曹麗英，史興華，石 煒，裴耀武

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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錘片式粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

曹麗英，史興華，石 煒，裴耀武

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

設(shè)計(jì)并制造了一種新型錘片式飼料粉碎機(jī)，運(yùn)用三維建模軟件UG及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)新型錘片式飼料粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)的氣流場(chǎng)進(jìn)行三維仿真研究，得到了在3種不同轉(zhuǎn)速下粉碎室內(nèi)氣流場(chǎng)的負(fù)壓和速度的分布規(guī)律。該研究結(jié)果可為粉碎機(jī)流場(chǎng)研究及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供一定理論依據(jù)。

錘片式飼料粉碎機(jī)；氣流場(chǎng)；仿真

0 引言

憑借30年的迅猛發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)躍升為世界飼料生產(chǎn)大國(guó)。在飼料加工過(guò)程中，粉碎機(jī)是主要設(shè)備，而錘片式粉碎機(jī)更是得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。為了解決傳統(tǒng)錘片式粉碎機(jī)內(nèi)物料環(huán)流層引起的問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)并制造了一種新型錘片式飼料粉碎機(jī)[7-8]。該機(jī)的特點(diǎn)是既能破壞環(huán)流層[9]，又能使物料循環(huán)粉碎[10]。其在粉碎室外部的分離裝置中安裝了篩網(wǎng)，為了增加粉碎力度，在粉碎室內(nèi)安裝了環(huán)形齒板。粉碎機(jī)工作時(shí)，物料進(jìn)入粉碎室后受到錘片轉(zhuǎn)子組的打擊作用，還有物料與齒板之間的碰撞作用，以及物料與物料、物料與壁面之間的搓擦作用等，將物料進(jìn)行粉碎；被粉碎后的物料在轉(zhuǎn)子組的拋射及空氣流的輸送作用下進(jìn)入到分離裝置中進(jìn)行分離；符合粒度要求的過(guò)篩，未過(guò)篩的較大粒徑的物料沿回料管又回到粉碎室進(jìn)行循環(huán)粉碎。圖1是新型錘片式飼料粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

由于沒(méi)有從根本上解決傳統(tǒng)錘片式飼料粉碎機(jī)物料分離效率低的問(wèn)題，因而未能改變其能耗高、過(guò)粉碎、物料升溫大、篩片磨損嚴(yán)重的缺陷。針對(duì)新型錘片式粉碎機(jī)粉碎效率與分離效率相比偏低的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際尺寸建立新型錘片式粉碎機(jī)的實(shí)體模型，對(duì)其進(jìn)行單元網(wǎng)格的劃分；然后利用FLUENT軟件對(duì)粉碎機(jī)的氣流流場(chǎng)、負(fù)壓特性等進(jìn)行三維數(shù)值模擬，目的是找到粉碎室內(nèi)負(fù)壓特性參數(shù)與物料運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，為提高物料的分離效率提供理論依據(jù)。

1.電機(jī) 2.進(jìn)料口 3.機(jī)架 4.粉碎室 5.回料管 6.篩片 7.分離裝置 8.錘片 9.齒板

1 基于UG的三維幾何建模

模擬中，選取粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)部流道空間作為計(jì)算區(qū)域，利用UG建立粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)流道空間的三維模型，如圖2所示。

圖2 粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)流域的三維模型

建立三維模型時(shí)，對(duì)粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)做如下簡(jiǎn)化：

1)在有效面積不變的條件下，將兩個(gè)進(jìn)料口合并成一個(gè)；

2)省略所有零件的倒角；

3)軸和錘片組作為整體，從而省略各個(gè)結(jié)構(gòu)間的連接。

2 有限元建模及分析

從UG中將模型導(dǎo)出為STP格式文件，再把文件導(dǎo)入到FLUENT的前處理軟件Gambit中，在Gambit環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[11-12]，網(wǎng)格模型總單元數(shù)達(dá)10 865 20個(gè)。

利用CFD分析軟件FLUENT12.1對(duì)新型錘片式粉碎機(jī)內(nèi)部粉碎腔內(nèi)單相氣流場(chǎng)的負(fù)壓和速度特性進(jìn)行模擬研究。首先，指定邊界類型，網(wǎng)格模型，設(shè)定邊界條件，如表1所示。

表1 邊界類型

粉碎機(jī)工作時(shí)，粉碎室內(nèi)流場(chǎng)是一個(gè)不穩(wěn)定的湍流場(chǎng)。湍流模型的輸運(yùn)方程為

(1)

(2)

其中，Gb為浮力湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gk為平均速度梯度湍動(dòng)能產(chǎn)生；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；σk、σε為湍動(dòng)能和湍動(dòng)耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Prt為湍動(dòng)普朗特?cái)?shù)；gi為重力加速度在i方向上的分量；β為熱膨脹系數(shù)；Mt為湍動(dòng)馬赫數(shù)；Α為聲速。

