王懷，樊瑜瑾，劉小川，蔡培良，唐軍，吳家喜

（1.650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.563000 貴州省 遵義市 貴州航天天馬機電有限公司；3.655001 云南省 曲靖市 紅云紅河煙草(集團)有限責任公司曲靖卷煙廠 ;4. 650106 云南省 昆明市 昆明昆開專用數(shù)控設備有限責任公司；5.650051 云南省 昆明市 中船重工750 試驗場）

0 引言

成品煙絲中煙梗的含量會影響煙絲的質(zhì)量，通過對卷煙機浮選腔進行研究，發(fā)現(xiàn)在梗絲分離過程中，主要利用煙梗和煙絲在浮選腔垂直流場中懸浮速度的差異，將浮選腔中的煙梗剔除[1]，浮選腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會影響顆粒懸浮速度及流動形式，使分離效率降低。近年來，為了減少煙絲浪費，研究人員針對不同類型的浮選腔已進行了更加深入的研究。文獻[2]將浮選腔改為“之”字形結(jié)構(gòu)，并加裝打散機構(gòu)，可將結(jié)團狀梗絲打散，加速梗絲的分離；文獻[3]根據(jù)PROTOSM5 煙梗剔除技術(shù)，設計制造“Z”字型浮選腔，讓顆粒在風力作用下漂浮更久，從而使梗絲分離更徹底；文獻[4]通過增大浮選腔的體積，并將腔體改為斜體，設置錯位排列擋風塊，可提高梗絲風選效果；文獻[5]研究彈絲松散機構(gòu)位置及擋風塊的分布對氣流的影響，確定具有較優(yōu)分離效果的彈絲松散裝置位置與擋風塊的個數(shù)；文獻[6]Fluent 軟件常用于風選分離的仿真模擬，采用不同的實驗方案對砂和細粉的分離效果進行研究，并通過Fluent模擬仿真，可降低物料顆粒間的相互影響，提高風選效率；文獻[7]利用Fluent 軟件對“Z”字形浮選腔進行流場分析及數(shù)值模擬，經(jīng)實驗驗證梗絲分離效果較好的風速范圍是2.8～3.2 m/s。上述研究均只使用Fluent 進行分析，這些仿真模型均是球體，與梗簽、煙絲實物在流場中的受力有較大差異，且僅基于Fluent 的算法會忽略分離過程中的碰撞，因此，這些研究的模擬分析仍不夠完善。針對Fluent 的固有缺陷，用EDED-Fluent 耦合模擬氣泡床的氣固兩相流，建立不同直徑的固相顆粒模型，分析出不同顆粒在流場中受力的不同[8]。利用EDEM-Fluent 的耦合技術(shù)對浮選腔在不同負壓下進行梗絲分離數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)浮選腔最佳分離負壓為-1.2 kPa，并通過實驗驗證了仿真結(jié)果的準確性，初步證明了耦合技術(shù)的可行性[9]。因此，可以通過EDEM-Fluent 耦合仿真技術(shù),對不同角度擋風塊的浮選腔進行流場變化和顆粒分離的研究，從而選取具有較優(yōu)分離效果的浮選腔擋風塊類型，以達到減少煙絲浪費的目的。

1 風選原理及分離負壓的確定

1.1 風選分離原理

浮選腔是利用負壓風選分離的原理將真空浮選腔中煙梗、煙絲顆粒分離，即將較輕的煙絲和較重的煙梗分離[10]。當梗絲顆粒經(jīng)過進料板進入真空浮選腔后，真空浮選腔處于垂直方向的負壓風選系統(tǒng)，腔內(nèi)空氣的流體速度Vf與梗絲顆粒的沉降速度Vs都影響著腔內(nèi)顆粒的上升或者下降。真空浮選腔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 真空浮選腔Fig.1 Vacuum flotation chamber

當Vf＞Vs時，沉降時較輕的固相顆粒（煙絲）就會上升，并從上方出料管進入煙絲送料管道；當Vf＜Vs時，沉降時較重的固相顆粒（煙梗）就會下落，從下方落料口掉入煙梗收集器；而當Vf=Vs時，沉降時浮選腔中的煙梗、煙絲顆粒就會在一定范圍內(nèi)作無規(guī)則的上下浮動[11]，此時，腔內(nèi)固相顆粒懸浮速度的大小和方向就與懸浮腔內(nèi)空氣的速度大小相等、方向相同。

