劉飛飛，曾燕兵，高堂盼，古帥奇，劉龍細(xì)

（1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

APT無動(dòng)力布料器的設(shè)計(jì)與仿真分析

劉飛飛1，曾燕兵2，高堂盼2，古帥奇2，劉龍細(xì)2

（1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

介紹了目前我國APT人工布料過程的基本現(xiàn)狀，針對人工布料勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且影響工作人員健康等問題，通過對APT無動(dòng)力布料器數(shù)學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)分析，研究設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)無動(dòng)力自動(dòng)均勻布料的裝置。運(yùn)用FLUENT軟件仿真，采用k-ε湍流模型與壁面滑移相結(jié)合的方法，得到無動(dòng)力布料器出口速度和出口壓力云圖。結(jié)果表明，進(jìn)料口速度在10 m/s左右，可以驅(qū)動(dòng)布料器旋轉(zhuǎn)，物流均勻散落，可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力均勻布料，同時(shí)仿真結(jié)果驗(yàn)證了布料器設(shè)計(jì)的合理性。

APT布料器；數(shù)學(xué)模型；無動(dòng)力；均勻布料；FLUENT仿真

0 引言

仲鎢酸銨（簡稱“APT”），是鎢的初級制品，是制造鎢制品、硬質(zhì)合金的重要原料，是中國重要的出口商品之一。在生產(chǎn)工藝中，制取的APT混有氯離子，此時(shí)須對APT和氯離子混合水溶液進(jìn)行布料、洗滌和干燥等處理流程，以濾除氯離子，而實(shí)現(xiàn)布料器的均勻布料是完成APT洗滌過濾的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外對布料機(jī)和布料器布料裝置的研究，重點(diǎn)在兩個(gè)范圍：高爐煉鐵和燒結(jié)礦石。此外，在冷凝造粒、垃圾焚燒、混凝土輸送、道路建設(shè)等也有相關(guān)的研究，但在谷物、顆粒飼料、APT等的布料機(jī)研究上，并不多見[1]。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)絕大部分生產(chǎn)企業(yè)APT的布料過程都是通過管子灑在過濾池內(nèi)，凹凸的地方使用人工刮平的方式，如圖1所示。人工布料過程勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，不能實(shí)現(xiàn)均勻布料，各層的密實(shí)度不同，使得洗滌過濾不充分，不利于雜質(zhì)的濾除，而且現(xiàn)場的氨揮發(fā)后的氣味對人具有強(qiáng)烈的刺激性，影響操作員的情緒和健康，同時(shí)增加生產(chǎn)成本，甚至有時(shí)會造成生產(chǎn)中斷，不僅浪費(fèi)了鎢礦等物質(zhì)資源和人力資源，還影響了企業(yè)的效益。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均勻布料，提高企業(yè)的生產(chǎn)效益，實(shí)現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能。文章研究設(shè)計(jì)了一種節(jié)能裝置，該裝置依靠APT固液混合料無動(dòng)力沖擊驅(qū)動(dòng)布料器旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)布料器自動(dòng)均勻布料。

圖1 APT人工布料過程Fig.1 APT artificial distribution process

1 APT無動(dòng)力布料器數(shù)學(xué)模型

1.1 物料流初速度的模型

實(shí)際生產(chǎn)表明，物料在裝料罐內(nèi)的下降為“漏斗流”；而一般都采用存?zhèn)}公式計(jì)算物料出裝料罐的初速度v0[2]。存?zhèn)}公式主要是用來求“活塞流”式的放料[3]，此公式存在使物料流量系數(shù)取值不準(zhǔn)確的問題。

