摘要：采用Fluent軟件模擬分析旋風(fēng)筒內(nèi)氣相流場及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。模擬過程中采用RNG k-ε模型模擬湍流流動(dòng)，采用隨機(jī)軌道模型模擬顆粒運(yùn)動(dòng)，并對(duì)不同顆粒粒徑的分離效率進(jìn)行分析。結(jié)果表明，旋風(fēng)筒下料口部位速度最小，內(nèi)筒插入點(diǎn)中心位置壓力最小，內(nèi)筒插入點(diǎn)附近湍流動(dòng)能最大；旋風(fēng)筒的分離性能與顆粒粒徑有關(guān)。

  旋風(fēng)預(yù)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(shí)踐表明，物料與氣流間的熱交換主要在各級(jí)旋風(fēng)筒之間的連接管道中進(jìn)行，旋風(fēng)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(duì)旋風(fēng)筒本身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)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(fēng)筒分離效率的因素是復(fù)雜的，在操作參數(shù)一定的情況下，旋風(fēng)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(fēng)筒本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性外，控制流體性質(zhì)也將直接決定其工作性能。

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

  1 模型與計(jì)算方法

  1.1 物理模型

  圖1和圖2分別為該旋風(fēng)筒的實(shí)體圖和網(wǎng)格模型。該旋風(fēng)筒的基本尺寸來源于某廠5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線C3級(jí)旋風(fēng)筒，其進(jìn)風(fēng)口采用五邊形結(jié)構(gòu)，結(jié)合270°三心大蝸殼旋轉(zhuǎn)向下，減少了因進(jìn)風(fēng)而造成的阻力損失。該旋風(fēng)筒處于窯尾預(yù)熱系統(tǒng)的中間級(jí)，其特點(diǎn)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(shù)，研究旋風(fēng)筒內(nèi)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(fēng)筒。在數(shù)值模擬前，需采用Fluent前處理器Gambit軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所劃分網(wǎng)格的質(zhì)量將直接影響模擬的結(jié)果。在本研究中，利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)和混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)旋風(fēng)筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成543680個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)檢查，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

  1.2 數(shù)學(xué)模型

  1.2.1 氣相湍流模型

  旋風(fēng)筒內(nèi)的氣體流動(dòng)以強(qiáng)旋流為主，故采用RNG k-ε 湍流模型進(jìn)行模擬，三維流動(dòng)的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k 和ε 輸運(yùn)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(dòng)能k，湍流動(dòng)能耗散率ε；SΦ是由氣相引起的源項(xiàng)。方程中擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)的具體形式參考文獻(xiàn)^[6]。

  1.2.2 氣固兩相流場模型

  為更好的模擬旋風(fēng)筒內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)，采用隨機(jī)軌道模型模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)，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(biāo)i分別代表x,y,z方向，F(xiàn)D是x,y,z方向單位質(zhì)量的拽力。

  2 數(shù)值求解過程

  運(yùn)用Gambit軟件對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格后，將其導(dǎo)入到Fluent軟件內(nèi)，依次選擇求解模型和設(shè)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(yàn)公式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xiàng)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(shí)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(dòng)為充分發(fā)展。

  3 模擬結(jié)果及分析

  3.1 氣相模擬結(jié)果

  圖3 給出了該旋風(fēng)筒的速度分布云圖，從圖中可以清晰的看出，速度自旋風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)口至下料口逐漸減小，且對(duì)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(qiáng)旋流狀態(tài)。速度在斜下柱體部位較小，對(duì)稱性不佳，速度梯度相對(duì)變小，這樣可以降低氣體對(duì)已收集物料的擾動(dòng)，有利于氣固分離。另外，在內(nèi)筒下邊緣處，由于運(yùn)動(dòng)空間的突然縮小，使得該處速度增大，并出現(xiàn)強(qiáng)旋流。而在內(nèi)筒內(nèi)部，由于內(nèi)筒的完美對(duì)稱，其速度也對(duì)稱性完好，中間處較小，邊緣處較大。氣體在內(nèi)筒插入點(diǎn)的強(qiáng)旋流，通過壓力云圖和湍流動(dòng)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(fēng)筒內(nèi)的分布為中心小，邊緣大，且沿旋風(fēng)筒的中心近似呈對(duì)稱分布，但是，由于內(nèi)筒的存在，擾亂了發(fā)展較好的湍流流場，使得插入點(diǎn)附近的湍流動(dòng)能迅速增大，超過周圍的湍流動(dòng)能，因此該處造成了強(qiáng)旋流。從湍流動(dòng)能云圖（圖5）中可以看出，強(qiáng)湍流動(dòng)能分布在內(nèi)筒插入點(diǎn)附近，沿內(nèi)筒中心對(duì)稱分布，因此在強(qiáng)湍流動(dòng)能之間的空間便形成了低壓區(qū)，即：壓力在內(nèi)筒插入點(diǎn)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(nèi)筒排出旋風(fēng)筒。

