超细粉体分级机离心逆流式转子三维旋转流场计算

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1995.s1.010 第17卷增刊 北京科技大学学报 Vol.17 1995年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1995 超细粉体分级机离心逆流式 转子三维旋转流场计算 郝国防梁云马恩祥蔡志鹏 中科院化工冶金研究所 摘要应用商业化的流体模拟计算软件一PHOENICS开展了分级机转子中湍流流场的计算模拟 工作，对分级机转子的单相三维旋转流场进行计算.转子内流场的分析应用旋转流场的理论，并 且通过旋转流场理论来分析讨论数值计算结果. 关键词分级机，旋转流场，流体计算软件 3-D Rotation Flow Field Calculation in Classifer Rotor Hao Guofang Liang Yun Ma Enxiang Cai Zhipeng Institute of Chemical Metallurgy,Chinese Academy of Science ABSTRACT The commercial code CFD (Computer Fluid Dynamics),PHOENICS,was applied to simulate the turbulent flow field in the classiffier rotor.The single-phase three dimensional rotation flow field in the rotor was calculated by use of this software.The numerical calculation results of the flow field in the rotor were discussed,The anaylsis shows that the numerical simulation can be used for the design and the improve- ment of the classiffier. KEY WORDS classiffier,rotation flow field,CFD 从理论上模拟分级机内流场，在极其简化的条件下推导出一些结论，并简化为解析解来 分析分级机转子内的流场情况). 现有的文献资料表明，由于流体力学及湍流模型研究的不完善，以及试验测试手段的限 制，从空气动力学方面研究强制涡型分级设备非常困难。从理论上模拟分级机内流场，还处 在极其简化的条件下推导出一些结论，并简化为解析解来分析分级机转子内的流场情况。 国内研究绝大多数涉及流场数计算的文献基本是应用理论上的N一S方程推导得到所研 究模型的具体方程，通过各种数值计算方法，修改一些原程序或自己设计编写数值计算的程 序].由于应用原程序非常困难，不能方便地对原程序进行修改就可应用于不同的计算模型， 同时编写一个计算较复杂的三维流场模型需要有相当的理论基础及数值计算的知识，这就给 ·1995一07-15收稿

第 卷 增刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 超细粉体分级机离心逆流式 转子三维旋转流场计算 郝 国 防 梁 云 马 恩祥 蔡 志鹏 中科院化工 冶金研究所 摘要 应 用商业 化 的流 体模拟 计 算软件一 开展 了分 级机转子 中湍流 流 场的计 算模拟 工作 ， 对分级机转子 的单 相三维旋转流场进行计算 转子 内流场的分析应用旋转流场 的理论 ， 并 且通过旋转流场理论 来分析讨论数值计算结 果 关键词 分级机 ， 旋转流场 ， 流体计算软件 一 及 ， 晚 ， ， ， 一 ， ， ， 从理 论上模拟 分级 机 内流场 ， 在极其 简化 的条件 下推导 出一些 结论 ， 并 简化 为解析解来 分析分级机转子 内的流 场情况 ’ 〕 现有 的文献 资料表 明 ， 由于 流 体 力学 及 湍 流模 型研 究 的不 完 善 ， 以 及试验 测试手段的 限 制 ， 从 空气动力学方面研 究强制 涡 型 分级 设 备非 常 困难 。 从理论上模拟 分级机 内流 场 ， 还 处 在极其简化 的条件下推导 出一 些 结论 ， 并 简化 为解析解来分析分级机转子 内的流场情况 。 国 内研究绝大 多 数 涉 及 流 场 数计算 的文 献基本 是应 用 理 论上 的 一 方 程 推 导 得 到 所研 究模型 的具体方程 ， 通过 各种 数值计算方法 ， 修改一些原程序 或 自己 设计编 写 数值计 算 的程 序 由于应 用 原 程序非 常 困难 ， 不 能 方便地对原 程 序进行修改就 可应 用 于 不 同 的计算模型 ， 同时编写 一个 计算较 复 杂 的三维 流场 模 型 需要 有 相 当 的理论基础 及数值计算 的知识 ， 这就给 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．s1．010

