非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬進(jìn)展

/非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬進(jìn)展本文將調(diào)研非金屬礦領(lǐng)域粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的討論情況，給出其概貌。分析數(shù)值模擬在非金屬礦粉體加工中應(yīng)用推廣的必要性、國內(nèi)目前討論進(jìn)展，總結(jié)非金屬礦粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的關(guān)鍵、存在困難和進(jìn)展趨勢。1、非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的必要性非金屬礦粉體加工設(shè)備流場討論方法重要有理論分析、試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法三類。但粉體加工設(shè)備內(nèi)部工作質(zhì)的多相（氣固兩相或液固兩相，甚至氣液固三相）和由結(jié)構(gòu)繁復(fù)（往往由多個(gè)部件構(gòu)成且形狀特別）帶來流場流域邊界的多而雜導(dǎo)致設(shè)備流場的流動(dòng)流型極其多而雜，理論分析難度大，要得到有實(shí)際意義的理論分析特別困難。而由于流場中粉體顆粒流場的存在使流場不透亮，現(xiàn)代光學(xué)流場測量手段無法應(yīng)用，再加粉體流場的濃度不均、流型多樣且存在相互轉(zhuǎn)化、接觸式測量易堵塞磨損且會(huì)引入不宜疏忽的測量干擾，所以其試驗(yàn)測量難度較大，費(fèi)用很高，而且試驗(yàn)手段很難得到粉體設(shè)備流場物理量的細(xì)節(jié)分布和分析。數(shù)值模擬方法具有肯定的理論基礎(chǔ)、投資少、可重復(fù)性和可掌控性等優(yōu)點(diǎn)，特別是近年來計(jì)算機(jī)硬件的飛速進(jìn)展和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的成熟進(jìn)步，使得非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值計(jì)算討論的可行性大幅提高。所以，數(shù)值模擬成為粉體加工設(shè)備流場討論的緊要方法，對(duì)認(rèn)得各具特性的粉體加工設(shè)備的工作原理以提高其加工效率和效果，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)等都具有極其緊要意義。2、非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的討論進(jìn)展非金屬礦粉體加工設(shè)備包括粉碎與分級(jí)、超細(xì)粉碎與精細(xì)分級(jí)、選礦與提純、表面改性、固液分別和干燥等類型，但目前引入數(shù)值模擬的類型包括粉碎、分級(jí)、表面改性、粉體輸送以及水泥爐窯等。離心選礦的數(shù)值模擬也已經(jīng)起步。2.1（超細(xì)粉碎）與磨機(jī)方面的模擬進(jìn)展超細(xì)粉碎作為非金屬礦粉體深加工技術(shù)之一，對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)進(jìn)展具有緊要意義。隨著超細(xì)粉碎設(shè)備的日趨進(jìn)步，國內(nèi)對(duì)超細(xì)粉碎及磨機(jī)的模擬討論呈漸漸增多的趨勢。王瑞紅利用FLUENT軟件對(duì)準(zhǔn)直管磨料射流準(zhǔn)直管靜止不動(dòng)、入口帶圓錐收斂段的直管磨料噴頭內(nèi)部等溫、不可壓縮、穩(wěn)態(tài)、液固湍流進(jìn)行數(shù)值模擬。認(rèn)為噴頭混合室內(nèi)存在二個(gè)環(huán)形回流區(qū)。楊軍瑞等利用FLUENT對(duì)氣流粉碎中取得高速氣流的常規(guī)噴嘴與自行設(shè)計(jì)的新型環(huán)形復(fù)合噴嘴進(jìn)行氣相數(shù)值模擬，認(rèn)為所設(shè)計(jì)新型噴嘴具有射流速度快、射流相對(duì)集中和射程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。李翔等用Fluent對(duì)CXM型超細(xì)分級(jí)磨樣機(jī)風(fēng)口環(huán)進(jìn)行氣相模擬，討論其結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)對(duì)粉碎區(qū)粉碎效果的影響。