本研究數(shù)學(xué)模型中物料的初速度的計(jì)算采用水力學(xué)的連續(xù)性方程[4]。

式中：Q為實(shí)測物料出裝料罐的流量，m3/s；A為裝料罐的投影面積，m2；Lx裝料罐的周邊邊長，m；Di為物料的平均粒徑，m。

其中A、Lx與γ的關(guān)系如下[5]：

式（2）、（3）和（4）中R為裝料罐內(nèi)閥板旋轉(zhuǎn)半徑，m；D為裝料罐喉管直徑，m。

式（1）的Q與開度γ的關(guān)系，通過實(shí)測數(shù)據(jù)得到如下回歸方程關(guān)系：

把式（2）、（3）、（4）、（5）代入（1）就可以求出不同開度物料出裝料罐的初速度v0。

1.2 物料在下料管上的運(yùn)動(dòng)模型

物料以初速度v0落入進(jìn)料口，通過APT固液混合物的沖擊力驅(qū)動(dòng)布料器以ω速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)物料在豎直方向上做以加速度為g的下滑運(yùn)動(dòng)，假設(shè)物料的質(zhì)量為m，下料管的有效長度為h。物料在下料管上的受力情況如圖2所示，受到以下力：重力（mg）；旋轉(zhuǎn)引起的慣性離心力（F1=-4mhπ2ω2）；管壁對物料的支持力（R=4mhπ2ω2）；管壁的摩擦力（μR）；科氏力（F2=2mvω）。物料的沖擊力使布料器保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，在相比之下，科氏力可以忽略不計(jì)。在豎直方向，物料所受力的總和如式（6）。

圖2 物料在下料管上的受力分析Fig.2 Stress analysis of the material on the feeding pipe

1.3 物料撞擊底部的速度變化

物料撞擊底部，速度發(fā)生變化，同時(shí)運(yùn)動(dòng)方向也發(fā)生變化，伴隨著對物料的沖擊現(xiàn)象。由于物料是沿著下料管下落的，碰撞底部時(shí)物料速度發(fā)生變化。質(zhì)量為m的物料以v1速度向底部沖擊，在沖擊瞬間發(fā)生能量損失。對于物料流中的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，碰撞是多次的，方向也各不相同，但都會因摩擦沖量而減少其運(yùn)動(dòng)速度。但具體減少到多大，目前還沒有非常精確的計(jì)算公式，一般都是通過試驗(yàn)測得特定條件下的速度折算系數(shù)η，得到速度v2=ηv1。

1.4 物料流布料軌跡確定

物料的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，物料離開下料管末端后，在豎直方向只受到重力的作用。根據(jù)牛頓定律可以列出運(yùn)動(dòng)方程，如式（7）所示。

在對式（8）進(jìn)行積分，積分限為：t=0，z=zl。zl為物料的自由落體有效高度。

假設(shè)布料槳葉的長度為L，則物料在離開布料槳葉到罐體底部的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，可以用式（10）表示。

物料在布料槳葉方向上的運(yùn)動(dòng)距離如式（11）所示。

物料在切線方向上的運(yùn)動(dòng)距離如式（12）所示。

從式（11）、（12）可以求出物料落點(diǎn)離旋轉(zhuǎn)軸中心線距離r。

同時(shí)滿足r≤R，R為罐體半徑，m。

圖3 物料運(yùn)動(dòng)軌跡示意Fig.3 Sketch map of material flow trajectory

2 APT無動(dòng)力布料器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

結(jié)合上述的數(shù)學(xué)模型分析和精度要求進(jìn)行裝配工藝分析，確定實(shí)現(xiàn)各功能的機(jī)構(gòu)原理，依據(jù)機(jī)構(gòu)原理進(jìn)行機(jī)構(gòu)和零部件的設(shè)計(jì)，完成整體結(jié)構(gòu)的裝配，從而使各功能在無干涉情況下實(shí)現(xiàn)布料動(dòng)作。具體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)流程Fig.4 Flow chart

2.2 總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)如圖5，包括進(jìn)料口，洗滌入口，在洗滌入口和進(jìn)料口交匯處下方設(shè)置上罐體，上罐體上設(shè)置有布料組件，上罐體旁邊設(shè)置有氣缸，氣缸設(shè)置在固定的橫梁上。物料在一定的高度以一定的速度從進(jìn)料口進(jìn)入，靠著物料的沖擊力驅(qū)動(dòng)渦輪式布料器，使布料器旋轉(zhuǎn)起來，實(shí)現(xiàn)均勻布料，物料流軌跡不重疊，各層密實(shí)度一致。

圖5 APT無動(dòng)力布料器總體設(shè)計(jì)Fig.5 General design of APT without power distributor

2.3 布料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

物料通過進(jìn)料口連續(xù)的加入沖擊布料組件導(dǎo)料槳葉，使布料組件旋轉(zhuǎn)，接著物料沿著導(dǎo)料槳葉流向布料槳葉，物料隨著布料組件的旋轉(zhuǎn)，沿布料槳葉均勻的散落在上罐體、下罐體和過濾介質(zhì)組成的腔體內(nèi)，同時(shí)抽濾口打開，將物料中的液體抽離，進(jìn)行干燥操作。布料組件三維模型如圖6所示。

