立磨腔內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)的數(shù)值分析

立磨腔內(nèi)氣固兩相流場(chǎng)的數(shù)值分析

0立磨腔內(nèi)流場(chǎng)的研究立磨采用料床機(jī)粉磨材料，集研磨、干燥、分類(lèi)于一體。結(jié)構(gòu)緊湊，制作工藝簡(jiǎn)單，電耗低。是一種高效的粉磨設(shè)備。雖然中國(guó)的研磨開(kāi)始緩慢，但比國(guó)外落后。然而，在過(guò)去的十多年里，中國(guó)的首都磨在快速發(fā)展。作為行業(yè)中的重要設(shè)備，立磨系列的大型化和過(guò)程效率是其發(fā)展的主要方向。然而，在我國(guó)的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)冗余、結(jié)構(gòu)參數(shù)和技術(shù)參數(shù)不合理，模仿國(guó)外設(shè)備不能獨(dú)立創(chuàng)新，因此，旋轉(zhuǎn)摩擦片的優(yōu)化、改造和更新是多學(xué)科優(yōu)化的重要組成部分。對(duì)于旋轉(zhuǎn)莫哈姆曼的模型，fd動(dòng)態(tài)方程的統(tǒng)計(jì)分析可以進(jìn)行詳細(xì)的流量動(dòng)力學(xué)分析（cfd）。為了提高立磨系統(tǒng)的工作效率，降低系統(tǒng)能耗，孫亞忠、陳作兵等從速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的角度分析了旋轉(zhuǎn)莫哈布松的特征。孫亞忠、陳作兵等從速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的角度分析了旋轉(zhuǎn)莫哈布松的氣固耦合流場(chǎng)。采用數(shù)值模擬方法和工程實(shí)際的比較方法，分析了旋轉(zhuǎn)莫哈布松的高速區(qū)域，并描述了兩種不同直徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。kamalehs、bumbae和zanhofma等人考慮了磨損機(jī)座框架內(nèi)的溫度場(chǎng)，并分析了兩種不同直徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。kamalehs、bumbae和zanhuma等人考慮了公共服務(wù)部和爐場(chǎng)中的流量分布。根據(jù)分析獲得的理論，對(duì)模糊地破壞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。1立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)本研究選擇國(guó)內(nèi)某型立磨.其主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.由表1數(shù)據(jù)并結(jié)合立磨結(jié)構(gòu)尺寸,依據(jù)工程流體力學(xué)基本公式計(jì)算立磨腔內(nèi)流場(chǎng)的初步參數(shù).輸送氣體的雷諾數(shù)為立磨磨腔入口處的雷諾數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道內(nèi)形成湍流的臨界值4000.因此立磨腔內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程按湍流流動(dòng)來(lái)處理.湍流強(qiáng)度為立磨磨腔是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu).磨輥與水平方向成15°懸置,高速熱風(fēng)通過(guò)風(fēng)環(huán)夾帶低速顆粒向上流經(jīng)磨輥軸時(shí)相當(dāng)于在一定夾角下氣固兩相流體的繞圓柱流動(dòng),由于速度差的存在使氣固兩相的耦合性很強(qiáng).