楊杰，郭迪，馬軍旭，宗浩陽，王新田

（1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.益豐重工裝備有限公司，河南 鄭州 450045）

砂石作為混凝土材料的重要組成部分，其質(zhì)量和技術(shù)影響著混凝土的強度。近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越重視，這大大刺激了砂石的需求量，然而，天然砂已經(jīng)滿足不了市場需求，因此，機制砂就成為砂的主要來源。粉塵提取機主要運用在制砂生產(chǎn)線的脫粉環(huán)節(jié)，其分離效率和提取機內(nèi)部流場密切相關(guān),研究氣固兩相流動特性的方法主要有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法兩種。關(guān)于歐拉-拉格朗日法氣固兩相流的研究，王慧杰等人對超臨界水膜反應(yīng)器進行了氣固兩相流數(shù)值模擬，采用拉格朗日離散模型，分析了顆粒直徑、入口速度對超臨界水膜反應(yīng)器內(nèi)的顆粒運動規(guī)律；蒲舸等人對CFBC旋風分離器進行了數(shù)值模擬，通過改變?nèi)肟陲L速，提高了分離效率，排氣管調(diào)整了渦旋偏移的距離,改善了流場，但顆粒捕捉較為困難；黃興華等人對旋風分離器中的氣相流動及顆粒分離效率進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明，顆粒進口位置和進口速度對顆粒的分離效率有較大影響，且排氣管直徑大小與顆粒分離效率成反比。對于砂粉分離的氣固兩相流研究，文獻報道甚少。因此，針對粉塵提取機砂粉分離效率低、浪費率高等問題，本文通過SolidWorks建立三維模型，并導入fluent進行模擬仿真，采用正交試驗法對其結(jié)果進行優(yōu)化。本研究為粉塵提取機設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 砂石粉塵分離原理

1．1 粉塵提取機工作原理

粉塵提取機是一種新型的砂石分選工藝設(shè)備，對物料進行粗、細分離，砂石經(jīng)散料箱進入粉塵提取機，在重力和氣流壓力的雙重影響下開始分離。砂石受氣流影響較小，從砂石出口流出；粉塵受氣流影響較大，從粉塵出口排出。分離出的砂石料經(jīng)皮帶輸送機送到堆場存放，而被分離出的石粉則隨氣流進入石粉專用帶式除塵器，在其內(nèi)部的沉降室內(nèi)，氣流中的較粗顆粒受重力沉降作用而被收集并落入灰斗，微細顆粒則隨氣流經(jīng)布袋收集后排入大氣，且完全達到了國家規(guī)定排放標準30mg/m2，回收的石粉經(jīng)由灰斗下部的螺旋輸送機送至下一工序。

1．2 粉塵提取機相關(guān)參數(shù)特性

粉塵提取機由兩個進口和兩個出口組成，包括進風口、砂石進口、粉塵出口和砂石出口見圖1，其內(nèi)部由5個溜料板呈階梯式組成。進風口的速度為16～20m/s，目前，進風口可用于整條生產(chǎn)線抑塵，但必須保證充足的進風量，以及進風口外接管道面積略大于進風口面積。粉塵出口所用的風機是G4-68鍋爐鼓風機，選擇適當?shù)娘L壓，以獲取最佳的分離效果。

圖1 粉塵提取機結(jié)構(gòu)

2 數(shù)值模擬與流場分析

2．1 控制方程

仿真采用歐拉—拉格朗日法。將流體作為連續(xù)相、顆粒作為離散相，通過計算流場中大量粒子的運動，得到離散相運動規(guī)律，計算得出顆粒的運動軌跡。粉塵提取機氣相分析應(yīng)用了RNG k-ε模型，其湍動能k和耗散率ε的運輸方程如下。湍流動能（k）方程：

式中，ρ為密度；P為壓強；v為運動粘度；fi為體積力；μe為湍流黏性系數(shù)；μ為分子黏性系數(shù)；μt為渦黏性系數(shù)；Gk為湍流的產(chǎn)生項；C1ε,C2ε,Cμ,σk,σε為模型常數(shù)，且

顆粒性運動方程如下：

式中，up為顆粒相速度；u為連續(xù)相速度；FD為顆粒所受曳力；gx為顆粒重力加速度；ρP為顆粒密度；Fx是顆粒所受附加力。

2．2 計算條件

數(shù)值模擬時，計算方程離散方法采用有限體積法，壓力-速度耦合、SIMPLE算法，對所見模型進行數(shù)值求解，獲取壓力場。

氣相邊界條件設(shè)置，進風口和砂石進口均為速度入口，其砂粒下落速度為0.3m/s；砂石出口與粉塵出口采用壓力出口，砂石出口表壓強設(shè)為0Pa，由于粉塵出口連接抽風機，所以表壓強設(shè)置為負壓；壁面采用無滑移邊界。顆粒相邊界條件，砂石出口設(shè)置為escape，粉塵出口設(shè)置為trap，其余壁面設(shè)置為reflect。也就是說，顆粒經(jīng)過粉塵提取機中從粉塵出口出去即認為被捕集，顆粒到達砂石出口即認為逃逸。

2．3 結(jié)果分析

對顆粒運動軌跡模擬時，在粉塵提取機的砂石進口截面處，得到共計1360個點源，即一次可以同時釋放1360個粒子。對這些粒子的運動軌跡進行統(tǒng)計，就可以得到粉塵出口砂石的捕捉率。

