李娟， 張琰， 白俊武， 席娜

（中鈔油墨有限公司，上海201315）

0 引言

隨著技術(shù)提升，配料作為油墨生產(chǎn)的第一道工序，由于其自動化程度較低、投料不便、除塵效果不佳、控制系統(tǒng)可靠性不高等等問題，已然成為影響提高整個生產(chǎn)效率的瓶頸。為了解決這一問題，中鈔油墨有限公司決定新建一條自動配料生產(chǎn)線，本文旨在通過流體模擬軟件FLUENT，對新建配料生產(chǎn)線中除塵裝置進行流場模擬，對比不同粒徑粉料顆粒在除塵系統(tǒng)中的運動軌跡，驗證新除塵裝置設計的可行性。

1 數(shù)值模擬模型的選取

在流體力學中我們所用的數(shù)學模型是連續(xù)介質(zhì)。連續(xù)介質(zhì)是假設流體分子之間的距離（即流體分子運動的平均自由程）相對于流體力學問題中的任何宏觀物理尺度非常小，我們就可以選擇這樣的流體微團，在宏觀上足夠小，微觀上足夠大（包含足夠多的流體分子），因此所有（微積分中的）數(shù)學模型的過程都是有意義的［1］。

FLUENT軟件通過數(shù)值模擬，可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上基本物理量的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，可以據(jù)此算出其它相關(guān)物理量［2］。本論文采用FLUENT進行模擬計算，得出除塵裝置的速度分布、壓力分布及顆粒運行軌跡圖［3］。

本文所建立的除塵裝置的模型具有不規(guī)則的幾何邊界，其中的氣體流動狀態(tài)為湍流［4］。計算機技術(shù)的發(fā)展促進了湍流流動數(shù)值求解方法的進步，根據(jù)對湍流求解主要思想的不同大致可以分為直接數(shù)值模擬、雷諾時均模擬和大渦模擬。根據(jù)實驗研究以及實際工程的應用情況，雷諾時均方程中的雙方程k-ε模型是工程中適用性最強，也是最有實用價值的一類湍流模型。因此，本文所選定的計算模型為 k-ε 模型［5］。

標準k-ε模型需要求解湍動能k及其耗散率ε方程。湍動能輸運方程是通過精確的方程推導得到的，但耗散率方程是通過物理推理，數(shù)學上模擬相似原形方程得到的。該模型假設湍動為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。標準k-ε模型的湍動能k及其耗散率ε方程為如下形式［6］：

式中：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生，Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響。在FLUENT中作為默認值常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動能 k 與耗散率ε的湍流普朗特數(shù)分別為σk=1.0，σε=1.3。湍流黏性系數(shù)μi=ρCμε2/k。

2 除塵系統(tǒng)數(shù)值模擬研究

本論文研究的新型自動配料裝置中的除塵系統(tǒng)由除塵罩和接料桶兩部分組成。首先對除塵罩的空氣流場進行模擬，以了解除塵罩本身的特性。

2.1 除塵罩空氣流場模擬

1）除塵罩的模型建立。根據(jù)除塵罩的實際尺寸建立模型如圖1所示，對其進行網(wǎng)格劃分，整個網(wǎng)格數(shù)量為370 961個，如圖2所示。

2）設置除塵罩的邊界條件。實際的操作工況中物料從除塵罩上部的進料口進料，下部出料至料桶，右邊的管路是抽風裝置，對其中飛濺的灰塵進行回收。物料的進料方式采用螺旋推進器，因此物料的進料速度為螺旋推進器的加料速度（考慮重力影響），螺旋推進器的加料速度為0.109 m/s，螺旋推進器的出口到除塵罩的進料口有大約500 mm的垂直距離。根據(jù)能量守恒方程進行換算：

根據(jù)換算得出除塵罩進料口的加料速度為3.132 m/s。下部出料口和料桶中間有8 mm的空隙，因此，下部出料口和大氣連通。右邊的抽風裝置經(jīng)測定風速為27.1 m/s，根據(jù)伯努利方程

對其進行換算得出該風速下的壓力為450 Pa（表壓）。

設置模型的邊界條件如下：a.進口設置速度入口，速度為3.132 m/s；b.下出口設置壓力出口，因和大氣連通，設置表壓為0 Pa；c.右出口設置壓力出口，因右側(cè)為抽氣裝置，設置其為負壓，表壓為-450 Pa。