磨輥較磨輥軸直徑大的多,即又存在突擴(kuò)流動(dòng),以及繞磨輥四周氣體的剪切流,同時(shí)存在磨盤(pán)和磨輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使得立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)又具有旋轉(zhuǎn)流的特性.2磨腔內(nèi)流動(dòng)相流模型在立磨粉磨的工作過(guò)程中,入磨風(fēng)速很大,磨腔內(nèi)流場(chǎng)的雷諾數(shù)很高,磨腔內(nèi)流動(dòng)為氣固兩相流,同時(shí)磨盤(pán)和磨輥都在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),氣固兩相的耦合程度很高,需要選擇合適的湍流模型和多相流模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值分析.2.1磨腔內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型Realizablek-ε二方程模型,是標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程模型的改進(jìn)方案,是目前應(yīng)用最為廣泛的湍流模型.能有效的用于各種不同類(lèi)型的流動(dòng)模擬,包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng),以及帶有分離的流動(dòng)等.立磨腔內(nèi)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,高速熱風(fēng)夾帶低速顆粒向上噴射,氣固兩相存在很強(qiáng)的耦合性.氣固兩相流體繞磨輥軸流動(dòng),在磨輥周?chē)执嬖谕粩U(kuò)流動(dòng)并且氣固兩相存在分離流動(dòng).根據(jù)以上分析,并從穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和計(jì)算精度上考慮,本研究選用Realizablek-ε二方程模型來(lái)計(jì)算分析磨腔內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng).2.2拉格朗日多相流模型拉格朗日多相流模型適用于模擬主要有一個(gè)連續(xù)相和一個(gè)相對(duì)較小體積分?jǐn)?shù)的離散相組成的兩相流流動(dòng).在粒子數(shù)量很大的情況下,拉格朗日多相流模型用統(tǒng)計(jì)的方法定義了粒子團(tuán)(Parcel),每個(gè)粒子團(tuán)代表局部小范圍的粒子有相同的屬性,兩相流中總體的粒子被小數(shù)量的可計(jì)算的粒子團(tuán)代表.目的是為了使流動(dòng)過(guò)程中包含小數(shù)量的粒子團(tuán)(但足以代表總體粒子的特性).該模型為每個(gè)粒子團(tuán)制定控制方程,跟蹤每個(gè)粒子團(tuán).這樣就可以得到所有粒子運(yùn)動(dòng)的概貌.本研究中固體粒子所占體積分?jǐn)?shù)為0.021%,滿(mǎn)足拉格朗日多相流模型對(duì)粒子相的體積分?jǐn)?shù)較小的要求,因此選用拉格朗日多相流模型對(duì)立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行精確的模擬.在拉格朗日模型中,氣體為連續(xù)相,粒子為離散相,粒子滿(mǎn)足動(dòng)量守恒方程為dd=+(3)在拉格朗日坐標(biāo)下顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為顆粒與壁面碰撞的速度控制方程為3砂漿內(nèi)流場(chǎng)設(shè)計(jì)3.1建立網(wǎng)格模型根據(jù)立磨的基本結(jié)構(gòu)尺寸,建立簡(jiǎn)化的三維磨腔模型如圖1所示.為了更具有針對(duì)性,更具體細(xì)致的分析立磨腔內(nèi)流場(chǎng),立磨腔內(nèi)流體計(jì)算部分的幾何模型不包含選粉機(jī)部分.