新型淘析器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬

新型淘析器內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)值模擬與工業(yè)應(yīng)用摘要：采用FLUENT6.2提供的標(biāo)準(zhǔn)^一^模型和隨機(jī)軌道模型對(duì)新型慣性撞擊式淘析器內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬研究，預(yù)測(cè)了不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度分布。模擬結(jié)果表明：通過(guò)在淘析區(qū)加入格柵板，使大顆粒在器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)路徑變長(zhǎng)，顆粒與格柵間的碰撞作用促進(jìn)了粘附在粗顆粒表面上細(xì)粉的分離；加長(zhǎng)對(duì)流段有利于提高粒料中離散的細(xì)粉塵的分離。工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。工業(yè)應(yīng)用的結(jié)果表明：設(shè)備投入運(yùn)行后，除塵風(fēng)機(jī)的能力得到發(fā)揮，沒(méi)有發(fā)生堵料、不下料的狀況，設(shè)備的除塵能力明顯較以前增強(qiáng)，出廠產(chǎn)品的外觀質(zhì)量得到根本改善。關(guān)鍵詞：淘析器；兩相流；FLUENT；數(shù)值模擬；工業(yè)應(yīng)用NumericalSimulationofParticleMovingBehaviorinElutriatorHeJiaqiang(SINOPECQiluBranchCompanyPlasticsComplex,Zibo255410,China)Abstract:TheparticlemovingpathsinanewtypeelutriatorhadbeensimulatedbasedonthestandardidodelandStochasticTrackingmodelprovidedbyFLUENT6.2.16.Themovingpathsandvelocitydistributionoftwosizeparticleswerepredicted.Thenumericalsimulationresultsshowedthatthetravelingdistancesoflargeparticlesinthenewelutriatorbecomelongerthantheoldelutriatorwithoutguidedgridtrays,whichenhancetheseparationoffineandcoarseparticles.Thecollisionimpactforceofgridtolargeparticlescausethefinedustadheredonthesurfaceofcoarseparticlesdetachedfinallyandherebygetatop-qualitygranularproduct.Thisnumericalsimulationresultshadbeenprovedbyindustrialscaletest.Keywords:elutriatortwo-phaseflowFLUENT；numericalsimulationindustrialapplication淘析器是一種粒料分級(jí)設(shè)備，主要用于顆粒產(chǎn)品中纖維粉塵的分離。其工作原理是：利用各區(qū)域氣固兩相存在的速度差，在氣體對(duì)固體表面的剪切作用下將附著在粒料表面的細(xì)粉塵分離。淘析器由加速段、對(duì)流段和淘析區(qū)組成。在加速段中進(jìn)料口 ■司■進(jìn)氣口AN5加料段 「加速段I加速段II對(duì)流分離段出料口N4進(jìn)料口 ■司■進(jìn)氣口AN5加料段 「加速段I加速段II對(duì)流分離段出料口N4圖1改進(jìn)型淘析器結(jié)構(gòu)Fig.1Thestructureoftheimprovedelutriator上述形式的淘析器在實(shí)際應(yīng)用中存在粒料產(chǎn)品中的細(xì)粉脫除不徹」底，以及細(xì)粉中含有少量粒料的問(wèn)題本文所研究的慣性撞擊式淘析器，如圖1所示，在原淘析器的基礎(chǔ)上，加長(zhǎng)了對(duì)流段的長(zhǎng)度，在對(duì)流區(qū)封-裝了內(nèi)筒，并在淘析區(qū)加裝了兩層格㈱］使上述問(wèn)題得到解決，工業(yè)應(yīng)用取得了良好的效果。為了深入了解慣性撞擊式淘析器內(nèi)粗細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng)與分離規(guī)利，用FLUENT6.2提供的標(biāo)準(zhǔn)1^—^模型和隨機(jī)軌道模型對(duì)改進(jìn)型淘析器內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬研究，分析了影響分離性能的結(jié)構(gòu)因素，進(jìn)行了設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為工業(yè)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。1數(shù)學(xué)模型1.1氣相控制方程由于淘析器內(nèi)氣相流動(dòng)基本呈各向同性無(wú)強(qiáng)旋流故可選用標(biāo)準(zhǔn)

K-8模型模擬其氣相流場(chǎng)。當(dāng)流動(dòng)為不可壓縮，且不考慮自定義的源項(xiàng)時(shí)，標(biāo)淮8模型的湍動(dòng)能和耗散率方程為2］：湍動(dòng)能K方程：d(pd(pk)d(pku)+idt dxiadx.+Gk-P8湍動(dòng)能耗散率8方程:d(P8)dd(P8)d(P8u)

