基于CFD的建筑陶瓷干法制粉造粒室倾斜率的分析

陈 涛，刘玉涛，花拥斌，宁 翔，徐佳杰，廖达海

（景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西 景德镇 333403）

基于CFD的建筑陶瓷干法制粉造粒室倾斜率的分析

陈 涛，刘玉涛，花拥斌，宁 翔，徐佳杰，廖达海

（景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西 景德镇 333403）

针对造粒室倾斜率对干法制粉造粒效果的影响。基于欧拉-欧拉双流体模型建立干法造粒数学模型，简化干法造粒装置建立物理模型，模拟不同造粒室倾斜率对造粒室内坯料颗粒的分布情况，优化造粒室倾斜率，结合实验分析坯料颗粒的流动性指数验证数值仿真的正确性。数值分析表明：当造粒室倾斜角分别为5°、15°、25°、35°、45°时，坯料颗粒在造粒室内的体积分布依次为1/3、2/5、1/2、1/2、1/2，造粒室内坯料颗粒的最大堆积度依次为0.6、0.45、0.42、0.42、0.6，且造粒室倾斜角为25°时坯料颗粒在造粒室内分布均匀性最好。实验分析表明：当造粒室倾斜角分别为5°、15°、25°、35°、45°时，坯料颗粒的流动性指数分别为61.11、78.45、93.06、88.23、72.11，造粒室倾斜角为25°时坯料颗粒的流动性最佳。综上分析可知：造粒室最佳倾斜角为25°，此时造粒室内坯料颗粒的体积分布最大，堆积密度最小，分布均匀性最好，且坯料颗粒的流动性最佳。

干法制粉；欧拉-欧拉双流体模型；倾斜率；体积分布

0 引 言

随着国家节能环保战略措施的进一步深入，高能耗、高污染的建筑陶瓷产业面临着巨大的冲击，如何改善建筑陶瓷行业的生产工艺是本行业得以持续发展的首要突破口[1]。当前，建筑陶瓷行业制粉工艺主要还是沿用“球磨-喷雾”湿法制粉技术，该技术最大的缺陷是高能耗、高污染，同时浪费大量的水资源[2,3]；因此，相对的干法制粉技术在很大程度上可以解决陶瓷行业原料制备车间的高能耗、高污染问题，其节能35%以上、节水35%以上、制粉成本降低15%，且粉尘等污染可以得以控制[4,5]。但是，干法制粉技术制备的建筑陶瓷坯料颗粒存在颗粒级配不均匀、颗粒压缩度小、颗粒流动性差等缺陷，严重阻碍了干法制粉技术在建筑陶瓷行业的全面推广[6,7]。

鉴于干法制粉技术制备的坯料颗粒存在的缺陷，笔者结合自身研制的干法制粉试验样机，探究造粒室倾斜率对造粒效果的影响。基于欧拉双流体模型[8-10]建立建筑陶瓷干法制粉数学模型，简化干法制粉试验样机建立干法制粉物理模型，通过计算流体力学软件模拟仿真不同造粒室倾斜率对造粒效果的影响，改善造粒效果，为干法制粉技术在建筑陶瓷行业进一步推广提供理论指导。

1 模拟区域简化

建筑陶瓷干法制粉造粒工艺在造粒室内完成，故选取整个造粒室为模拟区域，造粒室内的细粉体为模拟对象，模拟造粒过程混料阶段陶瓷粉体的分布情况。干法制粉工作原理：将立式磨机研磨的硬质原料、软质原料经精密配称仪称量后加入造粒室，造粒主轴以1400 r/min高速旋转，造粒室以80 r/min低速相反方向旋转，且在造粒过程中造粒室倾斜30 °放置，陶瓷细粉体在铰刀、圆柱棒体的高速旋转下实现充分混合、造粒效果。具体干法制粉模拟区域示意图如图1所示。

图1 干法制粉模拟区域Fig.1 Simulation of dry granulation room

2 模型建立及网格划分

由于铰刀、圆柱棒体结构相对复杂，数量较多，对此采用SolidWorks三维软件绘制三维模型，再通过GAMBIT软件和搅拌专用前处理软件Mixsim中完善模型、划分网格及设定初步的边界条件，从而最终通过Fluent软件设定相关参数进行模型求解，选取整个造粒室区域作为计算域。

