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| 非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬進展 |
| 來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時間：2014-11-24 11:27:56 瀏覽次數(shù)： |
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本文將調(diào)研非金屬礦領(lǐng)域粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的研究情況，給出其概貌。分析數(shù)值模擬在非金屬礦粉體加工中應(yīng)用推廣的必要性、國內(nèi)目前研究進展，總結(jié)非金屬礦粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的關(guān)鍵、存在困難和發(fā)展趨勢。
1、非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的必要性
非金屬礦粉體加工設(shè)備流場研究方法主要有理論分析、實驗和數(shù)值計算方法三類。但粉體加工設(shè)備內(nèi)部工作質(zhì)的多相（氣固兩相或液固兩相，甚至氣液固三相）和由結(jié)構(gòu)繁復(fù)（往往由多個部件構(gòu)成且形狀特殊）帶來流場流域邊界的復(fù)雜導(dǎo)致設(shè)備流場的流動流型極其復(fù)雜，理論分析難度大，要得到有實際意義的理論分析非常困難。而由于流場中粉體顆粒流場的存在使流場不透明，現(xiàn)代光學(xué)流場測量手段無法應(yīng)用，再加粉體流場的濃度不均、流型多樣且存在相互轉(zhuǎn)化、接觸式測量易堵塞磨損且會引入不宜忽略的測量干擾，所以其實驗測量難度較大，費用很高，而且實驗手段很難得到粉體設(shè)備流場物理量的細(xì)節(jié)分布和分析。
數(shù)值模擬方法具有一定的理論基礎(chǔ)、投資少、可重復(fù)性和可控制性等優(yōu)點，特別是近年來計算機硬件的飛速發(fā)展和計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的成熟進步，使得非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值計算研究的可行性大幅提高。所以，數(shù)值模擬成為粉體加工設(shè)備流場研究的重要方法，對認(rèn)識各具特性的粉體加工設(shè)備的工作原理以提高其加工效率和效果，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進等都具有極其重要意義。
2、非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的研究進展
非金屬礦粉體加工設(shè)備包括粉碎與分級、超細(xì)粉碎與精細(xì)分級、選礦與提純、表面改性、固液分離和干燥等類型，但目前引入數(shù)值模擬的類型包括粉碎、分級、表面改性、粉體輸送以及水泥爐窯等。離心選礦的數(shù)值模擬也已經(jīng)起步。
2.1超細(xì)粉碎與磨機方面的模擬進展
超細(xì)粉碎作為非金屬礦粉體深加工技術(shù)之一，對現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。隨著超細(xì)粉碎設(shè)備的日趨進步，國內(nèi)對超細(xì)粉碎及磨機的模擬研究呈逐漸增多的趨勢。
王瑞紅利用FLUENT軟件對準(zhǔn)直管磨料射流準(zhǔn)直管靜止不動、入口帶圓錐收斂段的直管磨料噴頭內(nèi)部等溫、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、液固湍流進行數(shù)值模擬。認(rèn)為噴頭混合室內(nèi)存在二個環(huán)形回流區(qū)。
楊軍瑞等利用FLUENT對氣流粉碎中獲取高速氣流的常規(guī)噴嘴與自行設(shè)計的新型環(huán)形復(fù)合噴嘴進行氣相數(shù)值模擬，認(rèn)為所設(shè)計新型噴嘴具有射流速度快、射流相對集中和射程遠(yuǎn)等優(yōu)點。