—_+ ——r-dtd_dx dxi j根據(jù)Launder推薦值及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證1.2顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡方程空dxj」C8 82 一k2+T式中湍動(dòng)粘度f(wàn)=pC丁各模型常數(shù)取值為C1￡=1.44，C2￡=1.92，C「0.09,氣=1.0,區(qū)=1.3【3］固體顆粒在淘析器中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受外力包括：氣體曳力、重力、浮力、附加質(zhì)量力asse力、Magnus升力和Saffman升力等。由于顆粒粒徑較大、濃度較低，顆粒所受的流體曳力是最主要的，因此本文忽略了附加質(zhì)量力、Basset力和Magnus升力。在拉氏坐標(biāo)系下，隨機(jī)軌道模型中建立的瞬態(tài)顆粒動(dòng)量方1方向）如下［4-5：du——p

dtdu——p

dt=Fd(u-叩+￡(P—P)-P-PP式中，總曳力為f式中，總曳力為fd曳力系數(shù)為18日CRpd224pp24 bR=—(1+氣Rb2)+b3re 4e=exp(2.3288-6.4581?+2.4486^2)=0.0964+0.5565?b3=exp(4.905-13.8944?+18.4222?2-10.2599?3)=exp(1.4681+12.2584?-HaiderandLevenspi取的形狀因子定義為?=s/S式中，s為與粒子有相同體積球體的表面積S為粒子的實(shí)際表面積。2數(shù)值模擬2.1物理模型建立與網(wǎng)格劃分利用GAMBIT建立了淘析器的幾何模型模型的結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，在流場(chǎng)相對(duì)復(fù)雜的格柵處，進(jìn)行了網(wǎng)格的局部加密共劃分了26.7萬(wàn)個(gè)非均勻的六面體網(wǎng)格和3.8萬(wàn)個(gè)四面體網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格離散后的設(shè)備物理模型如圖所示。2.2定義邊界條件入口邊界條件入口氣流為常溫狀態(tài)的空氣入口處氣流速度采用平均速度湍動(dòng)能k和耗散率￡通過(guò)湍流強(qiáng)度/和水力直徑Oh間接給出，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為-9:3 K1.5 _ 1K=212U2，￡=--—,I=u?/u=0.16(Re)-8h出口邊界條件出口設(shè)為流動(dòng)充分發(fā)展的壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面邊界條件壁面處采用無(wú)滑移邊界條件，在壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù) 圖2模型網(wǎng)格圖Fig.2Fig.2Thephysicalmodelaftermeshing(4)進(jìn)料邊界條件加料方式采用面加料，進(jìn)料量為粒徑1mm^粒0.01kgs-1，粒徑2mm^粒0.5kgs-1。2.3差分格式選擇控制方程組采用有限體積法離散求解。差分格式采用二階迎風(fēng)，代數(shù)方程組采用分離隱式求解方法，用SIMPLE算法求解壓力耦合方程組，考慮顆粒與流體之間、顆粒與湍能之間的四向耦合。3結(jié)果分析與討論針對(duì)要處理的聚乙烯樹(shù)脂粒料的粒徑分布特點(diǎn)，本文主要研究了兩種代表性粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)行為，以直徑0.1mm球形顆粒代表細(xì)粉塵，以直徑mm球形顆粒代表成品粒料。3.1顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬計(jì)算中投"mm顆粒100個(gè)，圖3示出了幾種代表性的顆粒軌跡圖。顆粒從進(jìn)料口加入，大部分的2mm顆粒豎直下落撞到格柵上后在柵板間進(jìn)行兩次彈性碰撞使其表面粘附的細(xì)顆粒得到振動(dòng)分離，大顆粒落入淘析區(qū)，如(a)圖所示。可以看出，大顆粒經(jīng)氣流加速至一定速度后，慣性是主導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要因素，淘析區(qū)流場(chǎng)對(duì)其影響不大。一部分顆粒撞在有一定厚度的柵板上緣，發(fā)生反彈，至對(duì)流分離區(qū)甚至加速段，然后被下沖氣流再次加速，與格柵進(jìn)行二次碰撞，如勵(lì)所示；或者在格柵與淘析區(qū)上壁間反彈，如圖c)、《)所示。還有的在反彈過(guò)程中遇到下降顆粒，發(fā)生彈性碰撞后折回淘析區(qū)，如圖(e)所示。囹^所示的顆粒多次反彈至加速段或者對(duì)流區(qū)環(huán)隙，如果沒(méi)有套筒的阻擋，有可能會(huì)從出氣口溢出，所以，在對(duì)流區(qū)封裝套筒，是避免大顆粒溢出的關(guān)鍵所在圖(g)顯示了本次模擬中運(yùn)動(dòng)路線最復(fù)雜的顆粒。它受湍動(dòng)氣流的影響，在淘析區(qū)和對(duì)流分離區(qū)進(jìn)行多次碰撞折回運(yùn)動(dòng)，最終仍然落回淘析區(qū)，得到分離。這說(shuō)明，引入格柵的慣性撞擊式淘析器雖會(huì)導(dǎo)致部分顆粒反彈，但合理設(shè)計(jì)后可以很好地避免大顆粒的溢出。格柵的加入增加了粒料在器內(nèi)的停留時(shí)間，通過(guò)碰撞作用使顆粒表面未被淘析干凈的細(xì)粉塵得到振動(dòng)分離。圖4示出了0.1mm顆粒在淘析器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。由FLUENT內(nèi)缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，模擬過(guò)程沒(méi)有考慮顆粒之間粘附的問(wèn)題，本文只模擬了離散的細(xì)粉塵可以看出，絕大部分0.1mm顆粒在對(duì)流分離區(qū)得到了分離，因小顆粒慣性小，更易受氣流湍動(dòng)的影響，其運(yùn)動(dòng)軌跡有較強(qiáng)的隨機(jī)性°i：圖(濕示，有的小顆粒受聚壁效應(yīng)影響而貼壁運(yùn)動(dòng)；由圖)可看出，部分小顆粒受出口強(qiáng)旋氣流影響，在出氣口附近旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后流出器外；圖m)、(n)顯示，有的小顆粒被大顆粒流夾帶會(huì)下沖到對(duì)流段下緣甚至淘析函析區(qū)

