新型淘析器內顆粒運動軌跡的數值模擬與工業應用摘要：采用FLUENT6.2提供的標準^一^模型和隨機軌道模型對新型慣性撞擊式淘析器內的顆粒運動軌跡進行了模擬研究，預測了不同粒徑顆粒的運動軌跡和速度分布。模擬結果表明：通過在淘析區加入格柵板，使大顆粒在器內的運動路徑變長，顆粒與格柵間的碰撞作用促進了粘附在粗顆粒表面上細粉的分離；加長對流段有利于提高粒料中離散的細粉塵的分離。工業規模實驗驗證了模擬結果。工業應用的結果表明：設備投入運行后，除塵風機的能力得到發揮，沒有發生堵料、不下料的狀況，設備的除塵能力明顯較以前增強，出廠產品的外觀質量得到根本改善。關鍵詞：淘析器；兩相流；FLUENT；數值模擬；工業應用NumericalSimulationofParticleMovingBehaviorinElutriatorHeJiaqiang(SINOPECQiluBranchCompanyPlasticsComplex,Zibo255410,China)Abstract:TheparticlemovingpathsinanewtypeelutriatorhadbeensimulatedbasedonthestandardidodelandStochasticTrackingmodelprovidedbyFLUENT6.2.16.Themovingpathsandvelocitydistributionoftwosizeparticleswerepredicted.Thenumericalsimulationresultsshowedthatthetravelingdistancesoflargeparticlesinthenewelutriatorbecomelongerthantheoldelutriatorwithoutguidedgridtrays,whichenhancetheseparationoffineandcoarseparticles.Thecollisionimpactforceofgridtolargeparticlescausethefinedustadheredonthesurfaceofcoarseparticlesdetachedfinallyandherebygetatop-qualitygranularproduct.Thisnumericalsimulationresultshadbeenprovedbyindustrialscaletest.Keywords:elutriatortwo-phaseflowFLUENT；numericalsimulationindustrialapplication淘析器是一種粒料分級設備，主要用于顆粒產品中纖維粉塵的分離。其工作原理是：利用各區域氣固兩相存在的速度差，在氣體對固體表面的剪切作用下將附著在粒料表面的細粉塵分離。淘析器由加速段、對流段和淘析區組成。在加速段中進料口 ■司■進氣口AN5加料段 「加速段I加速段II對流分離段出料口N4進料口 ■司■進氣口AN5加料段 「加速段I加速段II對流分離段出料口N4圖1改進型淘析器結構Fig.1Thestructureoftheimprovedelutriator上述形式的淘析器在實際應用中存在粒料產品中的細粉脫除不徹」底，以及細粉中含有少量粒料的問題本文所研究的慣性撞擊式淘析器，如圖1所示，在原淘析器的基礎上，加長了對流段的長度，在對流區封-裝了內筒，并在淘析區加裝了兩層格㈱］使上述問題得到解決，工業應用取得了良好的效果。為了深入了解慣性撞擊式淘析器內粗細顆粒的運動與分離規利，用FLUENT6.2提供的標準1^—^模型和隨機軌道模型對改進型淘析器內的顆粒運動軌跡進行了模擬研究，分析了影響分離性能的結構因素，進行了設備結構優化，為工業化設計提供了參考依據。1數學模型1.1氣相控制方程由于淘析器內氣相流動基本呈各向同性無強旋流故可選用標準

K-8模型模擬其氣相流場。當流動為不可壓縮，且不考慮自定義的源項時，標淮8模型的湍動能和耗散率方程為2］：湍動能K方程：d(pd(pk)d(pku)+idt dxiadx.+Gk-P8湍動能耗散率8方程:d(P8)dd(P8)d(P8u)

—_+ ——r-dtd_dx dxi j根據Launder推薦值及實驗驗證1.2顆粒運動軌跡方程空dxj」C8 82 一k2+T式中湍動粘度f=pC丁各模型常數取值為C1￡=1.44，C2￡=1.92，C「0.09,氣=1.0,區=1.3【3］固體顆粒在淘析器中運動時所受外力包括：氣體曳力、重力、浮力、附加質量力asse力、Magnus升力和Saffman升力等。由于顆粒粒徑較大、濃度較低，顆粒所受的流體曳力是最主要的，因此本文忽略了附加質量力、Basset力和Magnus升力。在拉氏坐標系下，隨機軌道模型中建立的瞬態顆粒動量方1方向）如下［4-5：du——p