張國旺等用CFX軟件對(duì)盤式、棒式、螺旋式三種攪拌器的超細(xì)立式攪拌磨機(jī)流場進(jìn)行單一液相數(shù)值模擬，分析其速度梯度、剪切率、粘性耗散率等流場特性，認(rèn)為棒式攪拌磨機(jī)速度梯度大、應(yīng)力分布均勻和阻力較小的一種磨機(jī)。紀(jì)鴻利用FLUENT軟件對(duì)試驗(yàn)室用MINIZETA型臥式攪拌磨機(jī)進(jìn)行單一液相流場模擬討論，得到磨機(jī)內(nèi)速度、壓力、能量分布呈“喇叭口”形狀的結(jié)論；也用EDEM軟件對(duì)磨機(jī)介質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行模擬嘗試。2.2（分級(jí)設(shè)備）的模擬進(jìn)展目前，粉體分級(jí)設(shè)備的模擬討論涉及渦輪分級(jí)（含立磨選粉機(jī)）、渦流超細(xì)分級(jí)、氣力超細(xì)分級(jí)等設(shè)備。其中對(duì)渦輪分級(jí)機(jī)流場的數(shù)值模擬較多。在渦輪分級(jí)方面，陳海焱等用FLUENT對(duì)渦輪分級(jí)機(jī)分級(jí)輪進(jìn)行數(shù)值模擬，討論分級(jí)輪徑向速度和分級(jí)區(qū)流場分布。針對(duì)干法水泥生產(chǎn)線中使用的立磨選粉機(jī)（屬風(fēng)掃式渦輪選粉機(jī)）分級(jí)室，李進(jìn)春、童聰?shù)葘?duì)SLK5500選粉機(jī)分級(jí)室腔體進(jìn)行氣固兩相數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)改進(jìn)試驗(yàn)，討論結(jié)構(gòu)變化（不同葉片間距和安裝傾角）對(duì)分級(jí)區(qū)速度場的影響及其分級(jí)效率的變化規(guī)律。綦海軍等也對(duì)渦輪式立磨選粉機(jī)內(nèi)的氣固兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬和相關(guān)試驗(yàn)，討論轉(zhuǎn)速、風(fēng)量等操作參數(shù)對(duì)分級(jí)流場的影響，設(shè)計(jì)出SMG5500型立磨選粉機(jī)，用于水泥廠立磨節(jié)能改造。針對(duì)水泥粉磨系統(tǒng)中使用的O—Sepa選粉機(jī)，陳杰來等用FLUENT對(duì)其轉(zhuǎn)子底部4種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，探究底部結(jié)構(gòu)對(duì)選粉機(jī)流場特性的影響。在渦流分級(jí)方面，李雙躍、李洪等對(duì)平面渦流分級(jí)機(jī)的導(dǎo)流、密封和轉(zhuǎn)子進(jìn)行數(shù)值分析，討論蝸殼與導(dǎo)風(fēng)葉對(duì)導(dǎo)流效果的影響及分級(jí)機(jī)中存在的磨損現(xiàn)象。李進(jìn)春等對(duì)渦流分級(jí)機(jī)葉片間氣固兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)一種“Z”型轉(zhuǎn)子葉片，并以葉片間的流場作為模型，討論不同前彎、后彎傾角下的流場規(guī)律。楊慶良等用FLUENT對(duì)渦流分級(jí)機(jī)三維氣相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)采納激光多普勒測速儀對(duì)分級(jí)機(jī)葉片間流場進(jìn)行測量，并對(duì)轉(zhuǎn)籠結(jié)構(gòu)改進(jìn)后再行模擬。孫樹峰等對(duì)重質(zhì)碳酸鈣和石英在CF型渦流分級(jí)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行氣固混合相數(shù)值模擬和分級(jí)試驗(yàn)，討論轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)特性的影響。在氣力超細(xì)分級(jí)方面，徐政較早采納數(shù)值模擬對(duì)轉(zhuǎn)子型空氣分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的不同角度和不同葉片間距打開流場模擬討論，認(rèn)為負(fù)角度葉片、間距越小葉片更有利于超細(xì)分級(jí)的進(jìn)行。