郝国防等：超细粉体分级机离心逆流式转子的三维旋转流场计算 ·47· 流体力学模型的应用造成了非常大的局限性.根据国外的文献[]，应用成熟的软件计算所需的 模型给工程方面理论的研究带来了极大的方便，而国内应用商业化的数值计算软件对分级设 备进行模拟还很少见到，因此我们应用国外的数值计算软件对分级机进行理论研究，在国内 具有开拓性的意义[们. 1分级系统简介 实验所用的超细粉分级系统由以下设备构成：分级机，控制柜，粗粉布袋收集器，细粉 布袋收集器、振荡加料器，压缩气源，粗粉用风机，罗茨风机·输送管道，如图1所示. 图1分级系统示意图 1.分级机主体，2.细粉收集器，3.粗粉收集器，4.风机系统，5.静压测量用皮托管，6.控制系统，7 细粉出口压力测量U型管，8.粗粉出口压力测量U型管，9.主气流进气管道，10.进料口，11.进料压缩 空气装置，12.细粉出口，13.粗粉出口、14.转子流量计，15.分级室静压测试孔 2流场计算模型的确定 为了能更准确地模拟分级转子的旋转流场，采用实际尺寸下的转动模型。由于转子边缘 到固定环壁之间的距离只有lmm,实际上是非常复杂的高速湍流区，模拟计算非常困难，因 此计算模型取A一B之间的旋转区，作三维流场计算1，如图2所示. 分级区 模型模拟区 图2分级转子结构示意图

郝 国 防等 超 细 粉体分 级机离 心逆 流式转子 的三维 旋转流场计算 流 体 力学 模 型 的应 用造 成 了非常 大 的 局 限性 根据 国外 的 文献 〔 〕 ， 应 用成熟 的软 件计算所 需 的 模 型 给 工 程 方 面理 论 的研 究带来 了极 大 的方 便 ， 而 国 内应 用商业 化 的数值计 算软件对分级设 备进 行模拟 还 很 少 见 到 ， 因此 我 们应 用 国 外 的数值 计算软 件对分级机进行理 论研 究 ， 在 国 内 具 有 开 拓性 的意 义叫 分级系统简介 实验 所 用 的超 细粉分级 系统 由以 下设 备构 成 分级 机 ， 控 制 柜 ， 粗粉布袋收 集 器 ， 细 粉 布袋 收 集器 ， 振 荡 加料器 ， 压缩 气源 ， 粗 粉 用 风 机 ， 罗茨 风 机 输 送 管 道 ， 如 图 所示 图 分级 系 统示意图 分级机主体 ， 细粉收集器 ， 粗粉收集 器 ， 风机系统 ， 静压测 用皮托管 ， 控制系统 ， 细粉 出 口 压力测 型管 ， 粗粉出 口 压 力测 型管 ， 主气流进气 管道 ， 进料 口 ， 进料压缩 空 气装置 ， 细粉出 口 ， 粗粉 出 口 ， 转子流 计 ， 分级室静压测试孔 流场计算模型的确定 为 了能 更 准 确地模拟 分级 转 子 的旋 转 流 场 ， 采用 实 际 尺 寸下 的转 动模型 由于 转子边缘 到 固定 环 壁 之 间的距 离 只有 ， 实 际 上 是 非 常 复杂 的高速 湍 流 区 ， 模拟 计算 非常 困难 ， 因 此计算模 型 取 一 之 间 的旋 转 区 作 二维 流 场 计 算因 ， 如 图 所 示 分级 区 图 分级 转子结构示惫图