圖6 布料組件三維模型Fig.6 3D model of distributing assembly

布料組件主要機(jī)構(gòu)如圖7所示。包括旋轉(zhuǎn)主軸、套筒、傳動(dòng)部分、渦輪導(dǎo)料槳葉和布料槳葉。

圖7 布料組件主要機(jī)構(gòu)Fig.7 Major mechanism for distributor

3 APT無動(dòng)力布料器FLUENT仿真

從上述的分析可知，整個(gè)布料過程，并不是規(guī)則統(tǒng)一的，流體的流動(dòng)雜亂無章，僅僅采用數(shù)值分析的方法顯然很難得出流體的流動(dòng)情形，為了進(jìn)一步分析流體的流動(dòng)，在設(shè)計(jì)過程中采用了FLUENT流體仿真方法對布料組件進(jìn)行了分析。

3.1 湍流模型

FLUENT提供的湍流模型包括：k-ε模型，SST模型，SSG模型和BSL模型，它們各有優(yōu)、缺點(diǎn)。其中k-ε湍流模型是應(yīng)用最廣泛、最完整的湍流模型，計(jì)算速度快，能較精確的預(yù)測物料流的散布率。其中湍流方程為：

該模型假設(shè)流動(dòng)為完全湍流，分子黏性的影響可以忽略。它能較好地解決較小壓力下的自由剪切流問題，但當(dāng)逆壓梯度變大時(shí)并不適用，并且兩方程模型計(jì)算量大，收斂困難，對網(wǎng)格劃分要求嚴(yán)格。

3.2 網(wǎng)格劃分

為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，初始計(jì)算網(wǎng)格由FLUENT軟件中的Gambit程序完成。為了便于仿真，簡化模型。將Solidworks建立的布料組件三維模型導(dǎo)入前處理軟件Gambit中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示，生成的網(wǎng)格為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為85 982個(gè)。

圖8 Gambit網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Division results of Gambit grid

3.3 邊界條件的設(shè)定與計(jì)算方法

在FLUENT仿真計(jì)算中，設(shè)置邊界條件是仿真結(jié)果正確與否的一個(gè)關(guān)鍵因素。文中研究的流體是APT，其液態(tài)密度是2.2g/cm3，動(dòng)力黏度是0.32MPa·s；流體的初始速度設(shè)置為10 m/s，方向垂直于截面，進(jìn)料口直徑為100 mm，長度1 500 mm。采用k-ε湍流模型與壁面滑移函數(shù)處理法相結(jié)合的方法，有效地提高了計(jì)算結(jié)果的精確度，并且對二次流現(xiàn)象的模擬效果更加顯著。設(shè)置迭代次數(shù)為600次，計(jì)算并輸出結(jié)果。

3.4 仿真與結(jié)果分析

使用FLUENT軟件求解流場，計(jì)算結(jié)束并觀察殘差曲線（圖9）是判斷收斂的最基本方法。大多數(shù)情況下殘差下降4個(gè)數(shù)量級（即收斂精度為10-4），就可以認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。從圖9中可知，上述設(shè)置的參數(shù)符合要求，使仿真得到收斂。通過簡化仿真模型，可以大大地減少仿真時(shí)間，提高仿真速度，使仿真的結(jié)果更加準(zhǔn)確。從速度分布圖（圖10）、出口速度分布圖（圖11）和出口壓力分布圖（圖12）可以看出，進(jìn)料口速度在10 m/s左右，物料的沖擊力可以驅(qū)動(dòng)渦輪式布料器旋轉(zhuǎn)起來，離旋轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，速度越大，物料均勻散落，物料流軌跡不重疊，各層密實(shí)度一致，可以實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力均勻布料，同時(shí)出口的壓力也保持穩(wěn)定，這與實(shí)現(xiàn)均勻布料的要求一致，說明模擬結(jié)果是合理的，機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是正確的。

