基于CFD⁃DEM的水下切粒装置水室内颗粒流动过程数值模拟

张庆弢，毕 超

（北京化工大学机电工程学院，北京 100029）

0 前言

水下切粒装置是一种典型的高聚物颗粒成型机械［1-2］。关于切粒水室流场的研究，Kazuhisa和Fukutani［3］等几位学者在2008年对水下切粒机水室结构进行了调整，改变水室入水口和出水口的角度和大小，调整水室内的流场流动状态，并且进行了模拟分析。李瑞华［4］采用流体动力学方法对水下切粒机水室流动特性、粒子运动轨迹及切刀在水室中受力的进行了研究。蒋庆涛［5］对水室内部流场进行了模拟，并结合离散相模型追踪了颗粒轨迹和计算颗粒平均滞留时间、堆积粒子数。

水下切粒装置内粒子水及颗粒的流动过程数值仿真属于固-液两相流混合问题范畴。在计算固-液两相流混合问题时，多数学者将固体相和液体相均视为连续的流体，通过获取各相的浓度及分布状况来描述混合效果，这种替代方法忽视了离散介质的形状、粒级及其相互作用［6］。而计算流体力学与离散单元法（CFDDEM）耦合方法可以弥补这方面的不足［7］。这种耦合方法已经在多个领域中证明了其优势。王建明等［8］通过CFD-DEM的联合仿真直观模拟固体颗粒在罐内的位置信息和运动情况。Zhao等［9］用耦合CFD-DEM的方法模拟与采矿和岩土工程相关应用中的流体和颗粒相互作用的行为。Li Y等［10］通过CFD-DEM耦合计算了深海采矿泵内固液两相流动。

由于暂时未见这一耦合方法在水下切粒装置工作过程仿真中应用的报道。为此，本文利用CFD-DEM耦合的模拟方法，分析了颗粒在水下切粒装置水室内的流动规律。不仅获得了固体颗粒的运动轨迹和水室内流场特征仿真结果，而且还分析了典型工艺参数对水室固-液流动状态的影响。所得结果对深入剖析水下切粒装置的工作原理具有一定的理论指导价值。

1 数值模拟

本文使用基于Fluent和EDEM软件的CFD-DEM耦合方法对水下切粒装置中的粒子水和颗粒流动过程进行分析。

1.1 模型建立及网格划分

本文采用了如图1所示的水室模型。该模型中，水室直径为423 mm，厚度为157 mm，造粒带范围为280～360 mm，切粒刀盘的最大外径为355 mm。水室出口与竖直方向的倾斜角度为5°（该角度为本文研究参数之一）。水室入水口与水平方向夹角为35°，入口直径为100 mm，出口直径为133 mm。水室内包含装有10把切刀的切粒刀盘。从图1所示的方向看刀盘的旋转方向为逆时针方向。粒子水从水室入口通入，在刀盘旋转和粒子水通入的共同作用下将固体颗粒从水室的出口排出。

图1 切粒水室几何模型Fig.1 Geometric model of pelletizing water chamber

使用非结构化四面体网格将几何模型进行网格离散。网格设计中对旋转区域进行了网格加密。对应图1所示几何模型的网格划分结果如图2所示。其中，网格数量为1 345 550，节点数量为948 317。

图2 水室模型网格划分Fig.2 Grid division of water chamber model

1.2 计算工具条件设置

在CFD-DEM耦合计算中，CFD求解器采用单求解器、SIMPLEC算法，计算模型选用k-ε湍流模型，模拟为瞬态。粒子水入口条件设置为速度入口（速度按照粒子水通入量折算，为本文一个研究参数）；出口条件设置为压力出口，取值为0；壁面采用无滑移的标准壁面函数。

EDEM软件中设置颗粒由距刀盘底部5 mm处的颗粒工厂随机生成。计算中以1 t/h的产能进行颗粒生成的参数设定。物料密度取值为918 kg/m3。据此，折合每秒钟产生颗粒数量为17 160个，并且需要以0.236 7 m/s的速度离开造粒面进入水室。模型中考虑了如图1所示-z方向的重力加速度（9.81 m/s2）。