李翔等用Fluent對CXM型超細(xì)分級磨樣機風(fēng)口環(huán)進行氣相模擬，研究其結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)對粉碎區(qū)粉碎效果的影響。
張國旺等用CFX軟件對盤式、棒式、螺旋式三種攪拌器的超細(xì)立式攪拌磨機流場進行單一液相數(shù)值模擬，分析其速度梯度、剪切率、粘性耗散率等流場特性，認(rèn)為棒式攪拌磨機速度梯度大、應(yīng)力分布均勻和阻力較小的一種磨機。
紀(jì)鴻利用FLUENT軟件對實驗室用MINIZETA型臥式攪拌磨機進行單一液相流場模擬研究，得到磨機內(nèi)速度、壓力、能量分布呈“喇叭口”形狀的結(jié)論；也用EDEM軟件對磨機介質(zhì)顆粒的運動形態(tài)進行模擬嘗試。
2.2分級設(shè)備的模擬進展
目前，粉體分級設(shè)備的模擬研究涉及渦輪分級（含立磨選粉機）、渦流超細(xì)分級、氣力超細(xì)分級等設(shè)備。其中對渦輪分級機流場的數(shù)值模擬較多。
在渦輪分級方面，陳海焱等用FLUENT對渦輪分級機分級輪進行數(shù)值模擬，研究分級輪徑向速度和分級區(qū)流場分布。針對干法水泥生產(chǎn)線中使用的立磨選粉機（屬風(fēng)掃式渦輪選粉機）分級室，李進春 、童聰?shù)葘LK5500選粉機分級室腔體進行氣固兩相數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)改進實驗，研究結(jié)構(gòu)變化（不同葉片間距和安裝傾角）對分級區(qū)速度場的影響及其分級效率的變化規(guī)律。
綦海軍等也對渦輪式立磨選粉機內(nèi)的氣固兩相流場進行數(shù)值模擬和相關(guān)實驗，研究轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等操作參數(shù)對分級流場的影響，設(shè)計出SMG5500型立磨選粉機，用于水泥廠立磨節(jié)能改造。針對水泥粉磨系統(tǒng)中使用的O-Sepa選粉機，陳杰來等用FLUENT對其轉(zhuǎn)子底部4種不同結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，探究底部結(jié)構(gòu)對選粉機流場特性的影響。
在渦流分級方面，李雙躍、李洪等對平面渦流分級機的導(dǎo)流部分、密封部分和轉(zhuǎn)子部分進行數(shù)值分析，研究蝸殼與導(dǎo)風(fēng)葉對導(dǎo)流效果的影響、及分級機中存在的磨損現(xiàn)象。李進春等對渦流分級機葉片間氣固兩相流場進行數(shù)值模擬，設(shè)計一種“Z”型轉(zhuǎn)子葉片，并以葉片間的流場作為模型，討論不同前彎、后彎傾角下的流場規(guī)律。
楊慶良等用FLUENT對渦流分級機三維氣相流場進行數(shù)值模擬，同時采用激光多普勒測速儀對分級機葉片間流場進行測量，并對轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)改進后再行模擬。孫樹峰等對重質(zhì)碳酸鈣和石英在CF型渦流分級機不同轉(zhuǎn)速下進行氣固混合相數(shù)值模擬和分級實驗，研究轉(zhuǎn)速對分級特性的影響。
在氣力超細(xì)分級方面，徐政較早采用數(shù)值模擬對轉(zhuǎn)子型空氣分級機轉(zhuǎn)子葉片的不同角度和不同葉片間距展開流場模擬研究，認(rèn)為負(fù)角度葉片、間距越小葉片更有利于超細(xì)分級的進行。
焦渤等對所在實驗室（北京市粉體技術(shù)研究重點實驗室）自制氣流分級機氣相流場進行數(shù)值模擬，研究分級輪不同葉片數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下分級機內(nèi)部流場情況并給出相關(guān)解釋。
另外，王勇按水力旋流器原理自行設(shè)計圓柱形隔艙式多段旋流分級機，用FLUENT對其單相及多相流場進行初步數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與石英砂分級實驗結(jié)果進行了對照。
2.3粉體混合的模擬進展