dtdu——p

dt=Fd(u-叩+￡(P—P)-P-PP式中，總曳力為f式中，總曳力為fd曳力系數為18日CRpd224pp24 bR=—(1+氣Rb2)+b3re 4e=exp(2.3288-6.4581?+2.4486^2)=0.0964+0.5565?b3=exp(4.905-13.8944?+18.4222?2-10.2599?3)=exp(1.4681+12.2584?-HaiderandLevenspi取的形狀因子定義為?=s/S式中，s為與粒子有相同體積球體的表面積S為粒子的實際表面積。2數值模擬2.1物理模型建立與網格劃分利用GAMBIT建立了淘析器的幾何模型模型的結構尺寸與實驗設備相同。網格劃分采用非結構化混合網格，在流場相對復雜的格柵處，進行了網格的局部加密共劃分了26.7萬個非均勻的六面體網格和3.8萬個四面體網格。經網格離散后的設備物理模型如圖所示。2.2定義邊界條件入口邊界條件入口氣流為常溫狀態的空氣入口處氣流速度采用平均速度湍動能k和耗散率￡通過湍流強度/和水力直徑Oh間接給出，其經驗關系式為-9:3 K1.5 _ 1K=212U2，￡=--—,I=u?/u=0.16(Re)-8h出口邊界條件出口設為流動充分發展的壓力出口，出口壓力為標準大氣壓。壁面邊界條件壁面處采用無滑移邊界條件，在壁面附近采用標準壁面函數 圖2模型網格圖Fig.2Fig.2Thephysicalmodelaftermeshing(4)進料邊界條件加料方式采用面加料，進料量為粒徑1mm^粒0.01kgs-1，粒徑2mm^粒0.5kgs-1。2.3差分格式選擇控制方程組采用有限體積法離散求解。差分格式采用二階迎風，代數方程組采用分離隱式求解方法，用SIMPLE算法求解壓力耦合方程組，考慮顆粒與流體之間、顆粒與湍能之間的四向耦合。3結果分析與討論針對要處理的聚乙烯樹脂粒料的粒徑分布特點，本文主要研究了兩種代表性粒徑顆粒的運動行為，以直徑0.1mm球形顆粒代表細粉塵，以直徑mm球形顆粒代表成品粒料。3.1顆粒運動軌跡模擬計算中投"mm顆粒100個，圖3示出了幾種代表性的顆粒軌跡圖。顆粒從進料口加入，大部分的2mm顆粒豎直下落撞到格柵上后在柵板間進行兩次彈性碰撞使其表面粘附的細顆粒得到振動分離，大顆粒落入淘析區，如(a)圖所示。可以看出，大顆粒經氣流加速至一定速度后，慣性是主導其運動狀態的主要因素，淘析區流場對其影響不大。一部分顆粒撞在有一定厚度的柵板上緣，發生反彈，至對流分離區甚至加速段，然后被下沖氣流再次加速，與格柵進行二次碰撞，如勵所示；或者在格柵與淘析區上壁間反彈，如圖c)、《)所示。還有的在反彈過程中遇到下降顆粒，發生彈性碰撞后折回淘析區，如圖(e)所示。囹^所示的顆粒多次反彈至加速段或者對流區環隙，如果沒有套筒的阻擋，有可能會從出氣口溢出，所以，在對流區封裝套筒，是避免大顆粒溢出的關鍵所在圖(g)顯示了本次模擬中運動路線最復雜的顆粒。它受湍動氣流的影響，在淘析區和對流分離區進行多次碰撞折回運動，最終仍然落回淘析區，得到分離。這說明，引入格柵的慣性撞擊式淘析器雖會導致部分顆粒反彈，但合理設計后可以很好地避免大顆粒的溢出。格柵的加入增加了粒料在器內的停留時間，通過碰撞作用使顆粒表面未被淘析干凈的細粉塵得到振動分離。圖4示出了0.1mm顆粒在淘析器中的運動軌跡。由FLUENT內缺乏相應的數學模型，模擬過程沒有考慮顆粒之間粘附的問題，本文只模擬了離散的細粉塵可以看出，絕大部分0.1mm顆粒在對流分離區得到了分離，因小顆粒慣性小，更易受氣流湍動的影響，其運動軌跡有較強的隨機性°i：圖(濕示，有的小顆粒受聚壁效應影響而貼壁運動；由圖)可看出，部分小顆粒受出口強旋氣流影響，在出氣口附近旋轉運動后流出器外；圖m)、(n)顯示，有的小顆粒被大顆粒流夾帶會下沖到對流段下緣甚至淘析函析區