1.2 分離負壓的確定

首先將煙梗、煙絲顆粒的橫截面積等效為等投影面積徑。其公式為

式中：A——煙絲、煙梗顆粒的投影面積，m2。

由式（1）計算結(jié)果可計算出煙絲、煙梗顆粒的懸浮速度Vs

由于式（2）中計算模型為球體，而煙絲、煙梗在實際中均為不規(guī)則的固體顆粒，故需使用球形修正系數(shù)對結(jié)果進行修正

式中：δs——球形修正系數(shù)，取0.2。

再通過式（2）、式（3）的計算結(jié)果可計算最佳分離負壓

式中：ρ——空氣密度，取值1.293 kg/m3；l——浮選腔送料管的距離，取值0.234 m；C——關(guān)于雷諾數(shù)Re 的函數(shù)，取值0.44；n——浮選腔內(nèi)壁粗糙度，取值0.5；R——浮選腔水力半徑，取值0.075 m。

經(jīng)統(tǒng)計，煙絲密度約為223 kg/m3，截面尺寸為0.15～0.90 mm×0.80 mm；煙梗密度約為369.7 kg/m3，截面尺寸為 3 mm×2 mm～7 mm×2 mm[12]，經(jīng)計算可得：最佳分離負壓范圍為-0.8～ -1.3 kPa，在仿真時負壓取值為-1.2 kPa。

2 模擬方法的選擇

當顆粒在浮選腔中進行負壓分離時，由于浮選腔內(nèi)擋風塊角度不同會產(chǎn)生不同的流域，而顆粒在分離過程中存在大量碰撞，主要包括顆粒相互之間的碰撞以及顆粒與腔內(nèi)壁的碰撞。碰撞造成顆粒在浮選腔中無規(guī)則上下飄動，流域的不同也會使顆粒在碰撞之后出現(xiàn)不一樣的分離效果。

由于單純的Fluent 算法在模擬運算過程中并不考慮碰撞的因素，因此，運算結(jié)果與實際誤差較大。針對此弊端，可通過耦合程序?qū)luent 與EDEM 進行耦合，其優(yōu)點在于：能夠?qū)熃z、煙梗的真實屬性反映在顆粒的無規(guī)則碰撞懸浮運動中，模擬分析出碰撞后分離效果的差異，也可以將流場的流速、分布情況表現(xiàn)出來，呈現(xiàn)出煙絲、梗簽顆粒在豎直氣流中懸浮速度的差異，通過耦合仿真，統(tǒng)計落料口和出料口煙絲顆粒中煙梗顆粒的含量，驗證具有較優(yōu)分離效果的擋風塊類型。

3 浮選腔耦合仿真模擬

3.1 浮選腔建模

由于方形浮選腔、三角形型擋塊及長方體彈絲松散機構(gòu)組合而成的浮選腔分離效果較好[13]，如圖2 所示。擋風塊可將浮選腔正常工作過程中的團狀煙絲和梗簽混合物打散，也可以使流場中形成多處大小不同的渦流，增加分離效果?；诓煌螤顡躏L塊可改變氣流運動的思路，擋風塊形狀分別設計了30°，45°，60°，90°四種不同方案。4 種模型如圖3 所示。建模完成后，分別將不同角度擋風塊和彈絲松散機構(gòu)與浮選腔進行裝配。

圖2 方形浮選腔Fig.2 Square flotation chamber

圖3 擋風塊4 種模型Fig.3 Four models of windshield

3.2 仿真參數(shù)的設置

仿真前，先對Fluent 軟件進行前處理。當浮選腔正常工作時，腔體內(nèi)充滿了空氣，故用Fill工具創(chuàng)建腔內(nèi)流體域，再劃分網(wǎng)格，設置浮選腔的進料口int1、落料口int2、出料口out3 與壁面wall，如圖4 所示。分別將4 種不同角度的擋風塊導入到Fluent 中，定義重力的方向與大小，設置int1，int2 處的氣壓為0，將out3 處的氣壓設置為-1.2 kPa，選用解算模式為PISO，并設置時間步長、仿真步數(shù)、解算器參數(shù)等。

圖4 Meshing 中的模型設置Fig.4 Model settings in Meshing

對EDEM 進行前處理，設置重力加速度為Y方向-9.81 m/s2，浮選腔內(nèi)壁材料為304 不銹鋼，建立煙絲、煙梗顆粒的形狀如圖5 所示。其中，煙絲、煙梗顆粒密度分別為223.0，369.7 kg/m3，以尺寸3 mm 進行網(wǎng)格劃分，最終浮選腔劃分網(wǎng)格125 222 個。內(nèi)壁材料與腔內(nèi)顆粒的屬性和相互作用系數(shù)分別如表1、表2 所示。最后，通過耦合程序?qū)luent 和EDEM 軟件進行耦合。