本文基于STAR-CCM+通用流體力學(xué)軟件,采用多面體網(wǎng)格該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,生成的網(wǎng)格模型如圖2所示.3.2設(shè)置研磨盤(pán)及追蹤固體粒子氣體入口選取風(fēng)環(huán)入口處,粒子入口設(shè)置在磨盤(pán)邊緣,進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件,出口采用壓力出口邊界條件,給定出口為中殼體的頂端橫截面如圖2所示.根據(jù)壁面不滑移假設(shè),立磨磨腔壁面設(shè)置為非滑移網(wǎng)格屬性,設(shè)置邊界層厚度為0.033m.磨盤(pán)主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)料層和磨輥嚙合在一起,使磨輥從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),磨輥轉(zhuǎn)速為45r/min,磨盤(pán)轉(zhuǎn)速為25r/min.磨輥粗糙度設(shè)置為0.03m.由于物料的存在磨盤(pán)粗糙度設(shè)置為0.10m.固體粒子密度為ρs=3100kg/m3,追蹤固體粒子采用ResidenceTime方法,設(shè)置值為1s.入磨風(fēng)量設(shè)置為6.4×105Nm3/h.4砂漿內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算及分析4.1風(fēng)環(huán)出口形狀對(duì)立磨腔內(nèi)流場(chǎng)的影響將流體介質(zhì)設(shè)為氣體,對(duì)立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)做出單相流分析,通過(guò)其模擬結(jié)果能準(zhǔn)確形象的分析出立磨腔內(nèi)的氣相流動(dòng),為下一步氣固兩相流的計(jì)算分析做基礎(chǔ).選取磨盤(pán)中心為原點(diǎn),選取過(guò)原點(diǎn)的方向?yàn)閇1.0,0.0,0.0]和[1.0,0.0,1.0]的兩個(gè)截面研究磨腔內(nèi)流場(chǎng)的縱向分布,分別記為縱截面1和縱截面2.選取兩個(gè)分別距于磨盤(pán)1.5m和3m處的橫截面研究立磨腔內(nèi)流場(chǎng)的水平分布,分別記為橫截面1和橫截面2,記H為所采集數(shù)據(jù)的截面到磨盤(pán)的垂直距離,如圖3所示.圖4為過(guò)兩個(gè)磨輥對(duì)稱(chēng)面的縱截面1的速度矢量圖,氣流以很高的速度從風(fēng)環(huán)底部向上噴出,形成環(huán)形射流.從風(fēng)環(huán)口進(jìn)入磨腔區(qū)時(shí),由于空間突然擴(kuò)大,氣體做突擴(kuò)運(yùn)動(dòng),可根據(jù)流體流動(dòng)的突擴(kuò)理論來(lái)加以解釋.當(dāng)氣體從風(fēng)環(huán)進(jìn)入磨腔時(shí),其流通區(qū)域突然擴(kuò)大,氣體脫離壁面形成射流注入擴(kuò)大了的磨腔中,在射流擴(kuò)大部分外表面和磨盤(pán)之間存在著一部分不隨主流向前流動(dòng)的氣體.由于這部分氣體中靠近主流射流表面的氣體在慣性力和粘性作用下將沿主流氣體流動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),又由于主流區(qū)射流截面不斷擴(kuò)大使流速逐漸降低,根據(jù)伯努利方程知壓強(qiáng)沿流動(dòng)方向負(fù)值增加,出現(xiàn)正向壓力梯度.隨著氣體流速減小,離磨盤(pán)的某一距離處,射流邊緣處受粘性作用較大的氣體的動(dòng)能不足于克服壓差和氣體分子之間的阻力向前繼續(xù)運(yùn)動(dòng),在前后壓差的作用下,使該區(qū)內(nèi)的氣體出現(xiàn)沿磨輥逆主流方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),即這部分氣體在前后作用力下不停的,劇烈的在該區(qū)域內(nèi)做旋渦流動(dòng),記為旋渦1,如圖4所示.由于粘性作用,氣體做旋渦流動(dòng)時(shí)將消耗流動(dòng)的能量,產(chǎn)生能量損失.