基于Fluent軟件模擬分析旋風筒的工作性能

  摘要：采用Fluent軟件模擬分析旋風筒內氣相流場及顆粒運動軌跡。模擬過程中采用RNG k-ε模型模擬湍流流動，采用隨機軌道模型模擬顆粒運動，并對不同顆粒粒徑的分離效率進行分析。結果表明，旋風筒下料口部位速度最小，內筒插入點中心位置壓力最小，內筒插入點附近湍流動能最大；旋風筒的分離性能與顆粒粒徑有關。

  旋風預熱器系統(tǒng)必須具備使氣固兩相充分均布分散、迅速換熱和高效分離等功能。理論和實踐表明，物料與氣流間的熱交換主要在各級旋風筒之間的連接管道中進行，旋風筒的主要作用是氣固分離，其分離效率的高低直接影響到系統(tǒng)的熱效率 ^[1-3]。因此對旋風筒本身結構的設計，應在保證使用壽命的前提下，充分考慮如何獲得較高的分離效率。研究表明，影響旋風筒分離效率的因素是復雜的，在操作參數(shù)一定的情況下，旋風筒的幾何形狀和流體本身的物理性能是主要的影響因素 ^[4,5]。因此，除了旋風筒本身結構參數(shù)的合理性外，控制流體性質也將直接決定其工作性能。

  本文借助Fluent軟件，通過對某廠5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線C3級旋風筒物理建模，模擬分析旋風筒內氣相流場及氣固兩相流場，并通過改變顆粒粒徑對比分析旋風筒的工作性能，以期為合理使用并優(yōu)化旋風筒性能提供參考依據(jù)。

  1 模型與計算方法

  1.1 物理模型

  圖1和圖2分別為該旋風筒的實體圖和網(wǎng)格模型。該旋風筒的基本尺寸來源于某廠5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線C3級旋風筒，其進風口采用五邊形結構，結合270°三心大蝸殼旋轉向下，減少了因進風而造成的阻力損失。該旋風筒處于窯尾預熱系統(tǒng)的中間級，其特點是分離效率和壓力損失都較低，并存在斜下錐體。采用數(shù)值模擬技術，研究旋風筒內速度場，壓力場，顆粒云的軌跡，以及通過改變顆粒粒徑探討分離效率，優(yōu)化使用旋風筒。在數(shù)值模擬前，需采用Fluent前處理器Gambit軟件對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，所劃分網(wǎng)格的質量將直接影響模擬的結果。在本研究中，利用非結構化網(wǎng)格技術和混合網(wǎng)格技術對旋風筒進行網(wǎng)格劃分，共生成543680個網(wǎng)格，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質量良好。

  1.2 數(shù)學模型

  1.2.1 氣相湍流模型

  旋風筒內的氣體流動以強旋流為主，故采用RNG k-ε 湍流模型進行模擬，三維流動的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、k 和ε 輸運方程，其通用形式如下：

  方程中Φ分別代表速度u、v、w，湍流動能k，湍流動能耗散率ε；SΦ是由氣相引起的源項。方程中擴散系數(shù)和源項的具體形式參考文獻^[6]。

  1.2.2 氣固兩相流場模型

  為更好的模擬旋風筒內顆粒運動，采用隨機軌道模型模擬顆粒的運動，其方程可以寫為：

  其中，ρ是氣體密度，ρp是顆粒密度，F(xiàn)是附加力，下標i分別代表x,y,z方向，F(xiàn)D是x,y,z方向單位質量的拽力。

  2 數(shù)值求解過程

  運用Gambit軟件對幾何模型劃分網(wǎng)格后，將其導入到Fluent軟件內，依次選擇求解模型和設定邊界條件。在湍流發(fā)展不充分的壁面邊界，采用壁面函數(shù)半經(jīng)驗公式進行求解；在湍流充分的核心區(qū)域，采用RNG κ-ε模型求解。采用標準壁面函數(shù)，無滑移邊界條件，壁面粗糙度為0.5。采用控制體積法進行離散，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，壓力梯度采用PRESTO!離散格式，其他項采用First Order Upwind格式，離散化的方程組采用TDMA法求解各變量，采用欠松弛迭代直至收斂。根據(jù)實際生產(chǎn)，采用速度入口，其速度為16.8m/s，采用壓力出口，并假定出口處的流動為充分發(fā)展。