⑴ 物理模型及边界条件

由干法制粉模拟区域可知，陶瓷粉体混合、造粒主要是通过铰刀、圆柱棒体实现，故将整个造粒室划分为两个区域，铰刀、圆柱棒体临近区域为动域，剩余造粒区域划分为静域；动域和静域的对接面设定为交界面，其它壁面设定为墙体。具体干法制粉物理模型及边界设定如图2所示。

⑵ 网格划分

由于主轴旋转速度相对较大，故属于非定常流问题，采用滑移网格模型，将整个造粒室区域划分为两个旋转参考坐标系，动域选用相对坐标系，以四面体网格为主的非结构网格划分；静域选用绝对坐标系，以六面体为主的非结构网格划分。动域的网格数为21439个，静域的网格数为139912个，总网格数为161351个，其中动域的网格模型、静域的网格模型分别如图3(a)、(b)所示。

图2 干法制粉物理模型图Fig.2 Physical model of dry granulation

图3 网格划分模型图Fig.3 Model diagram of grid division

3 参数设定

⑴ 模型设定

求解器选择基于压力(Pressure Based)求解，时间选择非稳态(Unsteady)，梯度选择选取基于格林-高斯节点法(Green-Gauss Node Based)，多相流模型选择欧拉-欧拉模型中的Eulerian模型，湍流模型选择RNG 模型，近壁面处理选择标准壁面公式，多相流模型选择离散型(Dispersed)。

⑵ 材料定义

干法制粉过程混料阶段造粒室内只有空气相、粉体颗粒相，而空气相所占体积百分比较大。因此，将空气相设定为首相，粉体颗粒相设定为第二相，粉体颗粒相设定为颗粒相，具体模拟对象材料定义如表1所示：

⑶ 求解控制器的设定

松弛因子设置如表2所示。

4 仿真结果

笔者针对干法制粉试样样机造粒过程造粒室倾斜率对造粒效果的影响，分别模拟了造粒室倾斜角为5 °、15 °、25 °、35 °、45 °时，造粒室内粉体颗粒的分布情况，从而确定造粒室的最佳倾斜角度。

⑴ 造粒室剖视云图分析

从数值模拟结果造粒室剖视云图分析可知：当造粒室倾斜角α1=5 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/3，且粉体颗粒在造粒室内分布均匀性很差，部分粉体颗粒集中在造粒室底端，团聚现象明显，最大堆积度为0.6；当造粒室倾斜角α2=15 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为2/5，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性较差，部分粉体颗粒集中在造粒室底端，团聚现象较少，最大堆积度为0.45；当造粒室倾斜角α2=25 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性较好，少量粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象不明显，最大堆积度为0.42；当造粒室倾斜角α2=35 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性稍有变差，少量粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象不明显，最大堆积度为0.42；当造粒室倾斜角α2=45 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性很差，部分粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象明显，最大堆积度为0.6。

⑵ 造粒室壁面云图分析

从数值模拟结果造粒室壁面云图分析可知：当造粒室倾斜角α1=5 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/3，且粉体颗粒在造粒室内分布均匀性呈阶梯状分布，部分粉体颗粒集中在造粒室底端，团聚现象明显，最大堆积度为0.6；当造粒室倾斜角α2=15 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为2/5，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性有所改善，部分粉体颗粒集中在造粒室底端，团聚现象较少，最大堆积度为0.45；当造粒室倾斜角α2=25 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性较好，少量粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象不明显，最大堆积度为0.42；当造粒室倾斜角α2=35 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性稍有变差，少量粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象不明显，最大堆积度为0.42；当造粒室倾斜角α2=45 °，粉体颗粒在造粒室内的体积分布约为1/2，粉体颗粒在造粒室内分布均匀性很差，部分粉体颗粒集中在造粒室壁面与底端交界处，团聚现象明显，最大堆积度为0.6。