氣體繞過(guò)磨輥軸的運(yùn)動(dòng),相當(dāng)于在一定的攻角下沿圓柱體的繞流運(yùn)動(dòng).磨輥傾斜懸置15°,在一定程度上減小了磨輥軸上方的湍流強(qiáng)度.由于進(jìn)氣口截面為圓環(huán),磨輥軸直徑較磨輥小得多,在磨輥軸周?chē)纬裳剌S面斜向下的分速度,在突擴(kuò)運(yùn)動(dòng)的影響下,磨輥軸下方與向上噴射的氣流形成旋渦,如圖4所示.由于磨輥軸正下方的射流沿磨輥軸有向下的一個(gè)分速度,在同一橫截面離中心同樣遠(yuǎn)處磨輥軸上方的速度要大于其他地方的速度.氣體繞過(guò)磨輥軸,斜向上的射流邊緣氣體在壓差的作用力下沿著灰斗向下運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)到磨輥上方部分時(shí)這部分氣體又在氣體粘性作用力下沿著射流方向前進(jìn),這樣在灰斗與磨輥之間形成旋渦,記為旋渦2.在圖5中即氣體通過(guò)風(fēng)環(huán)噴出,其上方無(wú)磨輥空間做無(wú)繞流流動(dòng),可認(rèn)為這部分氣體在整個(gè)模擬的磨腔縱切面上形成突擴(kuò)運(yùn)動(dòng),在射流與灰斗和磨盤(pán)之間形成一個(gè)大的旋渦3,其形成機(jī)理和旋渦1、2形成機(jī)理相同.值得一提的是,在灰斗接近相同的高度上,縱截面1中形成局部高速區(qū)而縱截面2中卻是低速區(qū).經(jīng)分析認(rèn)為,在縱截面1出現(xiàn)高速區(qū)是由于這個(gè)位置是射流經(jīng)過(guò)繞磨輥軸流動(dòng)后與灰斗和磨輥之間形成的旋渦2的渦流區(qū)邊緣,其速度較大.在縱截面2處是由于邊界層分離引起的低速區(qū),邊界層內(nèi)氣體的流動(dòng)受到慣性力、粘性力和由壓強(qiáng)梯度所引起壓強(qiáng)差.在壁面處受到的粘性力最大,旋渦3的回流氣體的慣性力克服流體粘性力與壓強(qiáng)差是氣體沿灰斗向下流動(dòng).當(dāng)回流氣體的粘性力與壓強(qiáng)差的合力大于慣性力時(shí),氣體成減速沿灰斗向下流動(dòng),逐漸形成低速區(qū).由于兩側(cè)磨輥的存在,使回流氣體的流通面積減小,流速變大,壓強(qiáng)變小,壓強(qiáng)差正作用于回流氣體,回流氣體的壓強(qiáng)差與慣性力大于粘性力時(shí),氣體有一個(gè)加速,氣速增大,逐漸脫離低速區(qū).在圖5中能看出風(fēng)環(huán)出口形狀的重要性,出口的形狀直接影響立磨腔內(nèi)流場(chǎng)的分布規(guī)律.關(guān)于風(fēng)環(huán)出口不同形狀對(duì)磨腔流場(chǎng)分布的影響將在下一節(jié)詳細(xì)對(duì)比分析,對(duì)立磨風(fēng)環(huán)參數(shù)的選擇是立磨磨腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一部分.通過(guò)對(duì)立磨腔內(nèi)的兩個(gè)縱截面的分析,對(duì)立磨腔內(nèi)流場(chǎng)有了大體的了解.圖6為立磨腔內(nèi)不同橫截面速度分布云圖.圖6a)是距磨盤(pán)1.5m高度處的速度橫截面云圖,向上噴射的氣流繞過(guò)磨輥軸,在磨輥軸兩側(cè)形成高速區(qū),有上文的分析可知在兩磨輥之間射流與灰斗之間有一較大的渦流區(qū),其渦流中心的低速區(qū)在圖上能很清楚的觀察出來(lái).兩磨輥的外輪廓在水平方向形成一定角度的楔形,位于相鄰兩磨輥之間的氣體有水平沿中心方向一個(gè)分速度,因而在相鄰兩磨輥之間的區(qū)域的速度較高.圖6b)是距磨盤(pán)3.0m高度的速度橫截面云圖,從風(fēng)環(huán)噴出的氣體繞磨輥軸流動(dòng)后損失部分動(dòng)能,使磨輥軸上方的速度小于其他風(fēng)環(huán)口上方的速度.在相鄰兩磨輥之間靠近灰斗的區(qū)域有因邊界層分離而形成相對(duì)低速區(qū).磨輥上部頂端的渦流區(qū)靠近中心,沿著磨輥邊緣向下,渦流區(qū)遠(yuǎn)離中心,在整個(gè)磨輥上方的截面出現(xiàn)脈動(dòng)形狀的低速渦流區(qū),在橫截面2上能很好的觀察出來(lái).