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  3.2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬分析

  圖6給出了顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從圖中可以清晰的看出，顆粒進(jìn)入旋風(fēng)筒后，在蝸殼的作用下形成旋轉(zhuǎn)流，在后方流體的推動(dòng)下向下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，顆粒在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，與旋風(fēng)筒的壁面發(fā)生碰撞，動(dòng)能消耗，部分粒子在重力的作用下由下料管排出旋風(fēng)筒，完成分離；而動(dòng)能較大的部分顆粒被流體攜帶，在旋風(fēng)筒中心旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，由經(jīng)內(nèi)筒排出旋風(fēng)筒。圖7給出了旋風(fēng)筒內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的速度矢量圖，顆粒在旋風(fēng)筒內(nèi)是三維運(yùn)動(dòng)，在切線方向呈“M”型分布，即旋風(fēng)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(nèi)筒的限制，在內(nèi)筒插入點(diǎn)附近壓力達(dá)到最大，繼而受強(qiáng)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(shí)存在著轉(zhuǎn)向，在不同位置的軸向速度的分布沿x 軸方向近似對(duì)稱，在中心處速度最小，靠近邊緣速度增大，并呈現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)變，這是向下的“外旋流”和向上的“內(nèi)旋流”共同作用的結(jié)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(nèi)的分布呈現(xiàn)的規(guī)律性較弱。在蝸殼的環(huán)形區(qū)域內(nèi)的徑向速度出現(xiàn)正、負(fù)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(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)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(fēng)筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如圖8所示。從結(jié)果中可以看出，在相同的速度下，顆粒粒徑越小，被旋風(fēng)筒收集的量越少，在內(nèi)筒排出的量越多。這表明，旋風(fēng)筒對(duì)物料顆粒的分離具有選擇性的，即當(dāng)顆粒粒徑很小，旋風(fēng)筒不能很好地收集顆粒，其分離效率明顯下降，當(dāng)顆粒尺寸較大，被旋風(fēng)筒收集的量也增多，其分離效率也相應(yīng)較高。將旋風(fēng)筒對(duì)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(dāng)顆粒粒徑小于20μm時(shí)，旋風(fēng)筒的分離效率較低，在50%以下，而當(dāng)顆粒粒徑為大于20μm，其分離效率明顯升高，尤其是粒徑達(dá)到50μm時(shí)，旋風(fēng)筒幾乎可以收集所有顆粒，其氣固分離效率接近100%。模擬結(jié)果充分展現(xiàn)了適于該旋風(fēng)筒氣固分離的顆粒粒徑范圍，在實(shí)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(diào)節(jié)分離效率，以節(jié)約能源，優(yōu)化生產(chǎn)。

  4 結(jié) 論

  本文以某廠5000t/d水泥熟料生產(chǎn)線的C3級(jí)旋風(fēng)筒為例，利用Fluent軟件，采用RNG κ-ε模型及隨機(jī)軌道模型對(duì)旋風(fēng)筒的氣相流場和氣固兩相流場進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：內(nèi)筒附近的強(qiáng)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(fēng)筒內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，切向速度呈“M”型分布，中心處速度最小，內(nèi)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(shí)存在著轉(zhuǎn)向；徑向速度不連續(xù)，在三維空間內(nèi)分布的規(guī)律性較弱；旋風(fēng)筒對(duì)顆粒的分離具有選擇性，對(duì)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(shè)計(jì)旋風(fēng)筒時(shí)，應(yīng)遵循其內(nèi)流場運(yùn)動(dòng)規(guī)律，合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)旋風(fēng)筒的實(shí)際工作性能合理調(diào)節(jié)需分離的顆粒尺寸，以達(dá)到節(jié)約能源，高效生產(chǎn)的目的。

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