选粉机三维动态流场数值研究

豆海建，曾荣，唐清华，柴星腾，聂文海，申占民

选粉机属于粉磨系统的核心装备，其性能指标的好坏直接影响粉磨系统的产量、质量、粉磨电耗及稳定性。选粉机的性能指标又直接决定于其内部的流场结构，因此国内外均对选粉机流场开展了较多的理论研究[1～9]，这些研究方法同本文不同：

（1）采用多重参照系（Multiple Reference Frame model，简写MRF）方法处理转子的转动过程

多重参照系主要用于计算域内不同子域以不同的速度旋转或移动的流体计算，由于在各自的计算子域内采用其对应的参照系，相对速度梯度小，降低数值求解误差。但多重参照系没有考虑旋转或移动子域对其相邻子域的相对运动，只是对旋转或移动参照系下的控制方程中添加由于相对运动产生的动量、质量、能量及它标量源项，即旋转或移动子域的计算网格是固定的，这相当于将旋转或运动子域中的动部件固定在某一特定位置，研究流体相对于该特定位置的流动情况。对于选粉机流场研究而言，采用多重参照系解决选粉机转子的转动问题就是将选粉机转子固定在相对于静子的某一特定位置，然后人为让转子域的流体以给定的速度转动，研究其相对于转子流动情况，即转子内流体的流动是主动因素，这背离了选粉机转子域流体的流动是由于转子叶片转动而被动流动的实际物理过程。

（2）采用定常流动计算方法

选粉机转子动叶片在转动一周的过程中，周期性地经过相邻两静叶片之间扇形区域，在旋转经过每扇形区域过程中，由于动叶片相对于静叶片的位置在不停地变化造成动静叶片间的流体空间也在不停地变化，因此即便转子以恒定的转速转动，选粉机内的流场仍为典型的非定常流动。

针对国内外目前对选粉机流场研究存在的不足之处，本文采用滑移网格技术和非定常流动求解方法研究选粉机三维动态流场，不仅证实了转子叶片间及转子内流体的流动是由于转子转动引起的被动流动，而且能够同时研究固体颗粒在选粉机空间和时间上的运动行为，更接近选粉机内部气固流动实际过程。

1 几何物理模型

本文以TRM56.4辊磨选粉机为研究对象，以降低选粉机阻力为结构优化目的，采用三维建模软件构建选粉机流体域实体几何模型，为采用滑移网格技术，以选粉机动-静叶片1/2间隙柱面位置及转子上面端面位置对选粉机几何模型进行分割（图1）。将生成的三维几何模型导出parasolid格式文件（*.x_t），并导入网格生成软件Gambit2.4.6，采用网格加密和网格过渡技术，生成图2所示的计算网格。为研究几种常见动叶片的阻力特性，对TRM、LV、Leosche及L型动叶片结构并基于相同的动叶片间隙风速（动力相似）工艺计算分别进行几何建模和计算，动叶片结构形式及尺寸见图3。

表1 选粉机计算边界参数

2 计算边界条件

选粉机计算边界参数见表1。

3 数值求解

本文采用CFD商用软件Fluent6.3非定常求解器，湍流模型采用RNG[9]湍流模型，速度-压力耦合方程采用PISO算法[10]求解，差分格式除压力采用PRESTO!格式[11]外，其余均采用 Third-Order MUSCL 格式[12]，滑移网格求解设置如下：

（1）定义转子流体域为rotor，类型为Fluid，将rotor内转子叶片、筋板、转子轴等所有随转子一起转动的几何结构面统一定义为固壁rotorwall，类型为WALL。

（2）定义图2所示滑移网格界面为INTERFACE类型边界，输出各流体域网格，并逐个导入CFD求解器，分别将Slide1-1与Slide1-2、Slide2-1与Slide2-2、Slide3-1与Slide3-2定义 Slide1、Slide2、Slide3三个滑移网格副；其次，将转子流体域rotor设置为动网格（Moving mesh），设置自转revolving运动类型，并根据转子转动方向按右手定则定义转轴矢量坐标，依据转子设计或工作转速计算并设置rotor转速（rad/s）。

（3）将转子rotor-wall壁面设置为跟随相邻网格运动，将相对运动速度值设置为0m/s，实现转子叶片及内部筋板、转轴按照流体域rotor设定的转速转动。

（4）按表1所示的选粉机喂料量及喂料粒度分布定义DPM多相流模型，设置选粉机入口为颗粒相注入口，入口类型为面Surface，入射方向沿气流方向。

（5）求解器采用非定常求解器，并按照转子转速α（rad/s）、单个转子叶片扫过相邻静子叶片间隙所经过的角度θ（rad），计算数值求解最大时间步长τmax、τinitial：

其中n≥2整数，视实际求解过程的稳定性取值，n值越大求解越稳定，但计算收敛速度越慢。

（6）初始化求解程序，设置求解残差及选粉机进、出口压力监控曲线，开始迭代计算，求解过程中视残差曲线的稳定性调整计算时间步长τ（τinitial≤τ≤τmax），待选粉机进、出口压力监控曲线水平或长时间规律波动、选粉机入口与成品出口和粗粉回料出口质量流速平衡，即可视为求解收敛。

4 计算结果与讨论

表2 几种常见动叶片结构选粉机计算阻力

图3所示四种不同的动叶片结构在57r/min、35r/min两种转子转速工况下选粉机阻力计算数据见表2。各方案采用相同结构静叶片，且动叶片数目基于动叶片间相同的静态间隙风速条件计算得到，在相同的转子转速、选粉机风量和喂料量条件下，表2所示的选粉机方案具有动力相似的条件，因而计算得到的选粉机阻力具有可比性，即计算得到的各方案选粉机阻力主要是由于动叶片结构不同造成的。由表2可见，在两种不同的转子转速条件下，LV动叶片方案具有最小的选粉机阻力；此外，在35r/min转子转速下，LV动叶片同其他方案的阻力差最大613.4Pa，最小345.2Pa；在57r/min条件下，阻力差最大 957.7Pa，最小 424.8Pa，这说明转子速度越高，其低阻优势越明显。

根据图3所示选粉机动叶片结构，LV动叶片区别于其他动叶片结构的共同点在于其外侧挡板，该挡板能有效克服动叶片间气流的旋转离心力阻碍来自静叶片的气流进入动叶片间隙（图4）；如无该挡板，动叶片间的旋转气流的离心力就在一定程度上阻碍静叶片气流进入动叶片间隙（图5），从而增加阻力。Leosche动叶片虽有外侧挡板，但由于该挡板同叶片直段存在42°的夹角，在随其内侧转子高速旋转的过程中，该挡板会直接对来自静叶片的气流产生外推作用，此外，42°夹角相对于LV的垂直角，其平衡动叶片间气流离心作用的效果也受到削弱，这必然导致Leoshce动叶片方案阻力最高，且转子速度越高，高阻现象越明显。

LV动叶片方案计算阻力低，同工业应用实践中LV选粉机相比TRM、Leosche、L型辊磨选粉机阻力低的现象吻合，这说明本文所采用的选粉机流场数值研究方法合理，基本能够正确反映工业生产实际。

5 结论

（1）采用滑移网格技术成功解决了选粉机流场研究中转子转动问题，改善了目前国内外普遍采用的MRF方法处理转子转动过程研究的不足，提高了选粉机流场研究的精度。

（2）LV动叶片结构相对于TRM、Leosche、L型选粉机动叶片方案阻力性能最低，且低阻优势随转子速度的增加而增加。

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