在圖6c)即出口面的速度云圖上,能清楚地觀察到低速區(qū)和高速區(qū)的分布,速度的分布有很好的對(duì)稱(chēng)性,這是由于單相氣體粘度小,氣體流動(dòng)速率較高,磨輥磨盤(pán)定軸旋轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速較低以及存在邊界層等導(dǎo)致致磨輥、磨盤(pán)的運(yùn)動(dòng)對(duì)磨腔內(nèi)流場(chǎng)的影響很小.從壓力場(chǎng)角度分析立磨磨腔的壓力分布,如圖7所示.立磨磨內(nèi)壓力分布的分析主要集中在磨輥軸和磨輥周?chē)?在這個(gè)區(qū)域壓力梯度變化顯著,找出磨輥軸周?chē)c外界的壓力差,為磨輥軸的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù).從風(fēng)環(huán)噴出的氣體對(duì)磨輥軸的底部沖擊,產(chǎn)生正壓強(qiáng).氣流繞過(guò)磨輥軸時(shí)在磨輥軸周?chē)a(chǎn)生高速氣流,根據(jù)伯努利方程可知此區(qū)域壓強(qiáng)減小,到達(dá)磨輥軸軸面中心時(shí),氣速為最大值,壓強(qiáng)為最小值.氣流繞過(guò)軸面中心后氣速開(kāi)始減小壓強(qiáng)增大,在圓柱的正上方受到尾渦對(duì)磨輥軸的壓差力,在磨輥軸頂端出現(xiàn)極值區(qū)域.受磨輥旋轉(zhuǎn)的影響磨輥下方的極值區(qū)域有稍微偏移.4.2立磨腔內(nèi)的固體粒子固體粒子的直徑設(shè)置為45μm和100μm,其質(zhì)量流量分別為107.46kg/s和11.94kg/s,滿(mǎn)足產(chǎn)品細(xì)度的要求,噴射面選取為磨盤(pán)邊緣.由于有大量粒子從磨盤(pán)邊緣射入,立磨腔內(nèi)氣固兩相流的最大速度點(diǎn)出現(xiàn)在風(fēng)環(huán)靠近筒壁的一端,如圖8所示.在兩相流繞過(guò)磨輥軸后,由于兩相流的密度和粘度都較單相氣體增大,與單相流相比兩相流受到的慣性力和粘性力都增大,其繞流后形成旋渦的半徑將變大.由于固體粒子與壁面的碰撞性以及分布的隨機(jī)性,立磨腔內(nèi)的兩相流流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性和規(guī)律性沒(méi)有單相流流場(chǎng)的強(qiáng),這也是分析立磨腔內(nèi)單相流流場(chǎng)的必要性所在.圖9比較了立磨腔內(nèi)單相流和氣固兩相流在距磨盤(pán)不同高度下截面的平均速度和最大速度.從圖中可以看出兩相流出口平均速度較單相流的小,但最大的速度卻大于單相流.主要原因是由于氣體和固體粒子耦合使兩相流的慣性力和粘性力較單相流的大,做突擴(kuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)的擴(kuò)散性低,凝聚性強(qiáng).但由于在兩相流中存在重力場(chǎng),輸送粒子時(shí)消耗氣相動(dòng)能,使其平均速度降低.立磨腔內(nèi)氣固兩相流流場(chǎng)與單相流流場(chǎng)的特性相似,在磨輥軸下方形成旋渦1,在磨輥與灰斗和射流之間形成旋渦2,在無(wú)磨輥區(qū)磨盤(pán)與灰斗和射流之間形成旋渦3.在流線(xiàn)圖上能形象的看到旋渦的存在和整個(gè)流場(chǎng)的分布情況,如圖10所示.在旋渦形成的渦流區(qū),消耗輸送氣體的動(dòng)能,減小了氣體的輸送效率,另一方面在渦流區(qū)氣體和粒子耦合程度很高,實(shí)現(xiàn)了對(duì)粒子顆粒的初步分級(jí),有利于提高選粉機(jī)的效率和增加磨盤(pán)上料床的穩(wěn)定性.由于氣固兩相流的粘度增大,磨盤(pán)和磨輥的旋轉(zhuǎn)對(duì)磨內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生了一定的影響,如圖10b),磨輥周?chē)牧鲌?chǎng)不再對(duì)稱(chēng),而是沿磨輥的旋轉(zhuǎn)方向有分速度.立磨腔內(nèi)的固體粒子的流動(dòng)軌跡在圖11中很形象的顯示出來(lái).