粉體混合（或均化）是粉體加工的重要單元，但其模擬研究較少。
歐陽鴻武等較早討論總結(jié)了粉末冶金中固固粉體混合過程的基本特征和混合機制，并介紹了本世紀(jì)初粉體(顆粒)混合過程的數(shù)值模擬和實驗研究情況。
葉濤等分析了用FLUENT軟件進行粉粒體混合設(shè)備內(nèi)部流場模擬的基本理論和方法，總結(jié)國內(nèi)外應(yīng)用和研究的進展及成果。
2.3粉體改性設(shè)備的模擬進展
目前國內(nèi)僅有的改性機模擬研究為，吳翠平用FLUENT對廣泛使用的SLG型連續(xù)粉體表面改性機改性流場展開的氣固兩相數(shù)值模擬。該研究依據(jù)流場測量（速度、壓力、溫度）結(jié)果確定模擬參數(shù)，發(fā)現(xiàn)湍動能耗散率、剪切速率和渦量分布基本重合的流場特性和集攪拌與射流于一體的改性機混合機理。
2.4輸送設(shè)備及粉體擴散的模擬進展
輸送設(shè)備是粉體加工中的銜接設(shè)備，而粉體擴散涉及粉體加工場所內(nèi)粉體的損失和人員工作環(huán)境的保護，目前其流場數(shù)字模擬研究不多。
施陽和等用Solidworks建模FLUENT離散相模型對螺旋送粉器內(nèi)固體顆粒軌跡進行數(shù)值模擬，研究影響其性能的關(guān)鍵因素。盧洲等[29]用FLUENT結(jié)合EDEM對柱狀顆粒在90°彎管中的氣力輸送過程進行模擬，研究不同彎徑比下顆粒的運動狀態(tài)、碰撞特性和顆粒破碎率。
荊俊山等對生產(chǎn)車間內(nèi)納米顆粒的擴散進行數(shù)值模擬，研究通風(fēng)風(fēng)速對納米粉塵濃度的影響。
2.5水泥等爐窯的模擬進展
自2002年起，水泥、玻璃、陶瓷行業(yè)，數(shù)值模擬方法已經(jīng)較多應(yīng)用于各種窯爐或合成過程的研究，這類模擬中往往包含溫度場。
黃來等對雙噴騰分解爐、陳作柄等對強化懸浮式分解爐、肖國俊等對煅燒回轉(zhuǎn)窯、謝峻林等對SLC-S分解爐、張范斌等對浮法玻璃退火窯、邵宏根等對浮法玻璃成型、胡國林等對瓷質(zhì)磚濕坯對流干燥、李少華等對水平回轉(zhuǎn)窯、肖國慶等對Ti-C系自蔓延高溫合成等裝置、設(shè)備或過程的內(nèi)部氣固相流場分別進行模擬研究。
3、粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)
目前，粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬技術(shù)的焦點主要在超細(xì)粉碎與磨機、精細(xì)分級、粉體改性等方面。由于粉體的存在，粉體加工設(shè)備的流場總是兩相（如氣固、液固）甚至三相，不如化工設(shè)備流場那么單一（往往可視做均一相），且分級流場內(nèi)粉體不同粒度分布的加工結(jié)果必須詳細(xì)考察。同時，粉體加工設(shè)備類型多，即使是同類型的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)差別也往往很大，但大部分設(shè)備往往包含旋轉(zhuǎn)部件。因此，非金屬礦粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬往往需要處理好以下四個問題。這四個問題也是成功實現(xiàn)粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的技術(shù)關(guān)鍵。
1)建立粉體流場的幾何模型。粉體加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，含轉(zhuǎn)動部分必然要有轉(zhuǎn)軸，因此從復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)中如何簡化或取舍、甚至重新劃分或小改動以便建立能夠適用于數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分的幾何模型，是數(shù)值模擬的首要任務(wù)，需要精確了解設(shè)備結(jié)構(gòu)。
