■鄭啟凱 李永奎 白雪衛(wèi)

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110161）

農(nóng)業(yè)物料在壓縮過(guò)程中，會(huì)有部分粉塵混合在成型的物料當(dāng)中。將它們分離開來(lái)可以使用振動(dòng)篩和旋風(fēng)分離器，振動(dòng)篩容易把成型物料篩落，分離器把粉塵吸入并與空氣分離，最后把粉塵送入制粒機(jī)中壓縮成物料顆粒。因此，旋分分離器在物料分離中就顯得尤為重要。旋風(fēng)分離器是將由風(fēng)機(jī)輸送來(lái)的空氣和顆?；旌衔锓蛛x開來(lái)的裝置，氣固混合物在分離器內(nèi)飛速旋轉(zhuǎn)，固體顆粒因?yàn)殡x心力而向壁面運(yùn)動(dòng)，到達(dá)壁面附近后，受邊界層內(nèi)的較小湍流作用，沿著壁面螺旋滑入分離器底部，達(dá)到分離效果[1]。

近幾年來(lái)，隨著CFD（Computational Fluid Dynam?ics，計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)的迅速普及和發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多地利用CFD技術(shù)來(lái)解決一些流體力學(xué)問(wèn)題[2]。Boysan最早將CFD技術(shù)引入對(duì)旋風(fēng)分離器的研究之中[3]。現(xiàn)在大多報(bào)道中都是運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-5]。但是大部分都是對(duì)工業(yè)上用到的旋風(fēng)分離器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)農(nóng)業(yè)物料的分離所使用的分離器少有模擬分析和研究設(shè)計(jì)。本文采用正交設(shè)計(jì)方法安排模擬試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際情況確定重要參數(shù)的最優(yōu)組合，并用Soildworks中的flow-simulation模塊對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合的旋風(fēng)分離器模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，研究其速度和靜壓，向該流場(chǎng)中注入粒子對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，最后對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。SWFlow Simulation只研究氣體這一單相流體，顆粒作為注入其中的粒子進(jìn)行研究，這種研究方法參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單易于更改，便于對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)[6]。

依據(jù)傳統(tǒng)旋風(fēng)分離器的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)旋風(fēng)分離器進(jìn)行基本設(shè)計(jì)[7-9]（具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示），使用SolidWorks軟件對(duì)旋風(fēng)分離裝置進(jìn)行實(shí)體建模，并運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析對(duì)其重要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)尺寸

1 工況與參數(shù)

1.1 工作流程

物料以及少量粉塵從制粒機(jī)中出來(lái)，通過(guò)清選篩壓縮成型的顆粒被清選出來(lái)，粉塵被吸入旋風(fēng)分離器內(nèi)，并在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)下降，通過(guò)關(guān)風(fēng)機(jī)后被送到制粒機(jī)里重新壓縮，空氣從分離器上端排塵口排除經(jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入到布袋除塵器中。

圖2 秸稈顆粒分離流程

1.2 工作參數(shù)

粉塵主要是秸稈碎屑，其密度為0.3～0.4 g/cm3，粉塵量按制粒機(jī)產(chǎn)率的5%計(jì)算，查詢資料知這種制粒機(jī)的產(chǎn)率為600 kg/h,則粉塵量為30 kg/h。計(jì)算得到：引風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓為3 500 Pa；布袋除塵器壓力損失1 500 Pa；管道損失50 Pa。施加在分離器出風(fēng)口的實(shí)際壓力101 325 Pa-(3 500-1 500-50)=99 375 Pa，入口因?yàn)榕c外界大氣接觸壓力為一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2 旋風(fēng)分離器仿真分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 流場(chǎng)分析參數(shù)設(shè)置

SoildWorks Flow Simulation分析可分為內(nèi)部分析類型和外部分析類型，本文模型為內(nèi)部分析類型，該分析類型需要對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行封閉，可以用Flow Simulation模塊中的創(chuàng)建封口菜單，對(duì)其進(jìn)行封口，并設(shè)置封蓋厚度，然后通過(guò)檢查模型菜單檢測(cè)模型是否建立成功。因?yàn)樾L(fēng)分離器內(nèi)壁是光滑的而且整個(gè)分析過(guò)程都沒(méi)有熱量產(chǎn)生，所以壁面條件為絕熱壁面，粗糙度為0，該模擬分析設(shè)置為瞬態(tài)分析，分析總時(shí)長(zhǎng)為10 s。模型柱體上端面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，模型中心線與坐標(biāo)y軸重合，坐標(biāo)x軸與物料進(jìn)入的方向平行，重力設(shè)置為沿y軸向下，大小為9.81 m/s2，初始溫度和壓力設(shè)置為20.05℃和101 325 Pa。流體為空氣，流動(dòng)類型為層流和湍流。

