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| 非金属矿粉体加工设备流场数值模拟进展 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2014-11-24 11:27:56 浏览次数： |
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本文将调研非金属矿领域粉体加工设备数值模拟的研究情况，给出其概貌。分析数值模拟在非金属矿粉体加工中应用推广的必要性、国内目前研究进展，总结非金属矿粉体加工设备数值模拟的关键、存在困难和发展趋势。
1、非金属矿粉体加工流场数值模拟的必要性
非金属矿粉体加工设备流场研究方法主要有理论分析、实验和数值计算方法三类。但粉体加工设备内部工作质的多相（气固两相或液固两相，甚至气液固三相）和由结构繁复（往往由多个部件构成且形状特殊）带来流场流域边界的复杂导致设备流场的流动流型极其复杂，理论分析难度大，要得到有实际意义的理论分析非常困难。而由于流场中粉体颗粒流场的存在使流场不透明，现代光学流场测量手段无法应用，再加粉体流场的浓度不均、流型多样且存在相互转化、接触式测量易堵塞磨损且会引入不宜忽略的测量干扰，所以其实验测量难度较大，费用很高，而且实验手段很难得到粉体设备流场物理量的细节分布和分析。
数值模拟方法具有一定的理论基础、投资少、可重复性和可控制性等优点，特别是近年来计算机硬件的飞速发展和计算流体力学（CFD）技术的成熟进步，使得非金属矿粉体加工设备流场数值计算研究的可行性大幅提高。所以，数值模拟成为粉体加工设备流场研究的重要方法，对认识各具特性的粉体加工设备的工作原理以提高其加工效率和效果，以及结构优化改进等都具有极其重要意义。
2、非金属矿粉体加工流场数值模拟的研究进展
非金属矿粉体加工设备包括粉碎与分级、超细粉碎与精细分级、选矿与提纯、表面改性、固液分离和干燥等类型，但目前引入数值模拟的类型包括粉碎、分级、表面改性、粉体输送以及水泥炉窑等。离心选矿的数值模拟也已经起步。
2.1超细粉碎与磨机方面的模拟进展
超细粉碎作为非金属矿粉体深加工技术之一，对现代产业发展具有重要意义。随着超细粉碎设备的日趋进步，国内对超细粉碎及磨机的模拟研究呈逐渐增多的趋势。
王瑞红利用FLUENT软件对准直管磨料射流准直管静止不动、入口带圆锥收敛段的直管磨料喷头内部等温、不可压缩、稳态、液固湍流进行数值模拟。认为喷头混合室内存在二个环形回流区。
杨军瑞等利用FLUENT对气流粉碎中获取高速气流的常规喷嘴与自行设计的新型环形复合喷嘴进行气相数值模拟，认为所设计新型喷嘴具有射流速度快、射流相对集中和射程远等优点。
李翔等用Fluent对CXM型超细分级磨样机风口环进行气相模拟，研究其结构参数与操作参数对粉碎区粉碎效果的影响。
张国旺等用CFX软件对盘式、棒式、螺旋式三种搅拌器的超细立式搅拌磨机流场进行单一液相数值模拟，分析其速度梯度、剪切率、粘性耗散率等流场特性，认为棒式搅拌磨机速度梯度大、应力分布均匀和阻力较小的一种磨机。
纪鸿利用FLUENT软件对实验室用MINIZETA型卧式搅拌磨机进行单一液相流场模拟研究，得到磨机内速度、压力、能量分布呈“喇叭口”形状的结论；也用EDEM软件对磨机介质颗粒的运动形态进行模拟尝试。
2.2分级设备的模拟进展
目前，粉体分级设备的模拟研究涉及涡轮分级（含立磨选粉机）、涡流超细分级、气力超细分级等设备。其中对涡轮分级机流场的数值模拟较多。
