寧壯壯,王曉峰,侯國明,趙 航

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710021)

0 引 言

近年來,金屬增材制造技術(shù)在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了大力推廣,并已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分[1]。

金屬增材制造采用金屬粉末為原材料,要求使用的金屬粉末具有粒度小(一般為15 μm～53 μm,53 μm～150 μm兩個區(qū)間)、粒度分布較集中、純凈度較好、近球形的特點(diǎn)[2-3]。金屬粉末生產(chǎn)主要采用氣霧化制粉設(shè)備,但是該設(shè)備采用的分離器收集粉末的性能較差,同時其分級效率也較低,無法滿足金屬增材制造的粉末粒度要求。

旋風(fēng)分離器是用于氣固體系或液固體系分離的一種生產(chǎn)設(shè)備,其主要優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部無構(gòu)件、結(jié)構(gòu)相對簡單、生產(chǎn)效率高、設(shè)備管理維修較為方便、成本低、適用于捕集粒徑為5 μm～10 μm以上的粉塵顆粒,且可以在高溫、高壓的條件下穩(wěn)定工作[4-5]。

吳靈輝[6]采用數(shù)值模擬和實(shí)物實(shí)驗(yàn)的方法,對折角入口、圓臺出口和直筒型旋風(fēng)分離器的性能進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)分離器效率要低于倒圓臺,分離效率大約低了2%;但該研究并未對旋風(fēng)分離器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。王孝全等人[7]采用軟件仿真和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,定性分析了排氣管插入深度和直徑對旋風(fēng)分離器性能的影響,發(fā)現(xiàn)了壓降和分離效率隨著排氣管插入深度的增加先上升再下降,分離效率的最大值為98.2%;但其并未對旋風(fēng)分離器的粒徑分布情況以及分級效率進(jìn)行研究。董敏等人[8]采用數(shù)值模擬的方法,在不同操作條件下,對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)入口濃度為定值時,隨其入口速度的增大,其分離效率和壓降都會增加,且在入口速度一定時,隨入口濃度的增大,兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的總分離效率減小,總壓降增大;但其并未對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及分級效率等其他性能參數(shù)進(jìn)行研究。劉楊等人[9]采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對一種用于氣霧化制粉設(shè)備的組合式分離器開展了高溫合金粉末分離性能研究,進(jìn)行了初步粗細(xì)顆粒分級分離;但其并未研究分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對旋風(fēng)分離器性能的影響。

筆者采用CFD模擬仿真技術(shù)[10],通過對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的連接管道、入口形狀和錐體長度進(jìn)行模擬計(jì)算,研究旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場分布以及不同粒徑物料的分離效率,得到這些參數(shù)對旋風(fēng)分離器性能的影響規(guī)律,探討影響旋風(fēng)分離器分離效率的因素。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 幾何模型

旋風(fēng)分離器幾何圖和測量截面如圖1所示。

圖1 旋風(fēng)分離器幾何圖和測量截面

此處筆者以兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器為研究對象,主要研究不同連接管道直徑變化,對旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流場及分離性能的影響。

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)表如表1所示。

表1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)表 單位:mm

1.2 計(jì)算模型

由于旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場是三維強(qiáng)旋流流動,此處的氣相域采用N-S方程,應(yīng)力輸運(yùn)方程采用雷諾應(yīng)力模型進(jìn)行求解。其基本方程分別如下:

1)連續(xù)性方程:

(1)

2)動量方程:

(2)

3)雷諾應(yīng)力模型輸運(yùn)方程:

(3)

4)離散相模型

粉末顆粒在氣流的帶動下運(yùn)動,由牛頓第二定律可得固體顆粒在拉格朗日坐標(biāo)下的軌跡運(yùn)動方程為:

(4)

式中:mP為顆粒質(zhì)量;uP為顆粒速度;FD為顆粒阻力;FG為顆粒重力;FB為顆粒浮力;Fvm為附加質(zhì)量力;FP為壓力梯度力;Fco為旋轉(zhuǎn)科氏力;Fcent為離心力[11]。