表1 模拟对象材料定义Tab.1 Material definition of simulation object

表2 松弛因子设置Tab.2 Relaxation factor settings

图4 造粒室剖视云图Fig.4 Sectional cloud picture of granulation room

图5 造粒室壁面云图Fig.5 Wall cloud picture of granulation room

5 实验结果

搭建试验平台，使用YTN-1001型粉体综合特性测试仪分别测量坯料颗粒的休止角、压缩率、均匀率、平板角，分析坯料颗粒的流动性，从而确定最佳造粒室倾斜角，间接验证仿真结果的正确性。由表6不同倾斜角坯料颗粒流动性指数可知：当造粒室倾斜角为5 °时，坯料颗粒的休止角为59.52 °、压缩率为21.47%、均匀率为19.77、平板角54.68 °，坯料颗粒的流动性评价指数为61.11；当造粒室倾斜角为15 °时，坯料颗粒的休止角为38.24 °、压缩率为15.67%、均匀率为11.21、平板角36.33 °，坯料颗粒的流动性评价指数为78.47；当造粒室倾斜角为25 °时，坯料颗粒的休止角为26.58 °、压缩率为8.21%、均匀率为5.93、平板角27.16 °，坯料颗粒的流动性评价指数为93.06；当造粒室倾斜角为35 °时，坯料颗粒的休止角为29.36 °、压缩率为10.78%、均匀率为7.12、平板角30.11 °，坯料颗粒的流动性评价指数为88.23；当造粒室倾斜角为45 °时，坯料颗粒的休止角为40.21 °、压缩率为17.32%、均匀率为16.98、平板角41.11 °，坯料颗粒的流动性评价指数为72.11。其中当造粒室倾斜角为25 °，坯料颗粒的流动性评价指数为93.06，流动性指数最佳，表明造粒室倾斜角为25 °时造粒室效果最好，与仿真结果基本吻合，说明了数值仿真模型的正确性。

图6 不同倾斜角坯料颗粒流动性指数Fig.6 Liquidity indexes of ceramic body particles granulated at different tilting angle

6 结 论

⑴采用欧拉-欧拉双流体模型建立了干法制粉数学模型，同时简化干法制粉试验装置建立了物理模型，模拟不同造粒室倾斜率的制粉过程粉体颗粒的分布情况，并对不同造粒室倾斜率造粒室内坯料颗粒体积分布大小进行对比分析，为建筑陶瓷干法造粒制粉技术提供了新的研究方法。

⑵数值模拟与实验分析综合分析可知：干法造粒试验机造粒室的最佳倾斜角为25 °，此时造粒过程坯料颗粒的体积分布最大，堆积密度最小，分布均匀性最优，且坯料颗粒的流动性最佳，造粒效果最好。

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Inclination Rate Analysis of the Dry Granulating Chamber for Building Ceramics Based on CFD

CHEN Tao, LIU Yutao, HUA Yongbin, NING Xiang, XU Jiajie, LIAO Dahai
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

In order to study the effect of the tilting rate of the granulation chamber on the granulation of the dry powder of building ceramics, a mathematical model for dry granulating was established based on Eulerian-Eulerian two-fluid model. It simulated the volume distribution of powder particles for different inclination rates of the granulation chamber. At the same time, the correctness of the simulation model was verified by the experimental analysis of the flow index of body particles. The simulation results showed, when the tilting rate of the granulation chamber was 5°, 15°, 25°, 35°, and 45°, the volume distribution of powder particles in granulation chamber was approximately 1/3, 2/5, 1/2, 1/2, and 1/2, and the maximum accumulation of powder particles in granulation chamber was approximately 0.6, 0.45, 0.42, 0.42, and 0.6; when the tilting rate of the granulation chamber was 25°, the distribution of the powder particles in the granulation chamber was the best. The experimental analysis showed, when the tilting rate of the granulation chamber was 5°, 15°, 25°, 35°, and 45°, the liquidity index of the ceramic body was respectively 61.11, 78.45, 93.06, 88.23, and 72.11. The results show that with the optimum tilt angle of the granulation chamber at 25°, the volume distribution of the powder particles was the largest, the bulk density was the smallest, the distribution uniformity was the best, and the fluidity of the ceramic body was the best.

dry granulating; Eulerian-Eulerian two-fluid model; inclination rate; volume distribution

TQ174.5

A

1000-2278(2016)06-0724-05

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.026

2016-04-17。

2016-06-08。

国家自然科学基金(51365018)；江西省高等学校科技落地计划(KJLD14074)；江西省科技支撑计划(20151BBE50041)。

陈涛(1977-)，女，硕士，副教授。

Received date: 2016-04-17. Revised date: 2016-06-08.

Correspondent author:CHEN Tao(1977-), Master, Associate professor.

E-mail:56713276@qq.com