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| 非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)數值模擬進(jìn)展 |
| 來(lái)源：中國粉體技術(shù)網(wǎng) 更新時(shí)間：2014-11-24 11:27:56 瀏覽次數： |
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本文將調研非金屬礦領(lǐng)域粉體加工設備數值模擬的研究情況，給出其概貌。分析數值模擬在非金屬礦粉體加工中應用推廣的必要性、國內目前研究進(jìn)展，總結非金屬礦粉體加工設備數值模擬的關(guān)鍵、存在困難和發(fā)展趨勢。
1、非金屬礦粉體加工流場(chǎng)數值模擬的必要性
非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)研究方法主要有理論分析、實(shí)驗和數值計算方法三類(lèi)。但粉體加工設備內部工作質(zhì)的多相（氣固兩相或液固兩相，甚至氣液固三相）和由結構繁復（往往由多個(gè)部件構成且形狀特殊）帶來(lái)流場(chǎng)流域邊界的復雜導致設備流場(chǎng)的流動(dòng)流型極其復雜，理論分析難度大，要得到有實(shí)際意義的理論分析非常困難。而由于流場(chǎng)中粉體顆粒流場(chǎng)的存在使流場(chǎng)不透明，現代光學(xué)流場(chǎng)測量手段無(wú)法應用，再加粉體流場(chǎng)的濃度不均、流型多樣且存在相互轉化、接觸式測量易堵塞磨損且會(huì )引入不宜忽略的測量干擾，所以其實(shí)驗測量難度較大，費用很高，而且實(shí)驗手段很難得到粉體設備流場(chǎng)物理量的細節分布和分析。
數值模擬方法具有一定的理論基礎、投資少、可重復性和可控制性等優(yōu)點(diǎn)，特別是近年來(lái)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(jìn)步，使得非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)數值計算研究的可行性大幅提高。所以，數值模擬成為粉體加工設備流場(chǎng)研究的重要方法，對認識各具特性的粉體加工設備的工作原理以提高其加工效率和效果，以及結構優(yōu)化改進(jìn)等都具有極其重要意義。
2、非金屬礦粉體加工流場(chǎng)數值模擬的研究進(jìn)展
非金屬礦粉體加工設備包括粉碎與分級、超細粉碎與精細分級、選礦與提純、表面改性、固液分離和干燥等類(lèi)型，但目前引入數值模擬的類(lèi)型包括粉碎、分級、表面改性、粉體輸送以及水泥爐窯等。離心選礦的數值模擬也已經(jīng)起步。
2.1超細粉碎與磨機方面的模擬進(jìn)展
超細粉碎作為非金屬礦粉體深加工技術(shù)之一，對現代產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。隨著(zhù)超細粉碎設備的日趨進(jìn)步，國內對超細粉碎及磨機的模擬研究呈逐漸增多的趨勢。
王瑞紅利用FLUENT軟件對準直管磨料射流準直管靜止不動(dòng)、入口帶圓錐收斂段的直管磨料噴頭內部等溫、不可壓縮、穩態(tài)、液固湍流進(jìn)行數值模擬。認為噴頭混合室內存在二個(gè)環(huán)形回流區。
楊軍瑞等利用FLUENT對氣流粉碎中獲取高速氣流的常規噴嘴與自行設計的新型環(huán)形復合噴嘴進(jìn)行氣相數值模擬，認為所設計新型噴嘴具有射流速度快、射流相對集中和射程遠等優(yōu)點(diǎn)。
李翔等用Fluent對CXM型超細分級磨樣機風(fēng)口環(huán)進(jìn)行氣相模擬，研究其結構參數與操作參數對粉碎區粉碎效果的影響。
張國旺等用CFX軟件對盤(pán)式、棒式、螺旋式三種攪拌器的超細立式攪拌磨機流場(chǎng)進(jìn)行單一液相數值模擬，分析其速度梯度、剪切率、粘性耗散率等流場(chǎng)特性，認為棒式攪拌磨機速度梯度大、應力分布均勻和阻力較小的一種磨機。
紀鴻利用FLUENT軟件對實(shí)驗室用MINIZETA型臥式攪拌磨機進(jìn)行單一液相流場(chǎng)模擬研究，得到磨機內速度、壓力、能量分布呈“喇叭口”形狀的結論；也用EDEM軟件對磨機介質(zhì)顆粒的運動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬嘗試。
2.2分級設備的模擬進(jìn)展
目前，粉體分級設備的模擬研究涉及渦輪分級（含立磨選粉機）、渦流超細分級、氣力超細分級等設備。其中對渦輪分級機流場(chǎng)的數值模擬較多。
在渦輪分級方面，陳海焱等用FLUENT對渦輪分級機分級輪進(jìn)行數值模擬，研究分級輪徑向速度和分級區流場(chǎng)分布。針對干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)中使用的立磨選粉機（屬風(fēng)掃式渦輪選粉機）分級室，李進(jìn)春 、童聰等對SLK5500選粉機分級室腔體進(jìn)行氣固兩相數值模擬和結構改進(jìn)實(shí)驗，研究結構變化（不同葉片間距和安裝傾角）對分級區速度場(chǎng)的影響及其分級效率的變化規律。