CFD-DEM耦合流程：首先在Fluent中初始化流场并进行一个时间步的流场数据计算，随后将流场数据传输至EDEM中；在EDEM中利用Hertz-Mindlin模型计算颗粒受到的曳力等所有接触力，并由此计算颗粒的速度等信息；将作用力等信息传递回Fluent中进行下一时间步长流场数据的计算，直至达到目标模拟时间。计算流场的时间步长取为1×10-4s，为准确获取颗粒接触力的信息，EDEM时间步长设置为1×10-6s。除此之外，在模型出口处施加颗粒接触边界随即消失的API。其他参数如表1所示。

表1 DEM参数Tab.1 DEM parameters

2 模拟结果及分析

2.1 水室内粒子水及颗粒流动状态

选取经过水室进出口中间平面观察水室内的流动状态，该截面上的速度矢量分布如图3所示。在图示状态下，刀盘转动方向为逆时针方向，并且粒子水在水室右侧形成的速度场也具有逆时针流动的特征。二者具有同向性，经过累加后，在水室右侧形成了粒子水流动的高速区。进入水室出口段的粒子水继承了其来自上游的流动趋势，由于出口处压力的释放，所以出现了与出口管路呈现一定夹角的高速顺流流动特征。

图3 水室进出口中间平面处速度矢量分布图Fig.3 Velocity vector distribution at the middle plane of inlet and outlet of the water chamber

图4显示了粒子流动达到稳定状态后水室内颗粒的分布状态。由图可见，绝大部分颗粒被输送到水室的两侧壁面，少量粒子会进入到水室的中心位置。在刀盘旋转形成的旋转水流的作用下，粒子会形成在水室内旋转的运动趋势。与此同时，由于底部粒子水的通入，在图4（b）中水室右侧形成粒子水的流通区域。进入该区域的粒子大部分会随着粒子水的流动被带出水室。也有少量粒子会在出口处，沿着水流的切线方向再次回到图4（b）所示的水室左侧，从而进入到沿着水室外壁的环流过程中。

图4 水室内颗粒流动状态Fig.4 Particle flow state in the water chamber

2.2 切粒转速对颗粒流动过程的影响

计算中，保持粒子水通入量为60 m3/h不变。比较粒子水通入量相同时，刀盘转速对造粒过程的影响。在产能不变的情况下，刀盘转速增加会使得刀盘切割得到的颗粒直径减小、数目增加。具体地，当刀盘转速为480、580、680、780、880 r/min时，颗粒的半径分别为1.86、1.74、1.65、1.58、1.52 mm，对应每秒钟产生的颗粒数量分别为 10 560、12 760、14 960、17 160和19 360。值得注意的是，由于颗粒工厂单位时间产生的颗粒质量是一致的，所以本节选择水室内存留颗粒的总质量作为研究对象。水室内存留颗粒总质量随刀盘转速改变时的变化规律，如图5所示。由图5可知，刀盘转速增加使得水室内存留的颗粒质量减少。刀盘转速由480 r/min增加到880 r/min时水室内的存留颗粒质量相对减少了18.4%。刀盘转速的增加，一定程度上增加了粒子水的转动速度，从而形成更高的离心力。由此，当携带有颗粒的粒子水在水室出口失去水室壁面约束时，会形成更多的颗粒“逃逸”。

图5 刀盘转速对存留颗粒质量的影响Fig.5 Effect of cutter head speed on the quality of retained particles

进一步，由图6观察颗粒在水室内的平均停留时间。可以看出，随着刀盘转速的增加水室出口处颗粒的平均停留时间减少。说明增加刀盘转速是水下切粒装置操作条件调优的有效途径之一，能有效减少水室内部颗粒的堆积情况。