焦渤等對(duì)所在試驗(yàn)室（北京市粉體技術(shù)討論重點(diǎn)試驗(yàn)室）自制氣流分級(jí)機(jī)氣相流場進(jìn)行數(shù)值模擬，討論分級(jí)輪不同葉片數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下分級(jí)機(jī)內(nèi)部流場情況并給出相關(guān)解釋。另外，王勇按水力旋流器原理自行設(shè)計(jì)圓柱形隔艙式多段旋流分級(jí)機(jī)，用FLUENT對(duì)其單相及多相流場進(jìn)行初步數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與石英砂分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。2.3（粉體混合）的模擬進(jìn)展粉體混合（或均化）是粉體加工的緊要單元，但其模擬討論較少。歐陽鴻武等較早討論總結(jié)了粉末冶金中固固粉體混合過程的基本特征和混合機(jī)制，并介紹了本世紀(jì)初粉體（顆粒）混合過程的數(shù)值模擬和試驗(yàn)討論情況。葉濤等分析了用FLUENT軟件進(jìn)行粉粒體混合設(shè)備內(nèi)部流場模擬的基本理論和方法，總結(jié)國內(nèi)外應(yīng)用和討論的進(jìn)展及成果。2.3（粉體改性設(shè)備）的模擬進(jìn)展目前國內(nèi)僅有的改性機(jī)模擬討論為，吳翠平用FLUENT對(duì)廣泛使用的SLG型連續(xù)粉體表面改性機(jī)改性流場打開的氣固兩相數(shù)值模擬。該討論依據(jù)流場測量（速度、壓力、溫度）結(jié)果確定模擬參數(shù)，發(fā)覺湍動(dòng)能耗散率、剪切速率和渦量分布基本重合的流場特性和集攪拌與射流于一體的改性機(jī)混合機(jī)理。2.4輸送設(shè)備及粉體擴(kuò)散的模擬進(jìn)展輸送設(shè)備是粉體加工中的連接設(shè)備，而粉體擴(kuò)散涉及粉體加工場所內(nèi)粉體的損失和人員工作環(huán)境的保護(hù)，目前其流場數(shù)字模擬討論不多。施陽和等用Solidworks建模FLUENT離散相模型對(duì)螺旋送粉器內(nèi)固體顆粒軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬，討論影響其性能的關(guān)鍵因素。盧洲等[29]用FLUENT結(jié)合EDEM對(duì)柱狀顆粒在90彎管中的氣力輸送過程進(jìn)行模擬，討論不同彎徑比下顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、碰撞特性和顆粒碎裂率。荊俊山等對(duì)生產(chǎn)車間內(nèi)納米顆粒的擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，討論通風(fēng)風(fēng)速對(duì)納米粉塵濃度的影響。2.5水泥等爐窯的模擬進(jìn)展自2023年起，水泥、玻璃、陶瓷行業(yè)，數(shù)值模擬方法已經(jīng)較多應(yīng)用于各種窯爐或合成過程的討論，這類模擬中往往包含溫度場。黃來等對(duì)雙噴騰分解爐、陳作柄等對(duì)強(qiáng)化懸浮式分解爐、肖國俊等對(duì)煅燒回轉(zhuǎn)窯、謝峻林等對(duì)SLC—S分解爐、張范斌等對(duì)浮法玻璃退火窯、邵宏根等對(duì)浮法玻璃成型、胡國林等對(duì)瓷質(zhì)磚濕坯對(duì)流干燥、李少華等對(duì)水平回轉(zhuǎn)窯、肖國慶等對(duì)Ti—C系自擴(kuò)散高溫合成等裝置、設(shè)備或過程的內(nèi)部氣固相流場分別進(jìn)行模擬討論。3、粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)目前，粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬技術(shù)的焦點(diǎn)重要在超細(xì)粉碎與磨機(jī)、精細(xì)分級(jí)、粉體改性等方面。由于粉體的存在，粉體加工設(shè)備的流場總是兩相（如氣固、液固）甚至三相，不如化工設(shè)備流場那么單一（往往可視做均一相），且分級(jí)流場內(nèi)粉體不同粒度分布的加工結(jié)果必需認(rèn)真考察。同時(shí)，粉體加工設(shè)備類型多，即使是同類型的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)差別也往往很大，但大設(shè)備往往包含旋轉(zhuǎn)部件。因此，非金屬礦粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬往往需要處理好以下四個(gè)問題。這四個(gè)問題也是成功實(shí)現(xiàn)粉體加工設(shè)備數(shù)值模擬的技術(shù)關(guān)鍵。