不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2010年第29卷第6期·1004·

化工进展

不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟

袁书林，陈海焱

（西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010）

摘要：为研究流化床气流粉碎机在不同工质下内部流场的变化，利用FLUENT流体计算软件对流化床气流粉碎分级机进行整体建模。对不同工质的模拟结果表明：不同工质下气流动压相差不大，但分子量越小的工质经过Laval喷嘴得到的喷嘴出口速率越大，同时粉碎腔内的引射气流速率越大，颗粒进入轴心速率区的概率也增大，故分子量小的工质能有效提高粉碎效率。不同进口压力和背压对气流速率影响的模拟结果表明，提高进口压力，气流速率明显提高；增大负压对提高气流速率不明显。

关键词：流化床气流粉碎机；流场；数值模拟

中图分类号：O 242.1；TB 115 文献标识码：A 文章编号：1000-6613（2010）06-1004-05 Numerical simulation of fluid bed jet mill under different working media

YUAN Shulin，CHEN Haiyan

（Department of Materials Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，

Mianyang 621010，Sichuan，China）

Abstract：Based on integral modeling method，FLUENT software was used to simulate fluidized bed jet mill to explore the changes in internal flow field under different actuating medium. Simulation results showed that there is little difference in air flow velocity pressure with different actuating medium，while a higher outlet velocity can be obtained when actuating medium with lower molecular weight flow through the Laval nozzle. Meanwhile，higher velocity of injective air in grinding chamber provides more chance for particles to enter the axial velocity area. Therefore，an actuating medium with lower molecular weight can increase the grinding efficiency effectively.

Simulation results for different inlet pressure and back pressure on grinding airflow showed that the airflow velocity increases obviously with the building up in the inlet pressure，but less effected by the building up in the back pressure .

Key words：fluid bed jet mill；flow-field；numerical simulation

气流粉碎技术在国外已有近一个世纪的历史，而我国在20世纪80年代才开始研究[1] 。纵观气流粉碎与气流分级技术的开发研究现状，大部分集中在应用开发、气流粉碎分级设备的形式、各种操作参数对气流粉碎分级性能的影响方面，而关于气流粉碎和气流分级的机理、气流粉碎和分级流场的特性、甚至结构参数的研究还很不成熟。我国气流粉碎技术主要是仿制设备，有关气流粉碎和气流分级技术的理论研究及成果极少。

气流粉碎最常用的工质有3种：压缩空气、过热蒸汽和惰性气体。陈海焱等[2]认为蒸汽气流磨的能耗远远小于空气气流磨，蒸汽气流磨的粉碎力大大高于空气气流磨。吉晓莉等[3]分析了气流磨中工质种类和状态对能耗和效率的影响，表明蒸汽与空

收稿日期：2009-10-09；修改稿日期：2009-11-06。

基金项目：“十一五”国家支撑计划重大项目（2006BAF02A24）资助。第一作者简介：袁书林（1981—），男，硕士研究生，主要从事固体废物资源化研究。E-mail ybyang2007@。联系人：陈海焱，教授，主要从事超细粉碎、气流分级技术，通风除尘的研究与设备开发。E-mail chenhaiyan@。

第6期袁书林等：不同工质下流化床气流粉碎机流场数值模拟·1005·

气相比具有压强高、临界速率高、能量利用率高、粉碎强度大等优点。Zhao等[4]利用水平圆盘式气流磨实验研究了氦、水蒸气、空气和二氧化碳作介质对物料粒度的影响，结果表明：分子量小的气体能研磨出更细粉体，在相同的能耗下，分子量越小的研磨气体得到的物料产量越高。但文中未从不同工质时气流磨的流场变化对粉碎效率的影响给予理论上的解释。近年来，对流体速率、气固流的浓度和粒子运行轨迹的测量，虽然有热膜风速（HWFA）、激光多普勒流速仪（LDV）、粒子成像速率场仪（PW）、高速摄影（HSSV）测量等新的技术手段，但对高速的超音速流场和高速旋转的分级流场的测量仍然十分困难。所以通过数值模拟分析气流粉碎机内部流场对气流粉碎分级理论研究是必要的，目前国内对气流粉碎分级机的数值模拟主要限于对气流粉碎机的喷嘴、分级机分开建模，对气流粉碎分级机整体建模分析流场在文献中鲜见报道。

本文作者利用计算流体力学软件FlUENT[5]，建立流化床气流粉碎分级机的三维几何模型，对比不同工质下气流粉碎机的流场变化和分布，对不同工质下粉碎效率差异给予解释；通过模拟分析不同进口压力和背压对流场的影响，可为气流磨系统结构参数设计及系统优化配置提供理论依据。

1 数值计算方法

1.1 物理模型

流化床气流粉碎分级机将高速气流与物料分路进入粉碎室，避免了颗粒与管路的碰撞和摩擦，大大降低了喷嘴和管路的磨损；在粉碎室，颗粒流的对撞降低了颗粒对腔体的磨损；粉碎后达到要求的颗粒及时经涡轮分级机分离，大大降低了过粉碎，提高了能量的利用率；易于实现粉碎和分级一体化，提高效率[6]。流化床气流粉碎分级机模型结构如图1所示：粉碎区高度约为500 mm，腔体直径为300 mm，平面（B—B面）为3个喷嘴圆周均布的面，圆心为粉碎腔喷射中心，坐标为（0，0，0），Y=0平面内喷嘴进口中心坐标为（－181.5，0，0），喷嘴出口中心坐标（－90，0，0）。模型模拟气流粉碎流场，忽略进料口、二次分对流场的影响。分级区总高度为400 mm，上部圆柱筒体直径φ350 mm，分级叶轮最大回转直径为φ250 mm，叶片为直叶片，高度为152 mm，宽度为30 mm，厚度为3 mm。

图1 流化床气流粉碎模型

1.2 计算网格

气流粉碎分级机分为4部分进行建模：Laval 喷嘴（nozzle）、分级区（lower）、叶轮与轴间的环（loop）、叶片流动区域（rator）。

GAMBIT可生成结构化网格、非结构化网格和混合网格等多种类型网格，具有良好的自适应能力，能对网格进行细化或粗化，生成连续或不连续网格。根据各个部分的结构形式，采用不同的网格划分形式：Laval喷嘴采用结构化网格；分级区结构复杂，采用混合网格和非结构化网格形式；叶片与轴间的环采用非结构化网格；叶片间流动区域采用结构化网格。在喷嘴出口、分级机叶片进口使用局部网格加密技术，应用壁面函数法对壁面进行网格划分。

1.3边界条件与数值方法

喷嘴进口设为压力进口（pressure-inlet），出口设为压力出口（pressure-outlet）；叶轮边壁设置为旋转wall，旋向为顺时针z =－1（俯视）；叶片流动区域设为旋转流体，旋转速率设为1800 r/min，旋向同上。其余边界条件保持默认设置。本研究暂不对分级机模拟结果进行讨论。模型外壁要考虑传热，传热系数为50 W/（m2·K），外界温度303 K。分别选取空气、蒸汽等不同工质进行模拟计算，均为可压缩流体，Materials中的Density项设为ideal-gas，C p按piecewise-polynomial计算，其余条件保持默认设置。

模型采用FLUENT的分离隐式稳态求解器、k-ε紊流模型、压力和速率耦合采用SIMPLE修正算法，各参数的离散采用二阶迎风格式。