  3 模擬結果及分析

  3.1 氣相模擬結果

  圖3 給出了該旋風筒的速度分布云圖，從圖中可以清晰的看出，速度自旋風筒進風口至下料口逐漸減小，且對稱性分布較好。尤其在錐體部位出現(xiàn)了較好的拋物線形分布，說明該處湍流發(fā)展比較完全，是強旋流狀態(tài)。速度在斜下柱體部位較小，對稱性不佳，速度梯度相對變小，這樣可以降低氣體對已收集物料的擾動，有利于氣固分離。另外，在內筒下邊緣處，由于運動空間的突然縮小，使得該處速度增大，并出現(xiàn)強旋流。而在內筒內部，由于內筒的完美對稱，其速度也對稱性完好，中間處較小，邊緣處較大。氣體在內筒插入點的強旋流，通過壓力云圖和湍流動能圖予以直觀解釋，如圖4和圖5所示。圖4為壓力云圖，從圖中可以清晰的看出，壓力在旋風筒內的分布為中心小，邊緣大，且沿旋風筒的中心近似呈對稱分布，但是，由于內筒的存在，擾亂了發(fā)展較好的湍流流場，使得插入點附近的湍流動能迅速增大，超過周圍的湍流動能，因此該處造成了強旋流。從湍流動能云圖（圖5）中可以看出，強湍流動能分布在內筒插入點附近，沿內筒中心對稱分布，因此在強湍流動能之間的空間便形成了低壓區(qū)，即：壓力在內筒插入點中心處最小。由于該處低壓區(qū)的存在，才使得氣體順利的通過內筒排出旋風筒。

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  3.2 顆粒運動軌跡模擬分析

  圖6給出了顆粒在旋風筒內的運動軌跡，從圖中可以清晰的看出，顆粒進入旋風筒后，在蝸殼的作用下形成旋轉流，在后方流體的推動下向下做旋轉運動，顆粒在運動的同時，與旋風筒的壁面發(fā)生碰撞，動能消耗，部分粒子在重力的作用下由下料管排出旋風筒，完成分離；而動能較大的部分顆粒被流體攜帶，在旋風筒中心旋轉向上運動，由經(jīng)內筒排出旋風筒。圖7給出了旋風筒內顆粒運動的速度矢量圖，顆粒在旋風筒內是三維運動，在切線方向呈“M”型分布，即旋風筒中心處切向速度最小，該處速度梯度大，偏離中心后速度迅速增大，由于受到內筒的限制，在內筒插入點附近壓力達到最大，繼而受強旋流的影響，速度開始降低，但邊緣速度大于中心處的速度。軸向速度呈“V”型分布，沿軸向變化很大，同時存在著轉向，在不同位置的軸向速度的分布沿x 軸方向近似對稱，在中心處速度最小，靠近邊緣速度增大，并呈現(xiàn)正負轉變，這是向下的“外旋流”和向上的“內旋流”共同作用的結果。而徑向速度分布是不連續(xù)的，并且徑向速度在三維空間內的分布呈現(xiàn)的規(guī)律性較弱。在蝸殼的環(huán)形區(qū)域內的徑向速度出現(xiàn)正、負交替，變化幅度較大。而錐體部分的徑向速度的分布趨于直線，其徑向速度都趨近于零。

  為更好的研究顆粒在旋風筒內的運動狀態(tài)，本文研究了粒徑為1.0μm，5.0μm，10.0μm，15.0μm，20.0μm，30.0μm，40.0μm，50.0μm的顆粒在旋風筒內的運動狀態(tài)，如圖8所示。從結果中可以看出，在相同的速度下，顆粒粒徑越小，被旋風筒收集的量越少，在內筒排出的量越多。這表明，旋風筒對物料顆粒的分離具有選擇性的，即當顆粒粒徑很小，旋風筒不能很好地收集顆粒，其分離效率明顯下降，當顆粒尺寸較大，被旋風筒收集的量也增多，其分離效率也相應較高。將旋風筒對以上尺寸顆粒的分離情況繪成分離效率曲線，如圖9所示。從曲線圖中可知，當顆粒粒徑小于20μm時，旋風筒的分離效率較低，在50%以下，而當顆粒粒徑為大于20μm，其分離效率明顯升高，尤其是粒徑達到50μm時，旋風筒幾乎可以收集所有顆粒，其氣固分離效率接近100%。模擬結果充分展現(xiàn)了適于該旋風筒氣固分離的顆粒粒徑范圍，在實際生產(chǎn)中，在不影響正常工況的情況下，可以通過控制生料磨出磨粒度調節(jié)分離效率，以節(jié)約能源，優(yōu)化生產(chǎn)。

  4 結 論

  本文以某廠5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線的C3級旋風筒為例，利用Fluent軟件，采用RNG κ-ε模型及隨機軌道模型對旋風筒的氣相流場和氣固兩相流場進行了模擬分析，結果表明：內筒附近的強旋流場，使該區(qū)域產(chǎn)生低壓，利于流體從中流出；顆粒在旋風筒內做旋轉運動，切向速度呈“M”型分布，中心處速度最小，內筒附近速度最大；軸向速度呈“V”型分布，沿軸向變化很大，同時存在著轉向；徑向速度不連續(xù)，在三維空間內分布的規(guī)律性較弱；旋風筒對顆粒的分離具有選擇性，對小于20μm的顆粒分離效率較低，大于20μm的顆粒分離效率較高。因此，在設計旋風筒時，應遵循其內流場運動規(guī)律，合理設計其結構尺寸，并根據(jù)旋風筒的實際工作性能合理調節(jié)需分離的顆粒尺寸，以達到節(jié)約能源，高效生產(chǎn)的目的。

  參考文獻

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