·48· 北京科技大学学报 2.1模型计算的参数 三维旋转模型模拟分级机的转子，转子由转轴、上下转盘及24个叶片组成. 由于转子的高速旋转，流体在转子中是湍流状态.模型计算假设转子叶片及转盘附近的 变化模型可用对数定律描述，参考其他计算模型，湍流运动粘度选用经验值1.03×10/ s[6]. 2.2初始亲件 相对坐标系的旋转速度确定，即分级机转子的旋转速度.其余初始条件由旋转盘及叶片 的周期性条件决定，即转子中的叶片均匀分布，共24个叶片，只需计算两个叶片之间的流场 即可得到整个转子模型的流场结果.假设径向气流流量G为一定的值，即分级转子中由外缘 进入转子内部，由空心轴流出的气体流量为一定值.为了计算模型流量假设值的合理与准确 性，通过分级机空心轴的气体流量由细粉出口接转子流量计来测定. 分级转子旋转速度ω为实际操作过程的分级转子转速，通过分级系统控制柜的调频器控 制转子转速.流体密度ρ设为常数，这是流场的近似模拟.由于计算可压缩流体模型复杂，并 且由分级机细粉出口压力测量可知，操作过程设置最大负压值为负18926Pa.假设转子进口 压力为1.0133×10Pa(实际气体通过狭窄环缝进入转子时压力低于该压力)，则细粉出口处 气体密度是0.98kg/m3,进口处气体近似为该压力下密度1.205kg/m3,取分级转子进出口气 体密度的平均值作为本模型的气体密度1.1kg/m3. 2.3边界条件 进口：假设进口轴向（模型中坐标Y方向）气流速度V分布给定，有各种分布假设条件. 进口附近的静压力值可由实验测定，可以作为模型边界条件压力差假设的参考值. 出口：出口气流为平行条件假设P=C'·并且出口流量给定.本模型由实验测得的细粉 出口流量值作为模型计算中出口质量流量的参考值. 周期性边界条件的设定是出于模型计算的需要，即假设整个分级转子的旋转流场是由两 个叶片之间的流场组成，流场在圆周方向是周期性分布 其余边界条件假设：旋转叶片、上下转盘内壁为粘性气体运动边界条件，湍流模型采用 对数定律的边界条件模型. 3不同条件下旋转模型的计算 3.1模型的贴体网格图 三维网格为均匀等分网格，网格的轮廓尺寸与分级机的分级转子内部的尺寸一致.网格 数据通过FORTRAN程序生成.图3为三维网格图.三维网格图轮廓尺寸与实际转子的尺寸

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 模型计算 的参数 三维旋转模 型模拟 分级机 的转子 ， 转子 由转轴 、 上 下转盘及 个 叶 片组成 由于 转子 的高速 旋转 ， 流 体 在转子 中是 湍 流状态 模 型计算 假设转 子 叶 片及转盘 附近 的 变化模 型 可 用对 数定 律描 述 ， 参考 其 他 计算模 型 ， 湍 流运 动粘 度选 用 经验值 只 一 口 初始条件 相对 坐 标 系 的旋 转速 度 确 定 ， 即分级机转子 的旋 转速度 其余初 始条件 由旋转盘及 叶 片 的周 期性条件决 定 ， 即转 子 中的 叶 片均 匀 分布 ， 共 个 叶片 ， 只需计算两个 叶片之 间的流场 即 可得 到 整 个转子 模 型 的 流 场 结 果 假设径 向气流 流量 为一 定 的值 ， 即分级转 子 中 由外缘 进 入转 子 内部 ， 由空 心 轴 流 出的气体 流 量 为一 定值 为 了计算模 型流 量假设值 的合理与准 确 性 ， 通 过 分级机 空 心轴 的气体流 量 由细 粉 出 口 接转子流量计来 测 定 分级转子旋转速 度 。 为实 际 操作过 程 的分级转子转速 ， 通 过 分级 系统控制柜 的调频 器控 制转子 转速 流 体 密 度 设 为常数 ， 这 是 流场 的近似模拟 由于计算 可 压缩 流体模型 复 杂 ， 并 且 由分级机 细 粉 出 口 压 力 测 量可知 ， 操 作过 程 设 置最大 负压值 为负 假设 转子进 口 压力 为 火 实 际 气体通 过 狭 窄环缝进 入转子 时 压 力 低 于 该 压 力 ， 则细粉 出 口 处 气体 密度是 。 “ ， 进 口 处气体近似 为该 压 力下 密 度 ， 取分级转子进 出 口 气 体密度 的平均 值 作 为本模 型 的气体 密度 · · 边界条 件 进 口 假 设 进 口 轴 向 模 型 中坐 标 方 向 气 流速 度 分 布 给 定 ， 有 各 种 分 布 假设条 件 · 进 口 附近 的静 压 力值可 由实验 测 定 ， 可 以 作 为模 型 边 界条件压 力 差假 设 的 参考值 出 口 出 口 气 流 为平行 条件假 设 尸 一 ， 并且 出 口 流 量给 定 本模 型 由实验 测得 的细 粉 出 口 流量值 作 为模 型 计 算 中 出 口 质量 流量 的 参考值 周期性边 界条件 的设 定是 出于 模 型计算 的需 要 ， 即假 设 整 个分级转子 的旋转 流场是 由两 个 叶片之 间的 流场 组 成 ， 流 场 在 圆周方 向是周 期性 分 布 其余边 界条件假设 旋 转 叶片 、 上 下 转盘 内壁 为粘性 气体运 动边 界条件 ， 湍 流模 型 采 用 对数定律 的边 界 条 件模 型 不 同条件下旋转模型的 计算 模型的贴体 网格图 三维 网格 为均 匀 等分 网格 ， 网格 的轮 廓尺 寸 与分 级机 的分级转子 内部的尺 寸一致 网格 数据通过 程 序 生成 图 为三 维 网格 图 三 维 网格 图轮 廓尺寸与 实 际转子 的尺寸