綦海軍等也對渦輪式立磨選粉機內的氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬和相關(guān)實(shí)驗，研究轉速、風(fēng)量等操作參數對分級流場(chǎng)的影響，設計出SMG5500型立磨選粉機，用于水泥廠(chǎng)立磨節能改造。針對水泥粉磨系統中使用的O-Sepa選粉機，陳杰來(lái)等用FLUENT對其轉子底部4種不同結構進(jìn)行數值模擬，探究底部結構對選粉機流場(chǎng)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流部分、密封部分和轉子部分進(jìn)行數值分析，研究蝸殼與導風(fēng)葉對導流效果的影響、及分級機中存在的磨損現象。李進(jìn)春等對渦流分級機葉片間氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，設計一種“Z”型轉子葉片，并以葉片間的流場(chǎng)作為模型，討論不同前彎、后彎傾角下的流場(chǎng)規律。
楊慶良等用FLUENT對渦流分級機三維氣相流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，同時(shí)采用激光多普勒測速儀對分級機葉片間流場(chǎng)進(jìn)行測量，并對轉籠結構改進(jìn)后再行模擬。孫樹(shù)峰等對重質(zhì)碳酸鈣和石英在CF型渦流分級機不同轉速下進(jìn)行氣固混合相數值模擬和分級實(shí)驗，研究轉速對分級特性的影響。
在氣力超細分級方面，徐政較早采用數值模擬對轉子型空氣分級機轉子葉片的不同角度和不同葉片間距展開(kāi)流場(chǎng)模擬研究，認為負角度葉片、間距越小葉片更有利于超細分級的進(jìn)行。
焦渤等對所在實(shí)驗室（北京市粉體技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗室）自制氣流分級機氣相流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，研究分級輪不同葉片數、不同轉速下分級機內部流場(chǎng)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(chǎng)進(jìn)行初步數值模擬，并將模擬結果與石英砂分級實(shí)驗結果進(jìn)行了對照。
2.3粉體混合的模擬進(jìn)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(yáng)鴻武等較早討論總結了粉末冶金中固固粉體混合過(guò)程的基本特征和混合機制，并介紹了本世紀初粉體(顆粒)混合過(guò)程的數值模擬和實(shí)驗研究情況。
葉濤等分析了用FLUENT軟件進(jìn)行粉粒體混合設備內部流場(chǎng)模擬的基本理論和方法，總結國內外應用和研究的進(jìn)展及成果。
2.3粉體改性設備的模擬進(jìn)展
目前國內僅有的改性機模擬研究為，吳翠平用FLUENT對廣泛使用的SLG型連續粉體表面改性機改性流場(chǎng)展開(kāi)的氣固兩相數值模擬。該研究依據流場(chǎng)測量（速度、壓力、溫度）結果確定模擬參數，發(fā)現湍動(dòng)能耗散率、剪切速率和渦量分布基本重合的流場(chǎng)特性和集攪拌與射流于一體的改性機混合機理。
2.4輸送設備及粉體擴散的模擬進(jìn)展
輸送設備是粉體加工中的銜接設備，而粉體擴散涉及粉體加工場(chǎng)所內粉體的損失和人員工作環(huán)境的保護，目前其流場(chǎng)數字模擬研究不多。
施陽(yáng)和等用Solidworks建模FLUENT離散相模型對螺旋送粉器內固體顆粒軌跡進(jìn)行數值模擬，研究影響其性能的關(guān)鍵因素。盧洲等[29]用FLUENT結合EDEM對柱狀顆粒在90°彎管中的氣力輸送過(guò)程進(jìn)行模擬，研究不同彎徑比下顆粒的運動(dòng)狀態(tài)、碰撞特性和顆粒破碎率。
荊俊山等對生產(chǎn)車(chē)間內納米顆粒的擴散進(jìn)行數值模擬，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(jìn)展
自2002年起，水泥、玻璃、陶瓷行業(yè)，數值模擬方法已經(jīng)較多應用于各種窯爐或合成過(guò)程的研究，這類(lèi)模擬中往往包含溫度場(chǎng)。
黃來(lái)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窯、肖國慶等對Ti-C系自蔓延高溫合成等裝置、設備或過(guò)程的內部氣固相流場(chǎng)分別進(jìn)行模擬研究。
3、粉體加工設備數值模擬的關(guān)鍵技術(shù)