圖5 顆粒模型Fig.5 Particle model

表1 材料屬性Tab.1 Material property

表2 相互作用系數(shù)Tab.2 Interaction coefficients

3.3 不同角度擋風塊的浮選腔流場分析

真空浮選腔內(nèi)煙絲、煙梗顆粒的運動狀態(tài)是由流場在腔內(nèi)的分布決定的[15]。通過EDEMFluent 耦合仿真后，可以利用Fluent 軟件對4 種不同角度擋風塊的浮選腔仿真過程中的流域變化進行分析研究。利用軟件中Surface 工具截出浮選腔中間位置的一個X 方向平面，對比4 種不同角度擋風塊的浮選腔中間平面上的X 速度分布圖的優(yōu)劣，綜合考慮可選出最適合懸浮分離的浮選腔擋風塊類型。

4 種不同擋風塊角度的浮選腔X 截面速度圖如圖6 所示。在圖6（a），30°擋風塊浮選腔X 速度圖中，在中部和上部擋風塊附近的速度旋渦明顯與腔內(nèi)其他區(qū)域的速度旋渦分離，形成了高度集中的2 個小型速度旋渦，當腔內(nèi)的顆粒運動到該擋風塊附近時，這種高速旋渦能夠?qū)⒅亓?、懸浮速度不同的兩種顆粒進行二次分離，從而使浮選腔的分離效果更好；在6（b）、6（c）、6（d）中，中部和上部的擋風塊形成的速度旋渦均被其他區(qū)域的速度旋渦影響，從而混合在一起，對于質(zhì)量、懸浮速度差異較小的顆粒，不能進行有效的分離。

圖6 4 種不同角度擋風塊浮選腔X 速度圖Fig.6 X-velocity diagram of flotation chamber of four different angle windshields

4 種不同角度擋風塊流場跡線圖如圖7 所示。由圖7（a）可明顯看出，在30°擋風塊的浮選腔內(nèi)，中部和上部擋塊間靠近擋風塊區(qū)域的流場跡線顏色較深，速度較大，而中間流道流場跡線顏色較淺，速度較小，流域的速度層次明顯，容易將腔內(nèi)的不同顆粒進行有效分離。而在其他角度擋風塊的腔內(nèi)流域中，擋風塊附近的流場跡線沒有明顯速度差異，且速度大小的種類沒有30°擋風塊流域豐富，很可能造成顆粒還未分離就被氣流帶出懸浮腔的情況。綜合比較認為30°擋風塊浮選腔的方案能更徹底地分離煙絲和煙梗顆粒。

圖7 4 種不同角度擋風塊流場跡線圖Fig.7 Flow field trace of four different angles of windshield

3.4 4 種擋風塊腔內(nèi)顆粒的統(tǒng)計分析

耦合仿真過程中，為了更能直觀地看出每種擋風塊方案在腔體豎直氣流中分離效果的差異，利用EnSight 軟件分別對EDEM-Fluent 耦合仿真過程中梗絲分離的煙絲和煙梗顆粒數(shù)量進行統(tǒng)計，為便于得出實驗結(jié)果，設置出料口及落料口為統(tǒng)計區(qū)域，如圖8 所示。對4 種不同角度擋風塊浮選腔分別進行10 次分離仿真實驗，每次投入顆粒數(shù)增加100，為確保浮選腔內(nèi)充滿負壓，待耦合仿真開始一段時間后，統(tǒng)計投入顆粒到仿真結(jié)束時間內(nèi)出料口及落料口的煙絲、煙梗顆粒數(shù)量，計算出分離效率，結(jié)果如表3 所示。

圖8 顆粒數(shù)量統(tǒng)計區(qū)域Fig.8 Particle count area

表3 三角形型、半圓形型、梯形型裝置分離效率Tab.3 Triangular,semicircular,and trapezoidal device separation efficiency

10 次統(tǒng)計結(jié)果表明，每次投入顆粒之后，4 種不同角度的擋風塊浮選腔分離效率不同，其中分離效率由高到低依次為30°擋風塊浮選腔、60°擋風塊浮選腔、90°擋風塊浮選腔和45°擋風塊浮選腔。該統(tǒng)計結(jié)果與之前的仿真分析結(jié)果吻合。

4 結(jié)論

基于EDEM-Fluent 耦合技術(shù)，建立形態(tài)更接近于實物的煙絲、煙梗顆粒模型，在-1.2 kPa 仿真條件下，對浮選腔在不同角度擋風塊下的梗絲分離進行耦合仿真，并對顆粒的分離效率進行了計算分析，分析數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較表明：30°擋風塊的浮選腔內(nèi)流場分布和速度分布更合理，更有利于顆粒的二次分離；當分離負壓為-1.2kPa時，30°擋風塊裝置是浮選腔梗絲分離最好的選擇；30°浮選腔的分離效率高于45°，60°，90°的擋風塊浮選腔；針對煙絲、煙梗的分離模型，EDEM-Fluent 的耦合仿真研究對實際的梗絲篩選提供了一定參考。