，其性能好壞直接決了產(chǎn)品的質(zhì)量、系統(tǒng)產(chǎn)量及系統(tǒng)粉磨電耗，因此，為降低系統(tǒng)粉磨電耗，提高成品質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外均對(duì)選粉機(jī)開(kāi)展了深入的理論研究[1-6]，但對(duì)不同動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)性能的研究還未見(jiàn)到過(guò)報(bào)道，此外選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的處理上均采用多重參照系MRF方法，MRF方法實(shí)質(zhì)上是固定轉(zhuǎn)子，氣流按設(shè)定的轉(zhuǎn)速繞轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉片流動(dòng)的方法，從理論上違背了選粉區(qū)內(nèi)氣流由于轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)而被動(dòng)流動(dòng)的實(shí)際物理過(guò)程，據(jù)此本文采用了滑移動(dòng)網(wǎng)格方法處理選粉機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程。

1 幾何物理模型模型

本文結(jié)合TRM56.4立磨選粉機(jī)為研究對(duì)象，以降低選粉機(jī)阻力為結(jié)構(gòu)優(yōu)化目的，采用三維建模軟件構(gòu)建選粉機(jī)流體域?qū)嶓w幾何模型，為采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，以選粉機(jī)動(dòng)-靜葉片1/2間隙柱面位置及轉(zhuǎn)子上、下面端面位置對(duì)選粉機(jī)幾何模型進(jìn)行分割（圖1），將生成的三維幾何模型導(dǎo)出parasolid格式文件（*.x_t），并導(dǎo)入網(wǎng)格生成軟件Gambit2.4.6，采用網(wǎng)格加密和網(wǎng)格過(guò)渡技術(shù)，生成圖1所示的計(jì)算網(wǎng)格。為研究幾種常見(jiàn)動(dòng)葉片的阻力特性，對(duì)“TRM”、“LV”、“Leosche”及“L”型動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)基于動(dòng)力相似（相同的動(dòng)葉片靜態(tài)間隙風(fēng)速）工藝計(jì)算結(jié)果（表1）分別進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分和流場(chǎng)計(jì)算，動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)形式及尺寸見(jiàn)圖2。

2 計(jì)算邊界條件略。

3 數(shù)值求解

本文采用CFD商用軟件Fluent6.3非定常求解器，湍流模型采用RNG [7]湍流模型，速度-壓力耦合方程采用PISO算法[8]求解，差分格式除壓力采用PRESTO！格式外，其余均采用Third-Order MUSCL格式，滑移動(dòng)網(wǎng)格求解設(shè)置如下：

1）定義轉(zhuǎn)子流體域?yàn)閞otor，類型為Fluid，將rotor內(nèi)轉(zhuǎn)子葉片、筋板、轉(zhuǎn)子軸等所有隨轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)的幾何結(jié)構(gòu)面統(tǒng)一定義為固壁rotor-wall，類型為WALL；

2）定義圖1所示滑移網(wǎng)格界面為INTERFACE類型邊界，輸出各流體域網(wǎng)格，并逐個(gè)導(dǎo)入CFD求解器，然后分別將Slide1-1與Slide1-2、Slide2-1與Slide2-2、Slide3-1與Slide3-2定義Slide1、Slide2、Slide3三個(gè)滑移網(wǎng)格副；其次，將轉(zhuǎn)子流體域rotor設(shè)置為動(dòng)網(wǎng)格（Moving mesh），設(shè)置自轉(zhuǎn)revolving運(yùn)動(dòng)類型，并根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向按右手定則定義轉(zhuǎn)軸矢量坐標(biāo)，依據(jù)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)或工作轉(zhuǎn)速度計(jì)算并設(shè)置rotor轉(zhuǎn)速α（rad/s）。

3）將轉(zhuǎn)子rotor-wall壁面設(shè)置為跟隨相鄰網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度值設(shè)置為0m/s，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子葉片及內(nèi)部筋板、轉(zhuǎn)軸按照流體域rotor 設(shè)定的轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)動(dòng)

4）按表2所示的選粉機(jī)喂料量及喂料粒度分布定義DPM多相流模型，設(shè)置選粉機(jī)入口為顆粒相注入口，入口類型為面Surface，入射方向沿氣流方向。