1.3 邊界條件及差分格式

邊界條件及差分格式如下:

1)氣相入口為常溫常壓氬氣。根據(jù)氣霧化制粉工況,平均氬氣流量為730 m3/h,根據(jù)入口尺寸,計(jì)算出平均入口流速為21 m/s,湍流強(qiáng)度為3.6%,水力直徑93 mm。固相為鐵基合金顆粒,速度與氣相一致,密度8 030 kg/m3,質(zhì)量流率0.01 kg/s;

2)入口處邊界條件設(shè)置為速度入口(velocity inlet),排氣口邊界條件設(shè)置為壓力出口(stress outflow);

3)壁面邊界采用無滑移邊界條件、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理邊界湍流[12]。排氣口、收集口分別設(shè)置為逃逸和捕捉,其余壁面均設(shè)置為反彈,碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.9;

4)采用SIMPLEC算法,壓力插補(bǔ)格式采用PRESTO格式,動量離散格式選用QUICK,雷諾應(yīng)力離散格式選用一階迎風(fēng),湍動能和湍流耗散率離散格式選用二階迎風(fēng)[13]。

2 制粉實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證選取的數(shù)值模擬模型及邊界條件的可靠性,筆者進(jìn)行了制粉實(shí)驗(yàn)。

真空感應(yīng)熔煉氣霧化裝置如圖2所示。

圖2 真空感應(yīng)熔煉氣霧化裝置

筆者采用真空感應(yīng)熔煉氣霧化設(shè)備(10 kg)制備金屬粉末。此處霧化實(shí)驗(yàn)采用的原材料為316H不銹鋼,霧化氣體為氬氣,選定霧化壓力為6 MPa,熔體過熱度為200 ℃。

實(shí)驗(yàn)流程如下:

1)對系統(tǒng)抽真空,然后進(jìn)行熔煉霧化合金,熔煉后的金屬熔液在氣流的負(fù)壓抽吸及重力作用下流出,后經(jīng)霧化器流出的高壓、高速、高純氬氣沖擊金屬熔體,使金屬熔體一次破碎形成金屬帶,霧化氣體繼續(xù)作用于金屬帶上,使金屬帶再次斷裂破碎,形成小的金屬液滴;

2)在表面張力作用下,金屬液滴開始球形化,并逐漸凝固成金屬粉末。粉末落入收粉系統(tǒng),經(jīng)氬氣快速冷吹,通過旋風(fēng)分離器將粉末送入收粉罐,氣體經(jīng)過過濾器除塵后排出;

3)收集C1和C2分離器內(nèi)的金屬粉末,利用Bettersize2000型激光粒度分析儀,對收集的金屬粉末進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)粉末大部分被C1分離器收集,C2分離器內(nèi)僅有少量細(xì)粉(25 μm以下)。

顆粒粒度分布如圖3所示。

圖3 顆粒粒度分布

筆者采用相同比例的各粒徑微粒進(jìn)行了數(shù)值模擬,并把數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,得到了分離效率的對比結(jié)果,如圖4所示。

圖4 分離效率對比圖

由圖4可知:模擬值與實(shí)驗(yàn)值數(shù)據(jù)基本吻合,說明上述計(jì)算模型可以有效地預(yù)測分離器分離效率及內(nèi)部流場情況,具有很高的可靠性。

3 結(jié)果與分析

3.1 連接管道直徑對切向速度的影響

氣流切向速度是影響最大的速度分量,切向速度越大,對顆粒產(chǎn)生的切向曳力也越大,帶動顆粒在分離器內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下與分離器內(nèi)壁發(fā)生接觸減速,最終達(dá)到分離的目的。

6組分離器的切向速度分布云圖如圖5所示。

圖5 6組分離器的切向速度分布云圖

從圖5中可以看出:兩級旋風(fēng)分離器的切向速度分布都是蘭金渦結(jié)構(gòu),外部為準(zhǔn)自由渦,內(nèi)部為準(zhǔn)強(qiáng)制渦[14]。