目前，粉體加工設備數值模擬技術(shù)的焦點(diǎn)主要在超細粉碎與磨機、精細分級、粉體改性等方面。由于粉體的存在，粉體加工設備的流場(chǎng)總是兩相（如氣固、液固）甚至三相，不如化工設備流場(chǎng)那么單一（往往可視做均一相），且分級流場(chǎng)內粉體不同粒度分布的加工結果必須詳細考察。同時(shí)，粉體加工設備類(lèi)型多，即使是同類(lèi)型的設備，其結構差別也往往很大，但大部分設備往往包含旋轉部件。因此，非金屬礦粉體加工設備數值模擬往往需要處理好以下四個(gè)問(wèn)題。這四個(gè)問(wèn)題也是成功實(shí)現粉體加工設備數值模擬的技術(shù)關(guān)鍵。
1)建立粉體流場(chǎng)的幾何模型。粉體加工設備的結構往往很復雜，含轉動(dòng)部分必然要有轉軸，因此從復雜的設備結構中如何簡(jiǎn)化或取舍、甚至重新劃分或小改動(dòng)以便建立能夠適用于數值模擬網(wǎng)格劃分的幾何模型，是數值模擬的首要任務(wù)，需要精確了解設備結構。
2)界定粉體流場(chǎng)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、旋轉流場(chǎng)的處理（如旋轉域的界限）、入口和出口的邊界條件，這些方面需要熟悉設備工作狀態(tài)和操作條件及模擬計算經(jīng)驗，必要時(shí)需要經(jīng)過(guò)測量來(lái)確定某些參數。
3)實(shí)現網(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(shí)間，反復試算，以及足夠的計算機性能，網(wǎng)格越細對計算能力的要求越高，甚至需要服務(wù)器的較長(cháng)機時(shí)才能在合理時(shí)間內獲得計算收斂。
4)得到針對計算目標的后處理。需要精通后處理軟件，并結合模擬計算目的和理論分析與實(shí)驗研究結果，才能得到有意義的計算結果和分析結論。
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，能得到有意義結論的研究為數不多。
從論文調研看，粉體加工模擬計算手段除個(gè)別采用自編程序（需要具備流體力學(xué)專(zhuān)業(yè)理論和程序設計能力）外，大部分直接采用商用軟件。上世紀末以PHOENICS為主，現在則以FLUENT為主，占90%以上。對復雜粉體設備的流場(chǎng)模擬，一部分研究采用SOLIDWORKS、Pro/E、Rhinoceros等三維軟件進(jìn)行幾何建模。同時(shí)，有少部分研究采用Tecplot實(shí)現后處理。這樣的模擬手段狀況與商用流場(chǎng)模擬軟件的發(fā)展、成熟及其在國內的應用普及密切相關(guān)。
非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)數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(lèi)型、邊界條件等諸方面的正確性在其上市前和廣泛應用中已經(jīng)得到驗證，對于給定‘條件’（即計算前的一些列設置，如邊界條件、求解方法等）其計算結果應該是正確的。困難在于如何將某一具體粉體設備數值模擬的‘條件’確定合適。只要設置合適的給定條件，必然能得到正確結果；但確定合適條件需要對粉體設備結構的掌握、理論分析、運行經(jīng)驗和模擬計算經(jīng)驗，尤其是，一些關(guān)鍵參數需要在真實(shí)運行設備中實(shí)際測量，需要具備必要的財力、物力、人力，還要受限于流場(chǎng)參數的測量技術(shù)。目前，滿(mǎn)足這些需要還不容易做到。
所以，非金屬礦粉體加工流場(chǎng)數值模擬的發(fā)展趨勢是通過(guò)加強流場(chǎng)測量技術(shù)和提高國內非金屬礦數值模擬群體的計算流體力學(xué)技術(shù)水平，保證為具體粉體設備確定出合適的給定條件，以便得到針對具體計算目標的真正有工程意義的模擬結果和結論。
5、結論
1)國內非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)的數值模擬研究主要集中在超細粉碎、超細分級、窯爐、混合等方面，且模擬均針對三維流場(chǎng)。雖然數量在增多，但技術(shù)上仍然處于初始探索階段，能得到有意義結論的研究為數不多。
2)非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)數值模擬的關(guān)鍵在于建立幾何模型、界定粉體流場(chǎng)的計算條件、實(shí)現網(wǎng)格劃分及模擬計算、以及針對計算目標的后處理方法。
3)非金屬礦粉體加工設備流場(chǎng)數值模擬的目前困難是確定具體粉體設備數值模擬的合適‘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(huì )論文集中。
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