氣速較低，對細粉塵的分離能力有限。通過增加對流段長度，擴大了對流分離區，避免小顆粒進入淘析區。加裝格柵板，規整了淘析區內流場，規范了小顆粒的運動路徑，二者結合，促進了細粉塵的分離。(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)圖32mm顆粒運動軌跡Fig.3Thetrackof2mmparticles(h) ⑴ (j) (k)(l) (m) (n)圖40.1mm顆粒運動軌跡Fig.4Thetrackof0.1mmparticles3.2顆粒速度分布圖5（a）為大部分的2mm顆粒在淘析器內的速度分布曲線。顆粒在加料段自由下落約7秒后進入加速段，受上進氣口氣流加速，速度迅速增至3m/s,產生了一個速度峰值。爾后顆粒進入擴壓段，顆粒速度值在反復振蕩中緩慢減小到8m/s,這是下沖氣流強烈湍動和靜壓增大共同作用的結果。在對流分離段，顆粒受上沖氣流作用，速度迅速降至2m/s，繼而進入淘析區，產生一個平緩的速度小峰。顆粒在0.53秒時與格柵相撞，經過對兩層格柵的兩次撞擊后，在6秒時就從出料口排出器外。圖;（b）為打到格柵上緣發生反彈的顆粒速度變化曲線示例。顆粒反彈至格柵與淘析區上壁間后，再次進入擴壓區，進行了多次碰撞，停留時間也增加至1.3秒，這更有利于其表面的細粉塵在反復振動中脫落分離。圖6給出了0.1mm顆粒速度分布曲線示例。如圖（a）所示，細粉塵在進料段自由下落.34秒后，被氣流加速，速度迅速增至21m/s,經擴壓段逐漸減速至17m/s,受上沖氣流減速，在0.4秒時速度減至1m/s。顆粒隨氣流翻轉進入對流分離段環隙，與環隙頂部器壁撞擊，同時受出口返混氣流作用，在環隙內振蕩運動，最后以17m/s的速度隨氣流排出器外。圖）（b）中顆粒的運動軌跡與圖5（a）基本一致，不同的是，在

擴壓段受大顆粒碰撞，減速明顯；在出氣口附近，撞到器壁上，最后以m/s的速度排出器外。小顆粒受氣流湍動影響顯著，運動軌跡有較大的隨機性，但其速度分布基本一致。(a) (b)圖52mm顆粒速度分布曲線Fig.5Thevelocitydistributionof2mmparticles圖60.1mm顆粒速度分布曲線Fig.6Thevelocitydistributionof0.1mmparticles3.3實驗驗證實驗設備與計算模型具有相同尺寸，實驗過程中采用了不同的進氣速度和加料量，經過優化后取得了最優操作條件。實驗結果表明：原淘析器處理的產品中細粉塵含量為11%（質量百分數），改進型淘析器處理后的粒料中，細粉塵含量小于.001%，細粉塵中不再含有大顆粒。在光學顯微鏡下，產品物料的外觀效果照片如圖7所示。

實驗前的物料Particlestobeelutriated經原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat?圖7實驗前的物料Particlestobeelutriated經原淘析器■理的物料Productofgeneralelutriat?圖7物料外觀效果圖?經改進型淘析器處理的物料Productofimprovedelutriator■g.wwfflipwfimieippiifflc^?由此可以驗證，實驗結果與模擬結論一致，加長對流段、引入格柵的改進措施可以很好的促進細粉塵的分離。4工業應用結果新型淘析器已安裝投入使用，經過一個月的考核，該設備投入運行后，除塵風機的能力得到發揮，包裝過程中淘析器運行穩定，沒有發生堵料、不下料的狀況，設備的除塵能力明顯較以前增強，出廠產品的外觀質量得到根本改善。沒有改造前，使用舊淘析器除塵，除塵風機的出口閥門僅能開到五分之一，如果再開大出口閥門，部分粒料就會被吹落到粉塵收集器中除塵風機的能力得不到有效發揮除塵的長度一般帶mm左右；20mm的粉塵堆積在除塵器的環形下料口，出現堵料、不下料現象；除塵能力^兒每天包裝能力550t計算，每天除塵55kg，除塵能力低。淘析器改造后，除塵風機的下風口降低了.5m,避免了開大風機出口閥時，部分粒料就會被吹落到粉塵收集器的現象。除塵風機的出口閥門現在可以開到二分之一，除塵風機的能力得到了有效發揮；除塵的長度最大200mm除塵器的環形下料口間距曲0mm改為500mm,堵料、不下料現象得到了改善;除塵能力0.5kg/t,每天包裝能力550t計算，每天除塵275kg除塵能力大大提高。5結論在對流區加接套筒，是解決大顆粒溢出問題的關鍵所在適當增加對流段長度，有利于提高細粉塵的分離效率。在淘析區加入格柵，增加了粒料的停留時間，碰撞作用加強了粘附在粒料表面細粉塵的分離。工業規模實驗驗證了模擬結果說明通過數值模擬能較準確地預測淘析器內的流場分布和顆粒運動軌跡，節省了實驗研究費用，對淘析器的進一步研究有重要的參考價值。工業應用的結果表明:設備投入運行后，除塵風機的能力得到發揮，沒有發生堵料、不下料的狀況，設備的除塵能力明顯較以前增強，出廠產品的外觀質量得到根本改善。符號說明CDdpCDdpDhFdRe

t

u

n曳力系數u 顆粒速度，m?s-1顆粒直徑，m_pu 速度時均值，m-s-1-水力直徑，m8—流耗散率，m2.s-3總曳力，kg-m-s-