郝国防等：超细粉体分级机离心逆流式转子的三维旋转流场计算 ·49· 一致.本模型的计算所定坐标为：Z轴为分级转子 的径向方向；Y轴与分级转子的旋转轴重合；X方 向为三维贴体坐标模拟模型的旋转方向. 网格中，Z方向为模型进口与出口距离间26个 相等的间距，间距为0.004885m,Y方向为转子上 下转盘距离10个相等的间距，X方向在模型X一么 平面，扇形两边间距作20等分. 3.2不同亲件下流场计算结果与分析 图3计算模型贴体坐标网格 流场的流动情况符合旋转流场的规律。由于转 子内部流场测量困难，因此参考旋转机械的理论对本模型计算结果进行分析，考察模拟计算 的准确性.在不同模型参数下，模拟计算得到了速度矢量图.图4一图6为三维速度矢量在不 同坐标平面的矢量投影图例，如：Y=5,X=10,Z=18,分别为三维速度矢量在贴体坐标Y =5的X-Y平面，X=10的Y一Z平面，Z=18的X一Y平面上的投影图. 图4平行于转轴的速度矢量图 a.x=10转速3600r/min,流量123.75m3/h b.x=10转速4800r/min,流量98.45m3/h 图5重直于转轴的速度矢量图 a.Y=5转速3600r/min,流量123.75m3/h b.Y=5转速4800r/min,流量98.45m3/h

郝国 防等 超 细粉体分 级机离 心逆 流式转子的三维 旋转流场计算 一 致 本模 型 的计算所 定 坐 标为 轴为分级转子 的 径 向方 向 轴与 分级 转子 的旋转轴重合 方 向为三 维贴体坐 标模拟模型 的旋转方 向 网格 中 ， 方 向为模型 进 口 与 出 口 距 离 间 个 相 等 的 间距 ， 间距 为 ， 方 向为转子上 下转盘距 离 个相 等的 间距 ， 方 向在模型 一 平面 ， 扇 形 两边 间距作 等分 不同条件下流场计算结果与分析 流场 的流动情 况 符合旋转 流场 的规律 由于转 图 计算模型贴体坐标网格 子 内部 流场测 量 困难 ， 因此参考旋转机械的理 论对本模型计算结 果进行分析 ， 的准 确性 在不 同模型 参数 下 ， 模拟计算得 到 了速 度矢 量 图 考 察模拟 计算 同 坐 标平面 的矢 量投影 图例 ， 的 一 平面 ， 一 的 图 一 图 为三维速 度 矢 量 在 不 如 一 ， 一 ， ， 分别 为三维速 度 矢 量 在 贴体 坐 标 一 平 面 ， 一 的 一 平 面上 的投 影 图 图 。 、 平行于转轴 的速度矢 图 转速 ， 流 转速 ， 流 叫洲雀 “ 瞬 图 ，直 于转轴的速度矢，图 一 一 转速 ， 流 转速 ， 流

