新型锤片式粉碎机圆弧形分离装置内气固两相流模拟研究*

曹丽英，杨李海，李春东，韩 磊

（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古一机集团科研所，内蒙古 包头 014030）

0 引言

经过多年的发展，我国已成为饲料生产大国[1]。粉碎是饲料生产中重要的工序之一，粉碎机是主要的粉碎设备，其中锤片式粉碎机因具有通用性好、结构简单、易损件更换方便等优点受到了广泛应用。传统卧室锤片式粉碎机工作时，粉碎室内存在空气——物料环流层，容易造成过度粉碎、物料温升大、能耗高、生产力低等问题[2-5]。

课题组研发了一种循环粉碎工艺的新型锤片式粉碎机，其结构和原理如图1 所示，主要工作部件由转子组、粉碎室和分离装置组成，其中分离装置主要工作部件由输料管、回料管、出料管和筛网组成。工作原理为：物料在高速锤片的撞击下被粉碎，随后在转子组的抛射以及高速旋转的气流带动的双重作用下进入输料管，符合粒度的物料透过筛网，从出料管排出，不符合粒度的物料在自重以及粉碎室的负压的双重作用下，从回料管流回至粉碎室，再一次被粉碎，如此循环粉碎。但经过实践发现，该粉碎机存在分离效率比粉碎效率低的问题。

图1 新型锤片式粉碎机结构及工作原理

分离装置是完成物料筛分和物料进行循环粉碎的关键部件，而关于分离装置结构方面的研究，课题组也做了大量工作，查阅分析了一些已有的相关文献。白羽[6]将输料管外壁面设计成最小摩擦功耗曲线形，基于Fluent模拟气固两相流得出最小摩擦功耗曲线形输料管的性能更加优越；王亮等[7]将输料管外壁面设计成圆弧形，基于Fluent模拟气固两相流得出圆弧形输料管有助于提高颗粒透筛率；杨左文[8]将出料管外壁面设计成圆弧形，基于Fluent模拟气固两相流得出圆弧形出料管有助于颗粒透筛。这些研究成果不足之处在于：1）这些研究都集中于分离装置中在单一的外壁面的形状变更，并未将更多壁面组合起来变更；2）模拟气固两相流都基于Fluent这一款软件，Fluent两相流模拟中对于物料只是以料群的形式体现，缺乏对单颗粒物料运动规律的定量描述[9]。基于此，课题组设计了一种圆弧形分离装置，再基于Fluent-EDEM 耦合对其与原始分离装置进行模拟对比研究。本文的研究内容和方法可为新型锤片式粉碎机提高生产效率提供理论依据与技术指导。

1 圆弧形分离装置设计

为了减小物料颗粒与输送管外壁面的碰撞能量损失，从而避免颗粒被提前吸附进回料管而无法完成透筛，因此将输送管外壁面设计成圆弧形[7]；为了减少筛网顶部的湍流以提高透筛率，因此将出料管外壁面设计成圆弧形[8]；考虑到变截面管道相对等截面管道会增加气流能量损失，因此将输送管内壁面圆弧设定为外壁面同心圆弧。圆弧形分离装置结构示意图如图2 所示，其中R1为950 mm，R2为805 mm，R3为350 mm。

图2 圆弧形分离装置结构示意图

2 控制方程

2.1 气体相控制方程

本研究模拟视气体不可压缩，流态为湍流。由于有筛网存在，网格比较小，很难达到网格体积大于颗粒体积这一体积分数传递计算要求，因此只采用动量源项来对气体相和固体颗粒相进行双向耦合传递计算，整个计算过程采用瞬态。综上分析，根据雷诺平均方程，气体相控制方程如下：

2.2 固体颗粒相控制方程

固体颗粒在分离装置中运动，会受到来自气体影响的许多作用力，本研究模拟只考虑影响较大的曳力。除了气体作用力之外，还会受到来自颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的接触力以及自身的重力。综上分析，根据牛顿第二定律，固体颗粒相控制方程如下：

3 模型建立

3.1 实体模型建立

利用SolidWorks 对设计好的圆弧形分离装置实体建模，为了与之对比，将原始分离装置模型一并建立，实体模型如图3 所示。

图3 分离装置实体模型

3.2 计算域模型建立

将建立好的分离装置实体模型导入到SpaceClaim 中，直接对其体积进行抽取，生成计算域模型，如图4所示。

图4 分离装置计算域模型

3.3 网格模型建立

将建立好的计算域模型导入到Ansys mesh 中，采用适应性较好的非结构化网格进行划分。整体计算域网格尺寸设置为7 mm，筛网处的网格尺寸设置为4 mm。网格模型如图5所示。