1）建立粉體流場的幾何模型。粉體加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)往往很多而雜，含轉(zhuǎn)動(dòng)必定要有轉(zhuǎn)軸，因此從多而雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)中如何簡化或取舍、甚至重新劃分或小改動(dòng)以便建立能夠適用于數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分的幾何模型，是數(shù)值模擬的首要任務(wù)，需要精準(zhǔn)明確了解設(shè)備結(jié)構(gòu)。2）界定粉體流場的計(jì)算條件。實(shí)在包括相（單相，多相或均一相）及其物理性質(zhì)與含量、可壓與不可壓、旋轉(zhuǎn)流場的處理（如旋轉(zhuǎn)域的界限）、入口和出口的邊界條件，這些方面需要諳習(xí)設(shè)備工作狀態(tài)和操作條件及模擬計(jì)算閱歷，必要時(shí)需要經(jīng)過測量來確定某些參數(shù)。3）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分及模擬計(jì)算。需要對(duì)網(wǎng)格劃分工具和計(jì)算軟件的精通把握，需要投入大量時(shí)間，反復(fù)試算，以及充足的計(jì)算機(jī)性能，網(wǎng)格越細(xì)對(duì)計(jì)算本領(lǐng)的要求越高，甚至需要服務(wù)器的較長機(jī)時(shí)才能在合理時(shí)間內(nèi)獲得計(jì)算收斂。4）得到針對(duì)計(jì)算目標(biāo)的后處理。需要精通后處理軟件，并結(jié)合模擬計(jì)算目的和理論分析與試驗(yàn)討論結(jié)果，才能得到有意義的計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論。4、目前困難與進(jìn)展趨勢目前，對(duì)于非金屬礦粉體加工的模擬討論數(shù)量在增多，但技術(shù)上依舊處于初始探究階段，能得到有意義結(jié)論的討論為數(shù)不多。從論文調(diào)研看，粉體加工模擬計(jì)算手段除個(gè)別采納自編程序（需要具備流體力學(xué)專業(yè)理論和程序設(shè)計(jì)本領(lǐng)）外，大直接采納商用軟件。上世紀(jì)末以PHOENICS為主，現(xiàn)在則以FLUENT為主，占90%以上。對(duì)多而雜粉體設(shè)備的流場模擬，一討論采納SOLIDWORKS、Pro/E、Rhinoceros等三維軟件進(jìn)行幾何建模。同時(shí)，有少討論采納Tecplot實(shí)現(xiàn)后處理。這樣的模擬手段情形與商用流場模擬軟件的進(jìn)展、成熟及其在國內(nèi)的應(yīng)用普及緊密相關(guān)。非金屬礦粉體加工設(shè)備流場數(shù)值模擬的目前困難在于前述關(guān)鍵技術(shù)的第2）步。成熟商業(yè)軟件本身的算法、網(wǎng)格類型、邊界條件等諸方面的正確性在其上市前和廣泛應(yīng)用中已經(jīng)得到驗(yàn)證，對(duì)于給定條件（即計(jì)算前的一些列設(shè)置，如邊界條件、求解方法等）其計(jì)算結(jié)果應(yīng)當(dāng)是正確的。困難在于如何將某一實(shí)在粉體設(shè)備數(shù)值模擬的條件確定合適。只要設(shè)置合適的給定條件，必定能得到正確結(jié)果；但確定合適條件需要對(duì)粉體設(shè)備結(jié)構(gòu)的把握、理論分析、運(yùn)行閱歷和模擬計(jì)算閱歷，尤其是，一些關(guān)鍵參數(shù)需要在真實(shí)運(yùn)行設(shè)備中實(shí)際測量，需要具備必要的財(cái)力、物力、人力，還要受限于流場參數(shù)的測量技術(shù)。目前，充足這些需要還不簡單做到。所以，非金屬礦粉體加工流場數(shù)值模擬的進(jìn)展趨勢是通過加強(qiáng)流場測量技術(shù)和提高國內(nèi)非金屬礦數(shù)值模擬群體的計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)水平，保證為實(shí)在粉體設(shè)備確定出合適的給定條件，以便得到針對(duì)實(shí)在計(jì)算目標(biāo)的真正有工程意義的模擬結(jié)果和結(jié)論。5、結(jié)論1）國內(nèi)非金屬礦粉體加工設(shè)備流場的數(shù)值模擬討論重要集中在超細(xì)粉碎、超細(xì)分級(jí)、窯爐、混合等方面，且模擬均針對(duì)三維流場。雖然數(shù)量在