·50· 北京科技大学学报 长←6 o8梦 长 要要室 ihaccad b J14141(1↓31411 1iiiiiiiiizec 11111111151111- w z e 系、 ← 泰纸 F 图6垂直于半径旋转面速度矢量图 a.Z=18转速3600r/min,流量123.75m3/h b.Z=18转速4800r/min,流量98.45m/h (1)Y一X平面速度矢量投影图分析 平行于旋转轴不同转速的速度矢量图4(X=10)显示，转子中气流是沿转子入口附近靠 近转盘部位进入转子.转速提高，气流从入口中间进入转子变得困难，而从两侧进入转子内 部.这是因为叶片的转速提高，叶片中间部位对流体产生的作用增强，而叶片上下两侧相对 增强得较小，所以高速旋转状态下，流体从转子上下两侧进入转子. 流体出口处附近，即叶片内缘到出口处，径向速度明显增大，这是因为出口处的通道逐 渐变小所致.由于旋转半径减小，旋转产生的影响减小，靠近出口部分流场没有涡流 进口到叶片之间，气流在转子入口两侧进入转子，二维平面矢量图显示出在入口到叶片 之间形成两个回流区，如转速为5400r/min时矢量图. (2)X一Z平面速度矢量投影图分析 在垂直于转轴的平面速度矢量图图5(Y=5)中，可以看到气流入口到转子叶片外缘区 域，流体作旋转运动，但是流体转速滞后于转子转速。因此转子中不能认为流体与转子以相 同的圆周速度旋转，在离心逆流旋转转子中，无叶片区域流体圆周速度滞后于转子的圆周速 度. 在转子中两叶片之间的区域、，可以看到有哥式加速度造成的哥式祸流，但是流体的圆周 速度无滞后现象，具体的流动状况由旋转速度、径向压力场、哥式加速度决定。在本模型中 叶片间不是简单的径向流动和旋转流动，而是复杂的三维流动， (3)X一Y平面速度矢量投影图分析 在垂直于半径的旋转面上，速度矢量图图6(Z=18)显示出，流体在滞后于转子的转速 下进入叶片之间，受到叶片及惯性作用，滞后运动转变为向后一叶片靠近、相对速度减小的 流动，而且流体流向叶片之间的中间部分。考虑三维流动情况，流体在叶片之间是沿径向旋 转地流向出口，计算结果说明流体大的方向是沿径向流向出口，但是其过程是含有复杂涡流 的三维流动