图5 分离装置网格模型

4 参数设置

4.1 Fluent参数设置

湍流模型选择标准k-ε湍流模型，曳力模型选择Morsi and Alexander曳力模型。分离装置入口边界类型设置为速度入口（Velocity inlet），风速为10 m/s；出料口边界类型设置为压力出口（Pressure outlet），标准大气压；回料管出口边界类型设置为压力出口（Pressure outlet），负压为-300 Pa；壳体边界类型设置为壁面（Wall）[4]。

4.2 EDEM参数设置

本研究模拟视颗粒材料为玉米粒，其密度为1 154 kg/m3，泊松比为0.4，剪切模量为1.37×108Pa；玉米粒与玉米粒的碰撞恢复系数为0.302，静摩擦系数为0.312，滚动摩擦系数为0.054 5；分离装置材质为Q235，其密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.28，剪切模量为8.1×1010Pa；玉米粒与分离装置的碰撞恢复系数为0.635，静摩擦系数为0.439，滚动摩擦系数为0.031 7[10]。

设置颗粒为球形颗粒，粒径分布统一固定。在分离装置入口设置颗粒工厂，且设置颗粒为动态生成。EDEM 时间步长设置为Fluent 时间步长的百分之一。模拟时间为2 s。

5 颗粒运动过程模拟结果对比分析

截取颗粒运动过程中有意义的时刻图像，其结果如图6 所示，其中颗粒采用不同颜色表示不同能量大小。

图6 颗粒运动过程

由图6（a）可知：0.03 s时刻，源源不断的颗粒在原始分离装置入口处的颗粒工厂中生成；0.06 s时刻，颗粒首先与输料管外壁面弯段处发生碰撞，碰撞后的颗粒，能量发生损失；0.09 s时刻，碰撞后的大部分颗粒向内壁面方向运动，另外小部分颗粒在气流的作用下，沿着外壁面方向运动；0.13 s时刻，向内壁面方向运动的颗粒与内壁面上方处发生碰撞，能量进一步损失；0.25 s 时刻，碰撞后的大部分颗粒向筛网方向运动，进行透筛，另外小部分颗粒由于碰撞能量损失严重，且在回料管负压的作用下，被提前吸附进回料管中，无法完成透筛；0.35 s时刻，无法完成透筛的颗粒由于与筛网碰撞，能量发生损失，且在重力及负压的作用下，流入回料管中。

由图6（b）可知：0.03 s 时刻，源源不断的颗粒在圆弧形分离装置入口处的颗粒工厂中生成；0.06 s～0.09 s时刻，颗粒由外层至内层，逐渐地与输料管外壁面发生碰撞，能量发生损失；0.13 s时刻，颗粒沿着外壁面方向运动，且外层的颗粒在气流的作用下，能量得到增强；0.25 s～0.35 s时刻，颗粒进行透筛，无法完成透筛的颗粒由于与筛网碰撞，能量发生损失，且在重力及负压的作用下，流入回料管中。

综上分析可知，相比于原始分离装置，圆弧形分离装置能有效减少颗粒与壁面之间的碰撞，从而减少颗粒的能量损失，提高出料量。

5.1 入口空气流速对两种分离装置出料量的影响对比

在EDEM 中设置入口料流速率为7 500 颗/s，颗粒粒径为1.5 mm；在Fluent 中设置回料管出口负压为-300 Pa，其次分别设置入口空气流速为8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s五种工况，模拟时间2 s，模拟试验结果变化趋势如图7所示。

图7 两种分离装置出料量相对入口空气流速的变化趋势

由图7 可知：两种分离装置出料量均随着入口空气流速增加而增加，当入口空气流速由8 m/s 增加至12 m/s时，圆弧形分离装置出料量由10 075颗增加至12 178颗，原始分离装置出料量由9 610颗增加至11 324颗，这是因为入口空气流速增加导致颗粒速度增加，从而到达筛网处的颗粒数目增加，出料量增加；在不同入口空气流速下，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量均有所提高，且提高幅度随着入口空气流速增加而增加，当入口空气流速分别为8 m/s、9 m/s、10 m/s、11 m/s和12 m/s时，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量分别提高了4.84%、6.70%、6.90%、7.11%和7.54%。由此可见，入口空气流速越大，相比于原始分离装置，圆弧形分离装置的结构特性优势越显著。