5）求解器采用非定常求解器，并按照轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速α（rad/s）、單個(gè)轉(zhuǎn)子葉片掃過(guò)相鄰靜子葉片間隙所經(jīng)過(guò)的角度θ（rad），計(jì)算數(shù)值求解最大時(shí)間步長(zhǎng) 、 ：

其中 整數(shù)，視實(shí)際求解過(guò)程的穩(wěn)定性取值，n值越大求解越穩(wěn)定，但計(jì)算收斂速度越慢。

6）初始化求解程序，設(shè)置求解殘差及選粉機(jī)進(jìn)、出口壓力監(jiān)控曲線，開(kāi)始迭代計(jì)算，求解過(guò)程中視殘差曲線的穩(wěn)定性調(diào)整計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng) （ ），待選粉機(jī)進(jìn)、出口壓力監(jiān)控曲線水平或長(zhǎng)時(shí)間規(guī)律波動(dòng)、選粉機(jī)入口與成品出口和粗粉回料出口質(zhì)量流速平衡，即可視為求解收斂。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

圖2所示四種不同的動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)在57r/min、35r/min兩種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速工況下選粉機(jī)阻力計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

各方案采用相同結(jié)構(gòu)和數(shù)目的靜葉片，且動(dòng)葉片數(shù)目基于動(dòng)葉片間相同的靜態(tài)間隙風(fēng)速條件計(jì)算得到，在相同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、選粉機(jī)風(fēng)量和喂料量條件下，表1選粉機(jī)動(dòng)葉片配置方案具有動(dòng)力相似的條件，從而計(jì)算得到的選粉機(jī)阻力具有可比性，也即計(jì)算得到的各方案選粉機(jī)阻力主要是由于動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)不同造成的。據(jù)表3，在兩種不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速條件下，均以“LV”動(dòng)葉片方案具有最小的選粉機(jī)阻力；此外，在35r/min轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下，“LV”動(dòng)葉片同其它方案的阻力差最大613.4Pa，最小345.2Pa，在57r/min條件下，陰力差最大957.7Pa，最小424.8Pa，這說(shuō)明轉(zhuǎn)子速度越高，其低阻優(yōu)勢(shì)越明顯。

根據(jù)圖2所示選粉機(jī)動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)，“LV”動(dòng)葉片區(qū)別于其它動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)在于其外側(cè)擋板，該擋板能有效克服動(dòng)葉片間氣流的旋轉(zhuǎn)離心力阻礙來(lái)自靜葉片的氣流進(jìn)入動(dòng)葉片間隙（圖3）；如無(wú)該擋板，動(dòng)葉片間的旋轉(zhuǎn)氣流的離心力就在一定程度上阻礙靜葉片氣流進(jìn)入動(dòng)葉間隙（圖4），從而增加阻力。“Leosche”動(dòng)葉片雖有外側(cè)擋板，但由于該擋板同葉片直段存在42°的夾角，在隨其內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，該擋板會(huì)直接對(duì)來(lái)自靜葉片的氣流產(chǎn)生外推作用，此外，42°夾角相對(duì)于LV的垂直角，其平衡動(dòng)葉片間氣流離心作用的效果也造到削弱，這必然導(dǎo)致“Leosche”動(dòng)葉片方案阻力最高，且轉(zhuǎn)子速度越高，阻力越高。

“LV”動(dòng)葉片方案計(jì)算阻力低，這同工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐中“LV”選粉機(jī)相比“TRM”、“Leosche”、“L”型立磨選粉機(jī)阻力低的現(xiàn)象吻合，此說(shuō)明本文所采用的選粉機(jī)流場(chǎng)數(shù)值研究方法合理，能基本正確反映工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

1）采用滑移動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)成功解決了選粉機(jī)流場(chǎng)研究中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題，改善了目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的MRF方法處理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程研究的不足，提高了選粉機(jī)流場(chǎng)研究的精度。

2）“LV”動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)相對(duì)于“TRM”、“Leosche”、“L”型選粉機(jī)動(dòng)葉片方案具有最低的阻力性能，且低阻優(yōu)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子速度的增加而增加。

3）選粉機(jī)動(dòng)葉片在結(jié)構(gòu)上要避免其外端在回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的外推來(lái)自靜葉片氣流作用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文件

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