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 ， ， ‘ 、 一 ，飞、 气、 ， ， ， ， 、 图 垂直于半径旋转面速 度矢 图 转速 ， 流 转速 ， 流 一 平面速度 矢 量 投 影 图分析 平 行 于 旋转轴 不 同转速 的速 度 矢量 图 一 显示 ， 转 子 中气 流是沿转子入 口 附近靠 近转 盘部 位进 入转子 转速提 高 ， 气 流从入 口 中 间进入转子 变得 困难 ， 而从两侧进入转子 内 部 这是 因 为 叶 片的转速 提高 ， 叶片中间部位对 流 体 产生 的作 用增 强 ， 而 叶 片上 下 两 侧相 对 增强 得较 小 ， 所 以 高速旋 转状 态 下 ， 流体从 转子 上 下两侧进 入 转子 流体 出 口 处 附近 ， 即 叶片内缘到 出 口 处 ， 径 向速 度 明显增 大 ， 这 是 因 为 出 口 处 的通 道逐 渐变 小所致 由于旋转 半径减 小 ， 旋转 产 生 的影 响 减 小 ， 靠近 出 口 部分 流 场 没 有 涡 流 进 口 到 叶 片之 间 ， 气流 在 转 子入 口 两侧进 入转子 ， 二 维 平 面 矢量 图显 示 出在 入 口 到 叶 片 之 间形 成 两 个 回 流 区 ， 如转速 为 时 矢量 图 一 平面速 度 矢 量 投 影 图分析 在 垂直 于转轴 的平 面速 度 矢量 图 图 一 中 ， 可 以 看 到 气 流 入 口 到 转子 叶 片外缘 区 域 ， 流体 作旋转运 动 ， 但是 流 体转速 滞后 于转子转速 因此 转子 中不 能 认 为流 体 与转子 以 相 同的 圆周速度旋转 ， 在离 心逆 流 旋转转 子 中 ， 无 叶 片 区域 流体 圆周 速度 滞后 于转 子 的 圆周速 度 在转 子 中两 叶 片之 间的 区 域 ， 可 以 看 到 有哥式 加速 度造 成 的哥式 涡 流 ， 但是 流体 的 圆周 速度无滞后 现象 ， 具体 的流 动状况 由旋转速 度 、 径 向压 力场 、 哥 式 加速 度 决 定 在 本模 型 中 叶片间不是 简单 的径 向流 动 和 旋转 流 动 ， 而是 复杂 的三维 流 动 一 平 面速 度 矢量 投 影 图分 析 在垂 直 于 半径 的旋 转 面 上 ， 速 度 矢 量 图 图 一 显 示 出 ， 流 体在 滞 后 于转 子 的转速 下进入 叶片之 间 ， 受 到 叶 片及惯性作 用 ， 滞后运 动转 变 为 向后 一 叶 片靠近 、 相对速 度减 小 的 流动 ， 而且流体流 向叶 片之 间的 中 间部 分 考虑 三 维 流 动情 况 ， 流 体 在 叶 片之 间是 沿径 向旋 转 地流 向 出 口 计算结果说 明流 体 大 的方 向是沿径 向流 向 出 口 ， 但是 其过 程是 含有复 杂 涡流 的三维流动

郝国防等：超细粉体分级机离心逆流式转子的三维旋转流场计算 51· 4结论 通过应用商业化CFD软件一PHOENICS,计算得到的三维流场结果是有一定的合理性 的.目前由于国内关于高速旋转内流场测试的困难，本模型计算结果尚无法直接进行验证，但 是通过已有的旋转机械的研究成果分析验证，本模型计算是合理. 参考文献 1叶旭初，张少明.第三界全国颗粒制备与处理学术会议论文集，1993.293~296 2费瑞乾，朱营康，姚承范.流体工程，1992,20(4)：21~25 3 Johansen S T,et al.Powder Techn,1990,63:121~132 4郝国防.强制祸型逆流式离心分级机流场数值模拟与实验研究.[学位论文].中科院化冶所，1995 5 Silva de S R.International Conference on Powder and Bulk Solids,1979 6 Shareware PHOENICS.The PHOENICS Reference Manual,1993

郝 国 防等 超细 粉体分级机离 心逆流式转子的三维旋转流场计算 结论 通 过应 用商业 化 软件一 ， 计算得 到 的三 维 流 场 结果是有 一 定 的合理性 的 目前 由于 国 内关 于高速旋转 内流场测试 的困难 ， 本模型 计算结果 尚无法 直接进行验证 ， 但 是通过 已 有 的旋转机械 的研 究成果分析验证 ， 本模型计算是合理 参考文献 叶旭初 ， 张少 明 第三界全 国颗粒制备与处理学术会议论文集 ， 一 费瑞乾 ， 朱营康 ， 姚承 范 流体工程 ， ， 一 ， ， ， 一 郝 国 防 强制 涡型逆流式离心分级机流场数值模拟 与实验研究 〔学 位论文〕 中科院 化 冶所 ， 〕 ，