2)界定粉體流場的計算條件。具體包括相（單相，多相或均一相）及其物理性質(zhì)與含量、可壓與不可壓、旋轉(zhuǎn)流場的處理（如旋轉(zhuǎn)域的界限）、入口和出口的邊界條件，這些方面需要熟悉設(shè)備工作狀態(tài)和操作條件及模擬計算經(jīng)驗，必要時需要經(jīng)過測量來確定某些參數(shù)。
3)實現(xiàn)網(wǎng)格劃分及模擬計算。需要對網(wǎng)格劃分工具和計算軟件的精通掌握，需要投入大量時間，反復(fù)試算，以及足夠的計算機性能，網(wǎng)格越細(xì)對計算能力的要求越高，甚至需要服務(wù)器的較長機時才能在合理時間內(nèi)獲得計算收斂。
4)得到針對計算目標(biāo)的后處理。需要精通后處理軟件，并結(jié)合模擬計算目的和理論分析與實驗研究結(jié)果，才能得到有意義的計算結(jié)果和分析結(jié)論。
4、目前困難與發(fā)展趨勢
目前，對于非金屬礦粉體加工的模擬研究數(shù)量在增多，但技術(shù)上仍然處于初始探索階段，能得到有意義結(jié)論的研究為數(shù)不多。
從論文調(diào)研看，粉體加工模擬計算手段除個別采用自編程序（需要具備流體力學(xué)專業(yè)理論和程序設(shè)計能力）外，大部分直接采用商用軟件。上世紀(jì)末以PHOENICS為主，現(xiàn)在則以FLUENT為主，占90%以上。對復(fù)雜粉體設(shè)備的流場模擬，一部分研究采用SOLIDWORKS、Pro/E、Rhinoceros等三維軟件進行幾何建模。同時，有少部分研究采用Tecplot實現(xiàn)后處理。這樣的模擬手段狀況與商用流場模擬軟件的發(fā)展、成熟及其在國內(nèi)的應(yīng)用普及密切相關(guān)。
非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬的目前困難在于前述關(guān)鍵技術(shù)的第2)步。成熟商業(yè)軟件本身的算法、網(wǎng)格類型、邊界條件等諸方面的正確性在其上市前和廣泛應(yīng)用中已經(jīng)得到驗證，對于給定‘條件’（即計算前的一些列設(shè)置，如邊界條件、求解方法等）其計算結(jié)果應(yīng)該是正確的。困難在于如何將某一具體粉體設(shè)備數(shù)值模擬的‘條件’確定合適。只要設(shè)置合適的給定條件，必然能得到正確結(jié)果；但確定合適條件需要對粉體設(shè)備結(jié)構(gòu)的掌握、理論分析、運行經(jīng)驗和模擬計算經(jīng)驗，尤其是，一些關(guān)鍵參數(shù)需要在真實運行設(shè)備中實際測量，需要具備必要的財力、物力、人力，還要受限于流場參數(shù)的測量技術(shù)。目前，滿足這些需要還不容易做到。
所以，非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢是通過加強流場測量技術(shù)和提高國內(nèi)非金屬礦數(shù)值模擬群體的計算流體力學(xué)技術(shù)水平，保證為具體粉體設(shè)備確定出合適的給定條件，以便得到針對具體計算目標(biāo)的真正有工程意義的模擬結(jié)果和結(jié)論。
5、結(jié)論
1)國內(nèi)非金屬礦粉體加工設(shè)備流場的數(shù)值模擬研究主要集中在超細(xì)粉碎、超細(xì)分級、窯爐、混合等方面，且模擬均針對三維流場。雖然數(shù)量在增多，但技術(shù)上仍然處于初始探索階段，能得到有意義結(jié)論的研究為數(shù)不多。
2)非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于建立幾何模型、界定粉體流場的計算條件、實現(xiàn)網(wǎng)格劃分及模擬計算、以及針對計算目標(biāo)的后處理方法。
3)非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬的目前困難是確定具體粉體設(shè)備數(shù)值模擬的合適‘條件’。
本文作者吳翠平，毛盼盼，鄭水林，丁清珍，李慧（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083），文章收錄在第十五屆全國非金屬礦礦物加工利用技術(shù)交流會論文集中。
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