沸腾式送粉器性能及其结构优化数值模拟研究

戴俊豪 韦俊尤

摘要： 文章运用气固两相流数值模拟的方法对送粉器输送不同密度及不同颗粒直径粉末进行了仿真研究，并分析送粉器结构对粉末输送效果的影响，从而对送粉器的结构进行了优化。结果表明，随着颗粒直径的增大，相同气流条件下得到的送粉流量减小。而相同颗粒直径下，随着粉末材料密度的增大，送粉的体积流量逐渐减小，而质量流量的变化无规律可循。根据气固两相流理论，选取不同的送粉管与气流入口高度值进行模拟对比分析。该高度值的增大并不能改善送粉的均匀性，而从当前高度降低6mm可得到更好的送粉均匀性。

关键词：沸腾式送粉器，性能分析，结构优化，数值模拟

前言

在高能束熔覆粉末输送中，气-固两相流数值模拟已经在粉末喷嘴流场模拟中得到很多的应用[1-3]；此外，针对螺旋式送粉器，施阳和等[4]运用Fluent模拟了送粉器内部的速度分布、颗粒轨迹等进行了仿真分析；对于该类需要追踪流动颗粒的数量较少的工况，用欧拉-拉格朗日法[5]可得到很好的效果。而针对本文所研究的送粉器，粉末与气体混合的浓度大，涉及的颗粒数量多，离散相模型进行仿真所需的计算时间久，因此运用欧拉-欧拉法[6]对沸腾式送粉器的输送过程进行仿真。该方法已在气固两相流模拟中得到广泛的应用。K. Papadikis等[7]曾运用数值模拟对快速裂解流化床的结构进行优化。通过修改不同的流化床结构，实现了基于数值模拟的流化床结构优化。

1.沸腾式送粉器及其数值模拟

对本文所涉及的沸腾式送粉器，由于其不存在轴对称性，无法简化为二维模型进行模拟。因此，按照现有设备的尺寸进行模型建立如图1所示，粉仓内的粉末在下端沸腾气流的作用下，随气体通过小孔进入送粉管中，并由送粉气路的气流将混合的粉气送入激光熔覆送粉喷嘴。粉仓的主要尺寸参数为：送粉管直径为2mm，粉仓与送粉管连接的小孔直径为1mm，下端气流入口直径20mm。

图1送粉器的三维网格示意图

在之前的研究中，确定了Mckeen曳力模型在该送粉器数值模拟中得到的送粉流量与实验结果较符合，因此，利用数值模拟的方法研究送粉器输送粉末的性能时，只需对Fluent中粉末相的颗粒直径或材料密度进行修改。而对送粉器结构进行优化时，需要对不同结构尺寸的送粉器重新建模及划分网格。

2.对不同粉末输送结果的模拟与分析

对于不同的粉末，流态化过程中临界流化速度等参数也会不同，因此要对其输送特性进行全面的了解需要大量的实验，在确定了合适的数值模型基础上，通过修改数值计算时固体相的参数，能更方便快捷的了解送粉器对各类熔覆粉末输送的性能。

2.1.不同颗粒直径粉末的输送效果模拟

选择2.83L/min的沸腾气流，2.4L/min送粉流量作为边界条件，粉末固定为镍基合金粉末，选取70μm，80μm，90μm，100μm，110μm五种不同颗粒直径的粉末进行仿真，粉末材料密度均为8830kg/m3，将其得到的粉末输送结果进行对比分析。

不同颗粒直径下送粉流量稳定后取平均值，结果如表1。可见颗粒直径的不同，对送粉质量流量也产生较大影响，在相同的沸腾进气量下，粉末颗粒直径越大，送出的粉末流量越少，且流量并非虽颗粒直径增大而等比例减小。

表1 不同等效颗粒直径下得到的送粉流量

图3显示粉气管中的粉末浓度在随密度增大而降低。另外，在对密度大的粉末输送，粉末浓度分布不均匀，有粉末浓度低的气泡出现。当气-固两相的密度差越大，流化床越容易形成聚式流态化。