图6 刀盘转速对颗粒平均停留时间的影响Fig.6 Effect of cutter head speed on average residence time of the particles

2.3 粒子水通入量对颗粒流动过程的影响

选定刀盘转速为780 r/min，通过改变粒子水通入量，来比较粒子水通入量对水室内颗粒流动过程的影响。计算中，选择粒子水通入量分别为30、40、50、60、70 m3/h，对应入口速度分别为 1.06、1.4、1.77、2.1、2.48 m/s。

由图7可知，当粒子水通入量从30 m3/h增加到70 m3/h，水室内的存留颗粒数相减少了约27%。这与图3所示的流场特征密切相关。粒子水通入量增加，使得水室右侧速度场进一步增加，进而在水室出口处形成了更为显著的流出速度。

图7 粒子水通入量对存留颗粒数的影响Fig.7 Effect of the particle water flux on the number of retained particles

由图8可以看出，随着粒子水通入量的增加水室出口处颗粒的平均停留时间减少且效果较为明显。说明增加粒子水通入量也是水下切粒装置操作条件调优的主要途径之一，能有效减少水室内部颗粒的堆积情况。

图8 粒子水通入量对颗粒平均停留时间的影响Fig.8 Effect of particle water flux on the particle average residence time

2.4 切粒水室出口角度对颗粒流动过程的影响

选定刀盘转速780 r/min、粒子水通入量60 m3/h的工况，研究不同水室出口角度对造粒过程的影响。对比0 °、5 °、10 °、15 °和20 °这5种出水口角度下水室内存留颗粒数和颗粒平均停留时间，研究它们随出口角度改变时的变化规律，如图9和图10所示。

图9 水室出口角度对存留颗粒数的影响Fig.9 Effect of outlet angle of the water chamber on the number of retained particles

图10 出口角度对颗粒平均停留时间的影响Fig.10 Effect of outlet angle on average residence time of the particles

由图9和图10可知，切粒水室出口的倾斜角度从0°增加到15°水室内存留颗粒数减少，而从15°增加到20°水室内存留颗粒数增加。随着切粒水室出口角度的增加颗粒的平均停留时间减少，水室出口角度从0°增加到5°时，水室内颗粒的平均停留时间减少较为明显；而水室出口角度从5°增加为10°、10°增加到15°，进一步从15°增加到20°，改进的效果减弱。值得注意的是，水室出口角度还涉及到下游管路的布局，角度不易过大。综合考虑存留颗粒数目和颗粒的平均停留时间，可知水室出口角度为15°时，能够减少水室内部的堆积情况，且有利于颗粒较快离开水室。

2.5 不同直径粒子在粒子水环境中的流动

切粒过程中会形成一定数量碎屑，为此在EDEM颗粒设置中增加直径为0.5 mm的小颗粒，在图中小颗粒以紫色显示，与大颗粒进行区分。假定颗粒与碎屑数量为4∶1（实际上比例远大于此，这里增加碎屑比例的目的是增强对比结果的显著性）。仿真得到的出口处大小颗粒分布状态如图11所示。

图11 出口处大小颗粒分布Fig.11 Particle size distribution at the outlet

由图11可以看出，在水室出口右侧的位置大小颗粒的流动基本呈现一个分开的状态，小颗粒相对于大颗粒靠右离开水室。这是因为大小颗粒在水室出口失去水室壁面约束时，大颗粒具有更大的惯性。由于切粒后粒子水会流经水粒分离单元，如果能够提前分离造粒碎屑，则可以降低分离单元的过滤压力。

3 结论

（1）增加刀盘转速和粒子水通入量有利于水室内颗粒的排出，能有效减少水室内部颗粒的堆积情况；

（2）水室出口倾斜一定的角度有利于颗粒的排出，但该角度的设计还要考虑后续管路的布局；

（3）颗粒和碎屑离开水室时，会在出口管路中形成一定的分离角度；理论上，利用该角度可以形成颗粒与碎屑的提前分离，降低后续水粒分离单元的过滤压力。