6組分離器的渦核下部擺動基本相同,說明連接管道直徑變化不會對渦核擺動幅度產(chǎn)生影響。隨著連接管道直徑的增加,C1分離器切向速度的最大值向壁面移動,數(shù)值減小;前5組的C2分離器切向速度曲線分布基本一致,d=170 mm時,切向速度的數(shù)值明顯減小。

上述結(jié)果說明:連接管道直徑對C1分離器切向速度分布影響較大,對C2分離器切向速度分布影響較小。

3.2 渦核區(qū)域的影響

對于旋風(fēng)分離器而言,通過理解其內(nèi)部流動過程中渦的運(yùn)動趨勢,可以更好地理解旋風(fēng)分離器內(nèi)的能量損失和流體流動[15]。GAO Z W等人[16]利用Q準(zhǔn)則對旋風(fēng)分離器進(jìn)行等渦面的識別。

基于Q準(zhǔn)則的渦等值面云圖如圖6所示。

圖6 基于Q準(zhǔn)則的渦等值面云圖

由圖6可知:渦的運(yùn)動基本一致,隨著連接管道直徑的增加,C1分離器渦核的當(dāng)量直徑不斷增加,能量損失減小;而C2分離器渦核的當(dāng)量直徑基本不變。

3.3 連接管道直徑對分離效率等的影響

壓降、分離效率和切割粒徑是評價(jià)旋風(fēng)分離器性能的3個重要參數(shù)。

壓降代表能量消耗,用旋風(fēng)分離器進(jìn)出口壓力差來表示;分離效率代表顆粒收集效果[17],其計(jì)算公式如下:

(5)

式中:η為分離效率;m為分離后各粒徑物料的質(zhì)量;m0為分離前各粒徑物料的質(zhì)量。

切割粒徑代表兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器分級效果,用C2分離器收集效率為90%時對應(yīng)的顆粒粒徑來表示。

6組分離器壓降、分離效率和切割粒徑如圖7所示。

圖7 6組分離器壓降、分離效率和切割粒徑

由圖7(a)可知:壓降隨連接管道直徑的增大逐漸降低,這是因?yàn)榍邢蛩俣仍酱?需要越多的靜壓轉(zhuǎn)變成動壓來維持[18]。

由圖7(b)可知:6組旋風(fēng)分離器都可以完全收集5 μm以上的顆粒,旋風(fēng)分離器的分離效率隨連接管道直徑的增加先升高再降低;當(dāng)d=130 mm時,旋風(fēng)分離器的分離效率最高,當(dāng)d=170 mm時,旋風(fēng)分離器的分離效率最低。

由圖7(c)可知:隨著旋風(fēng)分離器連接管道直徑的增加,其切割粒徑逐漸增加。

4 其他參數(shù)對旋風(fēng)分離器的影響

4.1 入口形狀

筆者選用d=110 mm的旋風(fēng)分離器模型,并在其他參數(shù)不變的前提下,保持入口截面面積一定,對入口形狀進(jìn)行改進(jìn),將入口形狀設(shè)計(jì)為梯形、圓形及矩形,分析其對旋風(fēng)分離器性能的影響。

5種入口形狀尺寸表如表2所示。

表2 5種入口形狀尺寸表

4.1.1 對流場的影響

5種入口形狀的切向速度曲線圖如圖8所示(Z/R為相對徑向位置,下同)。

圖8 5種入口形狀的旋風(fēng)分離器切向速度曲線圖

由圖8(a)可以看出:5種入口結(jié)構(gòu)的切向速度曲線圖基本一致,但入口結(jié)構(gòu)形狀的改變對旋風(fēng)分離器有一定的影響,C1分離器中圓形A的切向速度最小,矩形E的切向速度最大。