3）對模型進行求解并顯示結(jié)果。選擇k-ε模型進行求解，設定求解過程為定常、不可壓縮。對其進行迭代計算，殘差監(jiān)控曲線可收斂于10-5，各項指標均趨于穩(wěn)定，可知計算結(jié)果正確。

根據(jù)計算結(jié)果截取不同截面的空氣流場進行結(jié)果顯示，如圖3～圖6所示。建模的坐標原點位于除塵罩下邊緣圓盤的中心，分別截取 x=0、x=300、y=0、z=40處截面的速度矢量進行結(jié)果顯示。圖中不同的速度值用不同顏色表示。箭頭的方向代表氣體流動方向，箭頭長短代表速度的大小。

由圖3可知，x=0截面平行于負壓出口邊界并距離邊界面800 mm，又由于中間有擋料板的遮擋，x=0截面的速度值較小，氣體流動方向如圖3所示。x=300截面靠近吸風管路的進風口，從圖4可以看出此截面速度值有所增加，在靠近吸風管，截面的下部位置，速度增大，可達到5～6 m/s左右。y=0截面顯示了整個除塵罩垂直剖面的流場情況，在除塵罩內(nèi)部，速度矢量箭頭較短，速度值很小，在吸風管路中速度逐漸增大，在出口處達到最大26 m/s左右，如圖5所示。z=40截面是除塵罩下邊緣以上包括擋風板的橫向截面，由圖6可以看出，由于擋風板的原因，擋風板前端的氣體流速較小，在環(huán)形擋風板兩端靠近吸風口的地方，速度逐漸加大，在擋風板后部兩端氣流交匯的地方受到氣流影響，氣體流速有所降低。由整個氣體的流場可知，除塵罩下端的除塵風力較小。

2.2 除塵系統(tǒng)空氣流場模擬

1）除塵系統(tǒng)模型建立和邊界條件設置。由于實際使用過程中，除塵罩的下部有加料桶，其整個氣體流動狀態(tài)受到影響，因此要對整個除塵系統(tǒng)的流場分布進行重新計算。加入料桶后，建立模型如圖7所示，并對其進行網(wǎng)格劃分，總的網(wǎng)格數(shù)量為712 264個，劃分網(wǎng)格如圖8所示。邊界條件設置除過下邊界的壓力出口面更改為除塵罩和接料桶之間的環(huán)形曲面以外，其余邊界條件均和除塵罩的設置相同。

圖7 除塵系統(tǒng)模型

圖8 除塵系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

圖9 y=0截面的壓力云圖

2）對模型進行求解并顯示結(jié)果。求解模型選擇及所有邊界條件設置均和除塵罩相同，迭代計算收斂，根據(jù)計算結(jié)果對整個除塵系統(tǒng)的壓力分布進行顯示，選取y=0截面，如圖9，對應左邊的壓力色標，可知整個壓力分布在抽風管路上均為負壓，且逐漸遞減，在出口邊界處負壓達下，至料桶底部后氣體方向發(fā)生變化，反向向上流動，由于吸力作用，除塵罩中兩邊的氣體流動狀態(tài)較明顯。在離抽風口較近的地方x=300處截取平行截面進行顯示，由于此截面離開加料口，靠近抽風口，受下料速度影響較小，而受抽風負壓影響較大，桶內(nèi)部氣流向下的流速較小，上部的除塵罩中氣體流速加大，流動性明顯。y=0截面是整個系統(tǒng)的截面圖，速度矢量圖可以顯示整個加料過程中氣體的流動狀態(tài)，進料的氣流先到達底部，隨后會有回旋向上流動，加料的氣流會受右側(cè)抽風的影響，向右側(cè)偏移。同樣截取z=40即除塵罩內(nèi)部截面進行顯示，受到下料速度及下部桶體的影響，氣體流速會加大，除塵罩內(nèi)氣體流動明顯，在擋風板前段流速降低，擋風板后部和單獨模擬除塵罩時流場一致。最后分別對比z=0截面（除塵罩下邊緣）和z=-5截面（除塵罩和桶之間的空氣流場）進行顯示，可知在z=0截面比遠到最大-450 Pa，除塵罩和接料桶之間有一段和大氣連通，因此這兩部分的壓力接近大氣壓為正壓分布。