图4为四种不同密度合金粉末输送时粉末流量随时间的变化，该图显示的结果与之前对粉末体积分数分布图的分析结果一致，两种密度比较大的粉末输送时，流量的波动比较明显。而对后两种密度较小的粉末（铝合金和钛合金）则可得到较均匀的粉末流量。因此，这类基于流态化的送粉器对密度小的金属粉末会得到更加稳定的送粉效果。

3.送粉器结构优化数值模拟研究

数值模拟结果表明，该尺寸的送粉器送粉流量仍然有比较大的不均匀性，这会导致熔覆层高度不均匀，因此，利用数值模拟的方法，修改送粉器的结构，从而能对送粉器的结构进行优化。

基于流化床理论的初步分析，通过数值模拟，对不同送粉管高度下的送粉流量结果进行分析比较。下端沸腾进气口到送粉管上的小孔的高度为H=20mm，本节重新更改送粉器结构并划分网格，参数H分别取14mm，17mm，23mm，29mm四种高度。

重新设计送粉器结构后，在其他边界条件和参数不变的情况下，进行送粉模拟，图5显示了不同结构下粉末流量随时间变化。为了对比不同参数下送粉流量的波动性。

不同的高度H下粉末输送的效果不尽相同，而H为17mm、23mm和29mm时，送粉流量的波动均比较大，其平均值分别为30.1g/min、28.1g/min和25.8g/min。而送粉过程中最大的流量可能达近80g/min。

通过对比H为14mm和29mm两种情况下粉末浓度分布，图6（a），（b）分别为H=14mm时送粉器中的粉末浓度分布基本保持不变，不存在气泡的上升和聚并而导致送粉流量的波动。图6（c），（d）分别为H=29mm的送粉器结构中所得到的粉末浓度，在送粉管两边容易产生流量不均匀的气泡，导致送粉流量存在波动性。

可见，送粉管距离筛网的高度H降低到14mm，可得到稳定的粉末输出，且减少了送粉时剩余无法输送的粉末量，参数H可作为对送粉器优化的参数之一。

4.结论

通过数值模拟，表明对于该类流态化粉末输送设备，粉体的密度，颗粒直径等均会关系粉末输送的流量。在一定的输送气流下，随着颗粒直径的增大，送粉器输送的粉末质量流量逐渐减小，且粉末颗粒直径大于一定值后，将很难送出粉末。而对于相同颗粒直径的粉末，随着粉末材料密度的增大，粉末的体积流量减小。

对送粉管距离下端沸腾进气口的高度参数H进行调整，分析不同H下的送粉效果。结果表明，H参数减小到14mm时，可得到相对稳定的送粉效果。一定程度上改进了送粉器的性能，而其它高度下送粉流量波动性都很大。因此，现有送粉器中送粉管与筛网的高度可适当的下调，而该高度的增大并不能得到更好的送粉效果。

参考文献：

[1]崔海涛， 李强， 武强等. 激光快速成型送粉器及其特性[J]. 北京工业大学学报. 2002， 28（3）.

[2]沈文， 李言祥. 激光熔覆陶瓷送粉器的研制[J]. 新技术新工艺. 1996（02）.

[3]李朋， 杨慧宾等. 激光熔覆同步送粉器的设计与应用[J]. 表面技术. 2007（01）.

[4]施阳和， 邵宗恒. 螺旋送粉器内流场的三维数值模拟[J]. 中国粉体技术. 2011， 17（4）.

[5]钦兰云， 王维等. 激光加工同轴送粉喷嘴两相流流场的数值模拟[J]. 应用激光. 2012（06）.

[6]李会山， 王春娴等. 同轴载气送粉激光熔覆粉末流参数研究[J]. 应用激光. 2006（04）.

作者简介：戴俊豪（1986-），男，浙江绍兴人。浙江工业职业技术学院，讲师，硕士研究生，主要从事数控教学工作与金属材料表面改性研究。