由圖8(b)可以看出:C2分離器中矩形D的切向速度最小,等腰梯形B的切向速度最大,整體變化幅度不大。

總體而言,當(dāng)入口形狀發(fā)生改變時,對C1分離器有較大的影響,對C2分離器影響較小。

4.1.2 對分離性能的影響

5種入口形狀壓降、分離效率和切割粒徑如圖9所示。

圖9 5種入口形狀的旋風(fēng)分離器壓降、分離效率和切割粒徑

由圖9(a)可以看出:圓形A的壓降大于等腰梯形B的壓降,矩形C的壓降最小,并且隨著矩形高寬比的增加,壓降逐漸升高。

由圖9(b)可以看出:圓形A的分離效率最高,隨著矩形長寬比的增加,分離效率逐漸降低。

由圖9(c)可以看出:等腰梯形B的切割粒徑大于圓形A的切割粒徑,矩形C的切割粒徑最小,隨著矩形高寬比的增加,其切割粒徑逐漸增加。

4.2 錐體長度

筆者選用d=110 mm,入口形狀為等腰梯形B的旋風(fēng)分離器模型,在保持其他參數(shù)一定的前提下,通過改變C1和C2分離器的錐體長度,分析其對旋風(fēng)分離器性能的影響。

錐體長度尺寸表如表3所示。

表3 錐體長度尺寸表

4.2.1 對流場的影響

6種方案切向速度曲線圖如圖10所示。

圖10 6種方案切向速度曲線圖

圖10(a)中:C1分離器6種方案的旋風(fēng)分離器切向速度基本一致,切向速度大小相差不大,最大相差4.5 m/s。

圖10(b)中:C2分離器在靠近壁面處,切向速度隨錐體長度的增加而升高,在靠近中間位置時,切向速度大小基本相同。

因此,從圖10中可以看出,錐體長度的改變對旋風(fēng)分離器切向速度的影響不大。

4.2.2 對分離性能的影響

6種方案壓降、分離效率和切割粒徑如圖11所示。

圖11 6種方案壓降、分離效率和切割粒徑

由圖11(a)可知:旋風(fēng)分離器壓降值隨錐體長度的增加而逐漸減小,但其變化較小,壓降值最大相差400 Pa。

由圖11(b)可知:隨著錐體長度的增加,旋風(fēng)分離器分離效率先升高后降低,采用方案3時,分離效率最高。

由圖11(c)可知:隨著錐體長度的增加,旋風(fēng)分離器的切割粒徑逐漸降低。

5 結(jié)束語

筆者首先進(jìn)行了制粉實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算流體模擬軟件(CFD)模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性,然后,采用雷諾應(yīng)力湍流模型和離散相模型分別對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的連接管道直徑、入口形狀和錐體長度進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

研究結(jié)果如下:

1)連接管道直徑的改變不會對渦核擺動幅度產(chǎn)生影響,但可以控制C1分離器渦核直徑的大小,隨著連接管道直徑增大,C1分離器渦核當(dāng)量直徑增加;但對C2分離器基本無影響;

2)壓降隨著連接管道直徑的增加而減小。隨著連接管道直徑增大,分離效率先升高再降低,d=130 mm時,旋風(fēng)分離器的分離效率最高。旋風(fēng)分離器的切割粒徑隨其連接管道的增加而逐漸增加;

3)入口形狀的改變對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的分離性能產(chǎn)生影響。圓形A的分離效率最高;隨著矩形長寬比的增加,壓降增大、分離效率降低、切割粒徑增加;

4)錐體長度的改變對兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器的切向速度和壓降值影響較小。隨著錐體長度的增加,旋風(fēng)分離器分離效率先升高后降低,采用方案3時分離效率最高;切割粒徑逐漸降低。

筆者采用CFD軟件研究了兩級串聯(lián)旋風(fēng)分離器各參數(shù)的影響規(guī)律。在今后的研究工作中,筆者將進(jìn)一步對旋風(fēng)分離器進(jìn)行優(yōu)化,以設(shè)計(jì)出分離分級精度更高的旋風(fēng)分離器。