氣速較低，對(duì)細(xì)粉塵的分離能力有限。通過(guò)增加對(duì)流段長(zhǎng)度，擴(kuò)大了對(duì)流分離區(qū)，避免小顆粒進(jìn)入淘析區(qū)。加裝格柵板，規(guī)整了淘析區(qū)內(nèi)流場(chǎng)，規(guī)范了小顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑，二者結(jié)合，促進(jìn)了細(xì)粉塵的分離。(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)圖32mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3Thetrackof2mmparticles(h) ⑴ (j) (k)(l) (m) (n)圖40.1mm顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4Thetrackof0.1mmparticles3.2顆粒速度分布圖5（a）為大部分的2mm顆粒在淘析器內(nèi)的速度分布曲線。顆粒在加料段自由下落約7秒后進(jìn)入加速段，受上進(jìn)氣口氣流加速，速度迅速增至3m/s,產(chǎn)生了一個(gè)速度峰值。爾后顆粒進(jìn)入擴(kuò)壓段，顆粒速度值在反復(fù)振蕩中緩慢減小到8m/s,這是下沖氣流強(qiáng)烈湍動(dòng)和靜壓增大共同作用的結(jié)果。在對(duì)流分離段，顆粒受上沖氣流作用，速度迅速降至2m/s，繼而進(jìn)入淘析區(qū)，產(chǎn)生一個(gè)平緩的速度小峰。顆粒在0.53秒時(shí)與格柵相撞，經(jīng)過(guò)對(duì)兩層格柵的兩次撞擊后，在6秒時(shí)就從出料口排出器外。圖;（b）為打到格柵上緣發(fā)生反彈的顆粒速度變化曲線示例。顆粒反彈至格柵與淘析區(qū)上壁間后，再次進(jìn)入擴(kuò)壓區(qū)，進(jìn)行了多次碰撞，停留時(shí)間也增加至1.3秒，這更有利于其表面的細(xì)粉塵在反復(fù)振動(dòng)中脫落分離。圖6給出了0.1mm顆粒速度分布曲線示例。如圖（a）所示，細(xì)粉塵在進(jìn)料段自由下落.34秒后，被氣流加速，速度迅速增至21m/s,經(jīng)擴(kuò)壓段逐漸減速至17m/s,受上沖氣流減速，在0.4秒時(shí)速度減至1m/s。顆粒隨氣流翻轉(zhuǎn)進(jìn)入對(duì)流分離段環(huán)隙，與環(huán)隙頂部器壁撞擊，同時(shí)受出口返混氣流作用，在環(huán)隙內(nèi)振蕩運(yùn)動(dòng)，最后以17m/s的速度隨氣流排出器外。圖）（b）中顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡與圖5（a）基本一致，不同的是，在