2.2 數(shù)值模擬模型

選擇H1、H2和Hb作為設(shè)計(jì)參數(shù)，其他參數(shù)已給定具體值。除塵器工作深度Hb范圍是50～400 mm，排風(fēng)管深入高度H2范圍是100～650 mm，錐體高度H1范圍是600～1 000 mm。在每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi)選取具有代表性的三組做數(shù)值模擬分析。采用正交設(shè)計(jì)方法安排模擬試驗(yàn)，研究分離器工作高度、排氣管插入深度、錐體高度對(duì)流場(chǎng)風(fēng)速的影響，得出最優(yōu)的參數(shù)組合，參數(shù)按照表1設(shè)置。

2.3 平穩(wěn)流場(chǎng)分析結(jié)果

采用平穩(wěn)流場(chǎng)中最大速度做為評(píng)價(jià)指標(biāo)，流場(chǎng)中最大速度都是出現(xiàn)在排氣管下端口邊緣附近，此處速度越大越有利于粉塵和空氣的分離。模擬結(jié)果及分析如表2所示。

表1 數(shù)值模擬選用的參數(shù)

表2 模擬試驗(yàn)結(jié)果及直觀分析

對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出對(duì)流場(chǎng)中最大流速的影響由大到小為排氣管插入深度、錐體高度、分離器工作高度；最優(yōu)的一組結(jié)構(gòu)參數(shù)為排氣管插入深度600 mm、分離器工作高度為100 mm、錐體高度600 mm。但分離器在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)必須要保證排氣管下端口截面不大于下端口與分離器內(nèi)壁圍成的環(huán)形面積。而正交試驗(yàn)表明，排氣管插入深度越深越有利于分離，保證其他參數(shù)不變，排氣管最合適插入深度為460 mm。

以最終確定的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)為基準(zhǔn)，對(duì)該模型的流場(chǎng)中的靜壓和速度進(jìn)行分析，模型前視基準(zhǔn)面的靜壓和速度切面圖見(jiàn)圖3～圖4。

由圖3可以看出流場(chǎng)中排氣管下端口附近速度最大，排氣管中心速度小，四周速度大；由圖4看出，流場(chǎng)中越靠近分離器壁面靜壓越大，也是在排氣管下端口邊緣附近靜壓比較大。

2.4 粒子仿真分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

以上文確定的流場(chǎng)為基礎(chǔ)，注入粒子，研究粒子在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，分析粒子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)設(shè)計(jì)的分離器最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 流場(chǎng)速度云圖

圖4 流場(chǎng)靜壓云圖

2.4.1 粒子初始條件設(shè)置

粒子注入的初始點(diǎn)為入口內(nèi)表面，由工況參數(shù)可知，玉米秸稈粉粒密度為0.3～0.4 g/cm3，粒徑4e-5m，注入粒子的質(zhì)量流量為0.008 3 kg/。查閱相關(guān)資料得到粒子碰撞到壁面的反射條件，正常恢復(fù)系數(shù)為0.8，切向恢復(fù)系數(shù)為0.35。

2.4.2 粒子仿真結(jié)果與分析

粒子在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的仿真情形如圖5所示，從中可以看出粒子在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)下降，這與理論結(jié)果相一致，說(shuō)明該參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理，可以達(dá)到分離粉塵和空氣的目的。

圖5 粒子在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)示意圖

3 結(jié)論

SW-Flow Simulation與SolidWorks其他模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，因此利用該模塊對(duì)流場(chǎng)分析，可以實(shí)現(xiàn)快速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。SW-Flow Simula?tion提供的流場(chǎng)中粒子研究技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低濃度顆粒前提下，采用單相耦合算法，分析流場(chǎng)中粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀態(tài)的仿真分析提供了快捷手段。

針對(duì)秸稈致密成型系統(tǒng)的旋風(fēng)分離器實(shí)例，通過(guò)模擬分析，得到旋風(fēng)分離器，在最大直徑為400 mm情況下，分離器合適工作高度為100 mm，最佳錐體高度為600 mm，排氣管深入長(zhǎng)度為460 mm比較適合。