5.2 入口料流速率对两种分离装置出料量的影响对比

在Fluent中设置入口空气流速为10 m/s，回料管出口负压为-300 Pa；在EDEM 中设置颗粒粒径为1.5 mm，其次分别设置入口料流速率为5 000颗/s、6 250颗/s、7 500颗/s、8 750颗/s和10 000颗/s五种工况，模拟时间2 s，其中7 500颗/s工况的数据与本文5.1一致，模拟试验结果变化趋势如图8 所示。

由图8 可知：两种分离装置出料量均随着入口料流速率增加而增加，当入口料流速率由5 000颗/s增加至10 000颗/s时，圆弧形分离装置出料量由7 483颗增加至15 387颗，原始分离装置出料量由7 117颗增加至14 187 颗。这是因为入口料流速率增加导致到达筛网处的颗粒数目增加，从而出料量增加；在不同入口料流速率下，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量均有所提高，且提高幅度随着入口料流速率增加而增加，当入口料流速率分别为5 000颗/s、6 250颗/s、7 500颗/s、8 750颗/s和10 000颗/s时，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量分别提高了5.14%、6.82%、6.90%、7.98%和8.46%。由此可见，入口料流速率越大，相比于原始分离装置，圆弧形分离装置的结构特性优势越显著。

5.3 回料管出口负压对两种分离装置出料量的影响对比

在EDEM 中设置入口料流速率为7 500 颗/s，颗粒粒径为1.5 mm；在Fluent中设置入口空气流速为10 m/s，其次分别设置回料管出口负压为-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa五种工况，模拟时间2 s，其中-300 Pa工况的数据与本文5.1一致，模拟试验结果变化趋势如图9 所示。

图9 两种分离装置出料量相对回料管出口的变化趋势

由图9 可知：两种分离装置出料量均随着回料管出口负压增加而减少，当回料管出口负压由-100 Pa增加至-500 Pa时，圆弧形分离装置出料量由11 591颗减少至11 268 颗，原始分离装置出料量由10 970颗减少至10 364 颗。这是因为回料管出口负压增加导致提前被吸附进回料管的颗粒目数增加，从而到达筛网处的颗粒数目减少，出料量减少；在不同回料管出口负压下，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量均有所提高，且提高幅度随着回料管出口负压增加而增加，当回料管出口负压分别为-100 Pa、-200 Pa、-300 Pa、-400 Pa和-500 Pa时，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量分别提高了5.66%、6.02%、6.90%、8.39%和8.72%。由此可见，回料管出口负压越大，相比于原始分离装置，圆弧形分离装置的结构特性优势越显著。

5.4 颗粒粒径对两种分离装置出料量的影响对比

在Fluent 中设置入口空气流速为10 m/s，回料管出口负压为-300 Pa；在EDEM 中设置入口料流速率为7 500颗/s，其次分别设置颗粒粒径为1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm五种工况，模拟时间2 s，其中1.50 mm工况的数据与本文5.1一致，模拟试验结果变化趋势如图10 所示。

图10 两种分离装置出料量相对颗粒粒径的变化趋势

由图10 可知：两种分离装置出料量均随着颗粒粒径增加而减少，当颗粒粒径由1.00 mm增加至2.00 mm时，圆弧形分离装置出料量由12 757 颗减少至9 670颗，原始分离装置出料量由12 077 颗减少至8 526颗，这是因为颗粒粒径增加，第一导致颗粒体积增加，从而透筛困难度增加，成功透筛的颗粒减少；第二导致颗粒重力增加，从而越容易发生提前沉降，到达筛网处的颗粒数目减少。综合上述两种原因，因此出料量减少；在不同颗粒粒径下，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量均有所提高，且提高幅度随着颗粒粒径增加而增加，当颗粒粒径分别为1.00 mm、1.25 mm、1.50 mm、1.75 mm和2.00 mm时，圆弧形分离装置出料量相比原始分离装置出料量分别提高了5.63%、6.57%、6.90%、8.42%和13.43%。由此可见，颗粒粒径越大，相比于原始分离装置，圆弧形分离装置的结构特性优势越显著。

6 结论

本文设计了一种圆弧形分离装置，首先基于Fluent-EDEM 模拟了其与原始分离装置中的气固两相流，随后基于Fluent-EDEM 对两种分离装置模拟单因素试验，分别得出以下两个结论：

1）相比于原始分离装置，圆弧形分离装置能有效减少颗粒与壁面之间的碰撞，从而减少颗粒的能量损失，提高出料量。

2）圆弧形分离装置出料量随着入口空气流速和入口料流速率增加而增加，随着回料管出口负压和颗粒粒径增加而减少；相比于原始分离装置，入口空气流速、入口料流速率、回料管出口负压和颗粒粒径越大，圆弧形分离装置的结构特性优势越显著。