擴(kuò)壓段受大顆粒碰撞，減速明顯；在出氣口附近，撞到器壁上，最后以m/s的速度排出器外。小顆粒受氣流湍動(dòng)影響顯著，運(yùn)動(dòng)軌跡有較大的隨機(jī)性，但其速度分布基本一致。(a) (b)圖52mm顆粒速度分布曲線Fig.5Thevelocitydistributionof2mmparticles圖60.1mm顆粒速度分布曲線Fig.6Thevelocitydistributionof0.1mmparticles3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算模型具有相同尺寸，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了不同的進(jìn)氣速度和加料量，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后取得了最優(yōu)操作條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：原淘析器處理的產(chǎn)品中細(xì)粉塵含量為11%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)），改進(jìn)型淘析器處理后的粒料中，細(xì)粉塵含量小于.001%，細(xì)粉塵中不再含有大顆粒。在光學(xué)顯微鏡下，產(chǎn)品物料的外觀效果照片如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)前的物料Particlestobeelutriated經(jīng)原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat?圖7實(shí)驗(yàn)前的物料Particlestobeelutriated經(jīng)原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat?圖7物料外觀效果圖?經(jīng)改進(jìn)型淘析器處理的物料Productofimprovedelutriator■g.wwfflipwfimieippiifflc^?由此可以驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)論一致，加長(zhǎng)對(duì)流段、引入格柵的改進(jìn)措施可以很好的促進(jìn)細(xì)粉塵的分離。4工業(yè)應(yīng)用結(jié)果新型淘析器已安裝投入使用，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的考核，該設(shè)備投入運(yùn)行后，除塵風(fēng)機(jī)的能力得到發(fā)揮，包裝過(guò)程中淘析器運(yùn)行穩(wěn)定，沒(méi)有發(fā)生堵料、不下料的狀況，設(shè)備的除塵能力明顯較以前增強(qiáng)，出廠產(chǎn)品的外觀質(zhì)量得到根本改善。沒(méi)有改造前，使用舊淘析器除塵，除塵風(fēng)機(jī)的出口閥門僅能開(kāi)到五分之一，如果再開(kāi)大出口閥門，部分粒料就會(huì)被吹落到粉塵收集器中除塵風(fēng)機(jī)的能力得不到有效發(fā)揮除塵的長(zhǎng)度一般帶mm左右；20mm的粉塵堆積在除塵器的環(huán)形下料口，出現(xiàn)堵料、不下料現(xiàn)象；除塵能力^兒每天包裝能力550t計(jì)算，每天除塵55kg，除塵能力低。淘析器改造后，除塵風(fēng)機(jī)的下風(fēng)口降低了.5m,避免了開(kāi)大風(fēng)機(jī)出口閥時(shí)，部分粒料就會(huì)被吹落到粉塵收集器的現(xiàn)象。除塵風(fēng)機(jī)的出口閥門現(xiàn)在可以開(kāi)到二分之一，除塵風(fēng)機(jī)的能力得到了有效發(fā)揮；除塵的長(zhǎng)度最大200mm除塵器的環(huán)形下料口間距曲0mm改為500mm,堵料、不下料現(xiàn)象得到了改善;除塵能力0.5kg/t,每天包裝能力550t計(jì)算，每天除塵275kg除塵能力大大提高。5結(jié)論在對(duì)流區(qū)加接套筒，是解決大顆粒溢出問(wèn)題的關(guān)鍵所在適當(dāng)增加對(duì)流段長(zhǎng)度，有利于提高細(xì)粉塵的分離效率。在淘析區(qū)加入格柵，增加了粒料的停留時(shí)間，碰撞作用加強(qiáng)了粘附在粒料表面細(xì)粉塵的分離。工業(yè)規(guī)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果說(shuō)明通過(guò)數(shù)值模擬能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)淘析器內(nèi)的流場(chǎng)分布和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用，對(duì)淘析器的進(jìn)一步研究有重要的參考價(jià)值。工業(yè)應(yīng)用的結(jié)果表明:設(shè)備投入運(yùn)行后，除塵風(fēng)機(jī)的能力得到發(fā)揮，沒(méi)有發(fā)生堵料、不下料的狀況，設(shè)備的除塵能力明顯較以前增強(qiáng)，出廠產(chǎn)品的外觀質(zhì)量得到根本改善。符號(hào)說(shuō)明CDdpCDdpDhFdRe

t

u

n曳力系數(shù)u 顆粒速度，m?s-1顆粒直徑，m_pu 速度時(shí)均值，m-s-1-水力直徑，m8—流耗散率，m2.s-3總曳力，kg-m-s-