為了觀測氣流流場，分別選取 x=0、x=300、y=0、z=40、z=0、z=-5截面的速度矢量進行顯示，如圖10～圖15所示。

由圖10～圖15可知，加入接料桶以后，x=0即桶中心距離抽風口800 mm的平行截面，其流場發(fā)生了變化，由于受下料速度的影響，氣體以較大的速度從中心處先向離除塵罩的z=-5截面空氣流動速度較大，流動性明顯。

圖12 y=0截面流場速度矢量圖

圖10 x=0截面流場速度矢量圖

圖13 z=40截面流場速度矢量圖

圖11 x=300截面流場速度矢量圖

圖14 z=0截面流場速度矢量圖

圖15 z=-5截面流場速度矢量圖

3 物料顆粒運動軌跡仿真

實際生產(chǎn)中，進入除塵罩的為固體狀的物料，由于物料的顆粒度很細，一般在微米級，本文取其中一種X作為研究對象，可知X的顆粒粒徑為5μm，密度為1430kg/m3，將粉料顆粒加入到除塵系統(tǒng)的空氣模型中，給定從加料口進入的速度為3.132 m/s，最后的仿真結(jié)果如圖16、圖17所示。

圖16 顆粒運動軌跡正視圖

圖17 顆粒運動軌跡上視圖

圖中顯示的是顆粒在整個系統(tǒng)內(nèi)的運動軌跡，顏色代表其在內(nèi)部的停留時間，從圖中可以看出，一部分顆粒進入桶內(nèi)到達底部后會產(chǎn)生回流，向上反向運動，最終因為抽風管的負壓，返到上部的粉狀顆粒會被吸走。該軌跡圖是在假設所有顆粒均勻分布，下料過程中顆粒粒徑均為5 μm的情況下得出的，由軌跡圖可知，有大部分的顆粒會被吸走，在實際生產(chǎn)過程中，由于下料前物料會先進入儲料罐，后經(jīng)螺旋推進器輸送到加料口處，經(jīng)堆積、擠壓后大部分的顆粒會粘合在一起，形成較大粒徑的顆粒，本文也分別對100 μm和1 mm粒徑的顆粒運行軌跡進行了模擬，結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖18 100 μm顆粒運行軌跡

圖19 1 mm顆粒運行軌跡圖

由圖18和圖19可知，當粒徑達到100 μm級時，只有少數(shù)的顆粒會被吸收，大部分物料都留在料桶內(nèi)，顆粒直徑增大至1 mm級時，所有的物料都不會被吸收。實際生產(chǎn)過程中，物料的顆粒直徑可能會達到100 μm級以上，因此，該套除塵裝置在保證加料量的同時，能對飛濺到上桶邊的細小顆粒進行很好的回收。由于除塵罩下端面和料桶上端面之間的區(qū)間和大氣連通，這一部分的物料顆粒不能得到回收，就會飛落到空氣中，落到地面上，造成工作環(huán)境惡劣，通過選取不同大小的顆粒進行重復模擬試驗，最終得出，此套裝置可以對飛至上桶邊，小于30 μm級的物料顆粒進行很好的吸收。經(jīng)過以上結(jié)論，證明該套裝置除塵效果顯著。

4 結(jié)論

本文通過對除塵罩和除塵系統(tǒng)的流場進行仿真模擬，最終得出顆粒在其中的運動軌跡，觀測除塵裝置的除塵效果，得出以下結(jié)論：1）根據(jù)模擬結(jié)果可知，影響除塵效果的變量有加料速度、抽風的負壓和顆粒的大小。2）實際生產(chǎn)加料時，大部分顆粒由于擠壓會粘合在一起，形成較大粒徑的顆粒。根據(jù)模擬結(jié)果，可知該套裝置可以對一小部分粒徑為100 μm級的顆粒進行回收，而當粒徑達到1 mm級時，就不會被吸收。通過多次試驗，得出新的除塵系統(tǒng)可以對運動到料桶的上邊緣，且粒徑小于30 μm的所有顆粒進行很好的收集。

通過FLUENT的流場模擬，證明新的除塵裝置除塵效果更佳，結(jié)合實際生產(chǎn)，地面可見粉塵明顯減少?？赏ㄟ^改變操作參數(shù)，模擬出不同情況的除塵效果，并通過確定合理的操作參數(shù)，給出一個最佳操作工況。

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