圖11是從過(guò)磨盤(pán)中心的橫截面由里向外的一個(gè)記錄粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的速度視圖.從立磨磨盤(pán)邊緣射出的固體顆粒和從風(fēng)環(huán)噴出的射流氣體有很強(qiáng)的速度耦合性,氣體速度高,夾帶固體粒子向上運(yùn)動(dòng),使粒子做加速運(yùn)動(dòng).氣固兩相流的慣性力和粘性力增大,繞過(guò)磨輥軸后由于突擴(kuò)運(yùn)動(dòng)的影響,射流邊緣氣體夾帶較小的粒子在磨輥與灰斗和射流之間形成旋渦.圖11能看到射流邊緣的粒子沿灰斗形成回旋趨勢(shì).另一方面由于粒子之間存在作用力,流動(dòng)狀態(tài)為湍流,脈動(dòng)速度很大,磨輥磨盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)等導(dǎo)致氣固兩相流的流場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)性不強(qiáng),但粒子運(yùn)動(dòng)的總體趨勢(shì)保持一致.本模擬中設(shè)置為兩個(gè)不同直徑的粒子分別為命名為相1粒子(phase1)和相2粒子(phase2),其直徑分別為45m和100m,其質(zhì)量流量前者為后者的9倍.取平行于磨盤(pán)的橫截面,在所取的每個(gè)橫截面上采集所需數(shù)據(jù).如圖12,從兩條固體粒子的截面平均體積分?jǐn)?shù)線(xiàn)可以看出相1粒子的體積分?jǐn)?shù)是相2的十五倍左右,導(dǎo)致這樣的原因是由于相2粒子較大在與氣體耦合的過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力大于相1粒子,而所受粘性力和壓差力相差不大,使相2粒子集中隨射流方向流動(dòng),而相1粒子慣性力較小導(dǎo)致在射流邊緣夾雜的主要是相1粒子,本研究追蹤固體粒子采用residencetime,設(shè)置值為1s,即粒子超過(guò)在立磨腔內(nèi)的停留時(shí)間將不再予以追蹤計(jì)算,出口設(shè)置為相對(duì)零壓力出口,因此大部分相2粒子在未達(dá)到停留時(shí)間時(shí)就隨射流流出出口.而相1粒子較相2來(lái)說(shuō),由于存在隨氣體的渦旋運(yùn)動(dòng),流出出口的粒子數(shù)量較少,導(dǎo)致相1粒子與相2粒子的體積分?jǐn)?shù)之比大于初始流入的質(zhì)量之比.從所采集數(shù)據(jù)橫截面上的最大體積分?jǐn)?shù)線(xiàn)上,能明顯的看出相1粒子最大速度分布的不均勻性.繞磨輥軸和磨輥流動(dòng)過(guò)程中由于固體粒子的慣性力較氣體大得多,沿磨輥軸和磨輥的壁面上形成較高體積分?jǐn)?shù)的區(qū)域,這些區(qū)域主要存磨輥背面區(qū)域.從圖上可以看出兩種不同直徑粒子最大分?jǐn)?shù)之和在10%左右,滿(mǎn)足拉格朗日對(duì)固相體積分?jǐn)?shù)較小的要求.5立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)隨著立磨技術(shù)成熟的發(fā)展,對(duì)立磨的粉磨效率要求越來(lái)越高,其中風(fēng)環(huán)是控制立磨腔內(nèi)進(jìn)氣的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)部件,風(fēng)環(huán)能將來(lái)自風(fēng)道的氣體均勻的導(dǎo)入立磨磨腔中.風(fēng)環(huán)中間的調(diào)風(fēng)板能調(diào)節(jié)氣體的入射角度.本部分將加入風(fēng)環(huán)對(duì)入磨氣體的影響,研究入磨氣體在不同角度下進(jìn)入立磨磨腔所帶來(lái)的流場(chǎng)變化,并比較分析結(jié)果,選取入磨氣體的最佳入射角度,記入射角度為α.本研究選取α=15°、α=30°和α=45°3種入射角度進(jìn)行分析對(duì)比,下面選取入射角α=30°的情況代表有入射角的3種情況來(lái)對(duì)磨腔內(nèi)流場(chǎng)的加以分析.