圖2 速度云圖/（m/s）

由圖2可知，砂石進入粉塵提取機后，受自身重力和氣流作用，沿著溜料板下落。在溜料板附近，顆粒下落的速度為1.76m/s，在接近砂石出口的位置，砂石受進風口氣流的影響，速度逐漸增大，最大速度達到10.6m/s。

由圖3可知，在塵粉提取機的內(nèi)部成負壓狀態(tài)，大部分壓力達到-339Pa，而砂石出口的壓力較小，為-4880Pa，所以，大多數(shù)砂石從砂石出口“逃逸”，而少量砂石從粉塵出口被“捕捉”。

由圖4可以清晰地看到砂石的流向，大部分砂石從砂石出口流出，少數(shù)顆粒從粉塵出口流出。

圖3 壓力云圖/Pa

圖4 砂石流跡線圖

3 粉塵提取機優(yōu)化設(shè)計

3．1 正交試驗設(shè)計

由于影響粉塵出口砂石捕捉率的因素較多，如進風口面積、位置等，為了保證分析結(jié)果的可靠性，對試驗進行了合理的安排，確定各個因素影響粉塵出口砂石的捕捉率的程度，同時，尋求粉塵提取機的一個較佳結(jié)構(gòu)分布，由于全面試驗優(yōu)化不現(xiàn)實，所以，用正交試驗法讓部分試驗代替全部試驗以反映整體情況。因此，選擇正交試驗法通過正交表規(guī)劃試驗，選出了3個因素對其進行分析：進風口速度、粉塵出口壓力、溜料板角度。在箱體尺寸不變的前提下，假定各因素之間不存在交互作用，每個因素取3個水平，正交試驗各因素水平見表1。

表1 因素水平表

根據(jù)表1試驗因數(shù)水平表，選擇L9(34)正交表擬定實驗方案由于是三因素三水平試驗，所以有一空列，通過空列可以估計試驗誤差大小。運用fluent模擬仿真，得出粉塵出口砂石的捕捉率，并以其作為正交試驗的評價指標，分析各個參數(shù)對分離效果的影響，正交試驗方案及結(jié)果見表2。

3．2 正交試驗結(jié)果分析

不同的結(jié)構(gòu)分布及結(jié)構(gòu)尺寸對粉塵提取機分離效率影響不一樣，通過極差分析，能夠直觀地了解各因素對粉塵出口砂石的捕捉率的影響程度。粉塵出口砂石的捕捉率越小，分離效果越好。進風口速度、粉塵出口壓力、溜料板角度對粉塵出口砂石的捕捉率極差，分析見表3。其中，為第j個因素第i水平所對應(yīng)的數(shù)據(jù)和，為第j個因素第i水平所對應(yīng)的數(shù)據(jù)之和的平均值[10]，Rj為第j個因素各水平的綜合平均值的極差，j=1，2，3，4。極差Rj反應(yīng)隨因素水平變動的情況，極差越大，表示對粉塵出口砂石的捕捉率影響越大，則為主要因素，反之，為次要因素。根據(jù)表3由極差Rj判斷3個因素對粉塵出口砂石的捕捉率的影響程度：溜料板角度>進風口速度>粉塵出口壓力。

表2 正交實驗表

表3 極差分析

為分析各個因素變化對粉塵出口砂石捕捉率的具體影響趨勢，以粉塵出口砂石捕捉率的平均值。作為縱坐標繪制趨勢圖，各因素與粉塵出口砂石捕捉率關(guān)系如圖5所示。隨著進風口速度的增加，粉塵出口砂石捕捉率變大，由于粉塵出口的砂石捕捉率越小，砂石粉塵的分離效果較好，所以，當進風口速度為16m/s時，分離效果最佳；粉塵出口壓力對粉塵出口砂石捕捉率影響相對較小，但粉塵出口壓力為-200pa時，分離效果最好；溜料板角度是影響粉塵出口砂石捕捉率的關(guān)鍵，如圖5可知，溜料板角度為75度時，影響最大。

3．3 結(jié)構(gòu)優(yōu)選

根據(jù)正交試驗分析結(jié)果，選取進風口速度為16m/s、粉塵出口壓力為-200Pa、溜料板角度為75度作為最優(yōu)參數(shù)組合。即A1B2C1，在9組正交試驗中沒有該參數(shù)組合，需要按該參數(shù)設(shè)置進行一次數(shù)值模擬，與9組實驗中分離效果的一組進行對比。正交試驗中分離效果最好的一組為第一組，其名稱命名為L1，最優(yōu)參數(shù)組合命名為L10，兩組參數(shù)設(shè)置及粉塵出口砂石的捕捉率如表4所示。

從表4可知，L10的捕捉率較小，即分離效率最好，則這一組數(shù)據(jù)為最優(yōu)結(jié)果。L10的分離效率為92.65%相比第九組實驗結(jié)果提高了9.34%。

表4 試驗結(jié)果

圖5 因素與捕捉率的關(guān)系圖

分離效率=1-粉塵出口的捕捉率

4 結(jié)語

通過workbench平臺，對粉塵提取機進行fluent模擬仿真，采用正交試驗法分析了溜料板角度、進風口速度、粉塵出口壓力對粉塵提取機分離效果的影響，并得出了以下結(jié)論：

(1)三個因素對粉塵提取機分離效率影響程度為溜料板角度>進風口速度>粉塵出口壓力。

(2)通過正交試驗得出最優(yōu)的一組解A1B2C1，即進風口速度為16m/s，粉塵出口壓力為-200Pa，溜料板角度為75°，其分離效果最佳為92.65%。