圖9 殘差曲線Fig.9 Residual curve

圖10 速度分布圖Fig.10 Velocity distribution diagram

圖11 出口速度分布圖Fig.11 Velocity distribution diagram for outlet

圖12 出口壓力分布圖Fig.12 Distribution diagram for outlet pressure

4 結(jié)論

（1）采用k-ε湍流模型與壁面滑移函數(shù)處理法相結(jié)合的方法，對布料器內(nèi)部的流體進(jìn)行仿真，能夠較好的模擬內(nèi)部的二次流現(xiàn)象。對以后布料器內(nèi)部的仿真提供一定的理論基礎(chǔ)，同時(shí)有很好的借鑒意義。

（2）在布料器內(nèi)部流體的初始速度設(shè)置為10m/s，進(jìn)料口直徑為100 mm，長度1 500 mm情況下，能夠滿足要求。初始速度偏小，布料器不能夠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)不了均勻布料；初始速度偏大，布料器能夠旋轉(zhuǎn)，但是實(shí)現(xiàn)不了均勻布料。同時(shí)改變初始速度和進(jìn)料管的長度也可以得到布料器旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)均勻布料的這一結(jié)果。

[1] 王維興.中國煉鐵技術(shù)發(fā)展評述[J].河南冶金，2008，16（5）：4-9. WANG Weixing.Comments on the development of China's iron making technology[J].Henan Metallurgy，2008，16（5）：4-9.

[2] 劉云彩.高爐布料規(guī)律[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3] 陳令坤，于仲潔，周曼麗.高爐布料數(shù)學(xué)模型的開發(fā)及應(yīng)用[J].鋼鐵，2006，41（11）：13-16. CHEN Lingkun，YU Zhongjie，ZHOU Manli.Blastfurnace mathematical model of the development and application of[J]. Steel，2006，41（11）：13-16.

[4] 王 平.串罐無料鐘料流軌跡與寬度測定及其分析 [J].鋼鐵，2003，38（3）：8-12. WANG Ping.Measurement and analysis of the track and width of the bell less material flow in a series of bell jar[J].Steel，2003，38（3）：8-12.

[5] 閆洪波，鄭 鴻，張玉寶，等.基于Solid Edge的包鋼BG-Ⅲ型布料器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2010（9）：89-91. YAN Hongbo，ZHENG Hong，ZHANG Yubao，et al.The design of solid type III distributor of steel clad steel BG-mechanical engineer based on Edge[J].Mechanical Engineer，2010（9）：89-91.

[6] 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT 12流體分析及工程仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：1-5.

[7] JOAN C.Developments in the north American iron and steel industry[J].Iron＆Steel Technology，2004，1（3）：23.

[8] 邱立杰，張國福，郝 明.基于FLUENT的彎管內(nèi)部流場的數(shù)值模擬[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：48-52. QIU Lijie，ZHANG Guofu，Hao Ming.Numerical simulation of internal flow field of elbow pipe based on FLUENT[J].Journal of Liaoning Shihua University，2013，33（1）：48-52.

[9] 朱清天，程樹森.高爐料流軌跡的數(shù)學(xué)模型[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（9）：932-936. ZHU Qingtian，CHENG Shushen.Mathematical model of blast furnace material flow path[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2007，29（9）：932-936.

[10] YAO Meihong，ZHANG Hengfeng.Numerical study of aerostatic bearing based on CFX[J].China Mechanical Engineering，2012，23（22）：2681-2684.

Design and Simulation Analysis of APT without Power Distributor

LIU Feifei1,ZENG Yanbing2,GAO Tangpan2,GU Shuaiqi2,LIU Longxi2

(1.School of Electrical Engineering and Automation,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,Jiangxi,China)

Based on introducing the current situation of APT artificial material distribution process,we designed a device through the motion analysis of distributor mathematical model.The invention can realize the automatic uniform distribution without power by overcoming the disadvantages of the artificial process,including labor intensity,low efficiency,and harmful to workers'health.The outlet velocity and outlet pressure diagram are obtained by FLUENT software based on the turbulence model and wall slip.The results show that the distributing device can be driven to rotate when the inlet velocity is about 10 m/s,and the logistics evenly scattered.Therefore,the uniform distribution can be realized.At the same time,the simulation results verify the rationality of the design of the distributor.

APT distributor;mathematical model;no power;uniform distribution；FLUENT simulation

TF302；TF351.2

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.06.013

2016-06-20

劉飛飛（1962-），男，江西信豐人，教授，博士，主要從事礦冶裝備及其自動(dòng)化、檢測技術(shù)和特種裝備機(jī)器人方面的研究。