松弛因子如表2所示。

表2 松弛因子

3 流場(chǎng)模擬結(jié)果與分析

對(duì)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500、3 000、3 500r/min下粉碎室內(nèi)部的氣流場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到粉碎機(jī)粉碎區(qū)域的壓力分布和速度分布，進(jìn)而分析粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)粉碎區(qū)域流場(chǎng)的影響[13-14]。為了方便分析，取6個(gè)截面上的流場(chǎng)進(jìn)行分析，在軸向每間隔50mm取一個(gè)截面，共5個(gè)豎直截面，從進(jìn)料口到回料口方向，依次命名為S1、S2、S3、S4、S5，在水平面取1個(gè)截面(即S6截面)，如圖3所示。

圖3 粉碎室內(nèi)6截面壓力云圖

3.1 不同轉(zhuǎn)速下粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)負(fù)壓特性

1)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)S1～S6截面負(fù)壓特性如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)S1～S6截面壓力云圖

由圖4可知：在轉(zhuǎn)軸附近和出料口下方110mm處存在兩個(gè)明顯的負(fù)壓集中區(qū)域。負(fù)壓值沿徑向向外逐漸減小，沿軸向方向變化很小。

2)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速3 000、3 500r/min時(shí)，取粉碎室內(nèi)具有代表性的S1、S3、S4、S6截面負(fù)壓特性，如圖5、圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí)S1、S3、S4、S6截面壓力云圖

圖6 轉(zhuǎn)速3 500r/min時(shí)S1、S3、S4、S6截面壓力云圖

由圖5、圖6可知：兩個(gè)負(fù)壓集中區(qū)域的負(fù)壓值隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，轉(zhuǎn)速每增大500r/min，負(fù)壓值升高1.2kPa左右。

3.2 不同轉(zhuǎn)速下粉碎機(jī)粉碎室內(nèi)速度特性

1)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)，粉碎室內(nèi)S1～S6截面速度特性如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)S1～S6截面速度矢量圖

粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)，粉碎機(jī)粉碎室整體速度特性如圖8所示。

由圖7、圖8可知：轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)，轉(zhuǎn)軸附近和出料口下方兩個(gè)區(qū)域速度值較小，速度值沿徑向向外逐漸增加，在錘片與機(jī)殼之間速度值達(dá)到最大；速度值沿軸向方向變化較小。

2)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí)，取粉碎室內(nèi)具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖及粉碎室整體速度矢量圖如圖9、圖10所示。

圖8 轉(zhuǎn)速2 500r/min時(shí)粉碎室整體速度矢量圖

圖9 轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí)S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖

圖10 轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí)粉碎室整體速度矢量圖

3)粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速3 500r/min時(shí)，取粉碎室內(nèi)具有代表性的S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖及粉碎室整體速度矢量圖如圖11、圖12所示。

圖11 轉(zhuǎn)速3 500r/min時(shí)S1、S3、S4、S6截面速度矢量圖

圖12 轉(zhuǎn)速3500r/min時(shí)粉碎室整體速度矢量圖

2 500、3 000、3 500r/min這3種轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的粉碎室內(nèi)最大速度值分別是62、74.5、87m/s。

比較圖9～圖12可知：在2 500～3 500r/min范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，粉碎室內(nèi)速度的最大值也逐漸加大，轉(zhuǎn)速每增大500r/min，速度值升高13m/s左右；速度的最大值都出現(xiàn)在出料口下部到粉碎機(jī)底部之間的一段弧形區(qū)域內(nèi)。

4 結(jié)論

1)粉碎腔內(nèi)負(fù)壓的最大值隨著粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而升高。在徑向方向，負(fù)壓值向外圍逐漸減小；在軸向方向，負(fù)壓值變化很小；轉(zhuǎn)速每增大500r/min，負(fù)壓值升高1.2kPa左右；負(fù)壓不僅集中在轉(zhuǎn)軸附近，在出料口以下110mm處也有小范圍的負(fù)壓集中區(qū)域，與中心負(fù)壓的最大值近似。

2)粉碎腔內(nèi)速度的最大值隨著粉碎機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而升高。在錘片邊緣附近，空氣速度高于其他部分；在軸向方向，速度值變化很?。晦D(zhuǎn)速每增大500r/min，速度最大值升高13m/s左右；速度的最大值出現(xiàn)在出料口下部到粉碎機(jī)底部的一段弧形區(qū)域內(nèi)。

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Simulation and Analysis on Flow Field in Crashing Cavity of New-type Feed Hammer Mill

Cao Liying, Shi Xinghua, Shi Wei, Pei Yaowu

(Mechanical Engineering College of Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010,China)

This subject is about study the 3-dimensional simulation of gas flow field in crash cavity, the center region of hammer mill. In the process of simulation, the crash cavity of grinder is taken for research object. The 3-dimentional model is built in UG and meshed in Gambit. The meshed file is imported into FLUENT to do analysis and the characteristic distribution of negative pressure and motion. Characteristics of air pressure and motion in the smashing region of new-type hammer mill are the major research contents in this subject. And the research of flow field of the center region builds the theory foundation for further optimal designing and improving the sieving efficiency of this new-type hammer mill.

new-type feed hammer mill; flow field; simulation

2016-06-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105189) ；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0534)；內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(NJZC13153)

曹麗英(1980-)，女，內(nèi)蒙古土左旗人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)kdcly@imust.cn。

S817.12+2

A

1003-188X(2017)08-0022-05