如圖13所示,入射角度α=30°,沿圓周方向有切向速度分量.氣體沿筒壁方向斜向上射入,磨輥軸下部與磨盤(pán)后面和射流之間形成漩渦1,由于磨盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)影響,渦流區(qū)域被拉長(zhǎng).同時(shí)由于磨輥為傾斜放置,在磨輥軸的頂端出現(xiàn)速度極大區(qū).在磨輥與灰斗和射流之間形成的旋渦同樣被拉長(zhǎng),進(jìn)入無(wú)磨輥區(qū)域,旋渦得到進(jìn)一步的擴(kuò)大,旋渦邊緣沿灰斗方向與射流之間形成回流.上文提到的磨盤(pán)與灰斗和射流之間形成的大渦,由于入射速度方向的傾斜,使其沿周向有位移進(jìn)入有磨輥的區(qū)域,回流的氣固兩相流穿過(guò)灰斗與磨輥之間的區(qū)域.在入射角度α=30°的情況下,立磨腔內(nèi)的流場(chǎng)變得更為復(fù)雜,其中形成的渦旋區(qū)具有很強(qiáng)的三維特性,外圍氣體夾雜固體粒子沿筒壁做旋線(xiàn)射出,固體顆粒在周向速速的影響下產(chǎn)生離心力,促進(jìn)固體粒子在立磨腔內(nèi)的初步分級(jí),腔內(nèi)氣體由于在周向有分速度,渦旋區(qū)域被拉長(zhǎng),使旋渦區(qū)的空間增大,增加氣體和固體粒子的耦合時(shí)間,使氣固兩相更為均勻.圖14顯示了在4種工況下的氣固兩相流的繞流運(yùn)動(dòng).α=0°時(shí),即氣體垂直從風(fēng)環(huán)噴出,有輸送效率高的優(yōu)點(diǎn),在磨輥?lái)槙r(shí)針的旋轉(zhuǎn)作用下,對(duì)磨內(nèi)流場(chǎng)有一定會(huì)影響;α=15°時(shí),氣體的入射速度的周向速度與磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)地切向速度保持一致,當(dāng)在磨輥與灰斗和射流間的區(qū)域時(shí),兩相流的周向速度與磨輥邊緣的切向速度相反,相互抵消,使渦流區(qū)正好在磨輥上方;α=30°時(shí),由于兩相流的軸向速度進(jìn)一步變大,磨輥上放的渦流區(qū)被拉長(zhǎng)到無(wú)磨輥區(qū)域,相比較其他3種情況,此時(shí)兩相流的運(yùn)輸阻力最小.α=45°時(shí),由于兩相流周向速度等于豎直向上的速度,其向上的運(yùn)輸能力大大被削弱,如圖14d)所示,此時(shí)磨輥上方區(qū)域無(wú)旋渦生成,但繞灰斗有一個(gè)較大的周向速度.由圖14可以粗略的判斷α=0°、α=15°和α=30°的流場(chǎng)分布符合氣力輸送原理的要求.體積分?jǐn)?shù)是用于氣固兩相流流場(chǎng)研究分析的一個(gè)重要參數(shù).圖15反映了不同入射角度下的立磨腔內(nèi)固體粒子的體積分?jǐn)?shù)的分布情況,其中橫坐標(biāo)H表示所采集數(shù)據(jù)的橫截面距磨盤(pán)的高度.從穩(wěn)定性上來(lái)說(shuō),入射角α=0°和α=30°時(shí)較為穩(wěn)定.在α=5°的條件下,整體的固體粒子體積分?jǐn)?shù)高,這也充分說(shuō)明氣固兩相流的周向速度大,導(dǎo)致進(jìn)入選粉機(jī)固體粒子較少,氣力輸送的效率偏低.在α=15°的工況下,在H=1.5m處和H=4.0m處出現(xiàn)兩個(gè)極值,這是兩個(gè)渦流區(qū)中心的高度,分別為無(wú)磨輥區(qū)域由磨盤(pán)與灰斗和射流之間形成的渦流中心和磨輥區(qū)域的由磨輥與灰斗和射流之間形成的渦流中心.在渦流中心存在大量懸浮固體粒子,導(dǎo)致局部區(qū)域的固體粒子的體積分?jǐn)?shù)偏大,這種情況下由于存在的大量懸浮顆粒,部分氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成維持粒子懸浮狀態(tài)的能量,導(dǎo)致氣力輸送的效率降低.α=0°時(shí),磨內(nèi)體積分?jǐn)?shù)分布偏低,運(yùn)輸效率高,但氣固耦合程度較低,導(dǎo)致氣流中夾雜較多大直徑粒子,在磨腔中對(duì)固體粒子的初次分級(jí)效