在涡轮分级方面，陈海焱等用FLUENT对涡轮分级机分级轮进行数值模拟，研究分级轮径向速度和分级区流场分布。针对干法水泥生产线中使用的立磨选粉机（属风扫式涡轮选粉机）分级室，李进春 、童聪等对SLK5500选粉机分级室腔体进行气固两相数值模拟和结构改进实验，研究结构变化（不同叶片间距和安装倾角）对分级区速度场的影响及其分级效率的变化规律。
綦海军等也对涡轮式立磨选粉机内的气固两相流场进行数值模拟和相关实验，研究转速、风量等操作参数对分级流场的影响，设计出SMG5500型立磨选粉机，用于水泥厂立磨节能改造。针对水泥粉磨系统中使用的O-Sepa选粉机，陈杰来等用FLUENT对其转子底部4种不同结构进行数值模拟，探究底部结构对选粉机流场特性的影响。
在涡流分级方面，李双跃、李洪等对平面涡流分级机的导流部分、密封部分和转子部分进行数值分析，研究蜗壳与导风叶对导流效果的影响、及分级机中存在的磨损现象。李进春等对涡流分级机叶片间气固两相流场进行数值模拟，设计一种“Z”型转子叶片，并以叶片间的流场作为模型，讨论不同前弯、后弯倾角下的流场规律。
杨庆良等用FLUENT对涡流分级机三维气相流场进行数值模拟，同时采用激光多普勒测速仪对分级机叶片间流场进行测量，并对转笼结构改进后再行模拟。孙树峰等对重质碳酸钙和石英在CF型涡流分级机不同转速下进行气固混合相数值模拟和分级实验，研究转速对分级特性的影响。
在气力超细分级方面，徐政较早采用数值模拟对转子型空气分级机转子叶片的不同角度和不同叶片间距展开流场模拟研究，认为负角度叶片、间距越小叶片更有利于超细分级的进行。
焦渤等对所在实验室（北京市粉体技术研究重点实验室）自制气流分级机气相流场进行数值模拟，研究分级轮不同叶片数、不同转速下分级机内部流场情况并给出相关解释。
另外，王勇按水力旋流器原理自行设计圆柱形隔舱式多段旋流分级机，用FLUENT对其单相及多相流场进行初步数值模拟，并将模拟结果与石英砂分级实验结果进行了对照。
2.3粉体混合的模拟进展
粉体混合（或均化）是粉体加工的重要单元，但其模拟研究较少。
欧阳鸿武等较早讨论总结了粉末冶金中固固粉体混合过程的基本特征和混合机制，并介绍了本世纪初粉体(颗粒)混合过程的数值模拟和实验研究情况。
叶涛等分析了用FLUENT软件进行粉粒体混合设备内部流场模拟的基本理论和方法，总结国内外应用和研究的进展及成果。
2.3粉体改性设备的模拟进展
目前国内仅有的改性机模拟研究为，吴翠平用FLUENT对广泛使用的SLG型连续粉体表面改性机改性流场展开的气固两相数值模拟。该研究依据流场测量（速度、压力、温度）结果确定模拟参数，发现湍动能耗散率、剪切速率和涡量分布基本重合的流场特性和集搅拌与射流于一体的改性机混合机理。
2.4输送设备及粉体扩散的模拟进展
输送设备是粉体加工中的衔接设备，而粉体扩散涉及粉体加工场所内粉体的损失和人员工作环境的保护，目前其流场数字模拟研究不多。
施阳和等用Solidworks建模FLUENT离散相模型对螺旋送粉器内固体颗粒轨迹进行数值模拟，研究影响其性能的关键因素。卢洲等[29]用FLUENT结合EDEM对柱状颗粒在90°弯管中的气力输送过程进行模拟，研究不同弯径比下颗粒的运动状态、碰撞特性和颗粒破碎率。
荆俊山等对生产车间内纳米颗粒的扩散进行数值模拟，研究通风风速对纳米粉尘浓度的影响。
2.5水泥等炉窑的模拟进展
自2002年起，水泥、玻璃、陶瓷行业，数值模拟方法已经较多应用于各种窑炉或合成过程的研究，这类模拟中往往包含温度场。
黄来等对双喷腾分解炉、陈作柄等对强化悬浮式分解炉、肖国俊等对煅烧回转窑、谢峻林等对SLC-S分解炉、张范斌等对浮法玻璃退火窑、邵宏根等对浮法玻璃成型、胡国林等对瓷质砖湿坯对流干燥、李少华等对水平回转窑、肖国庆等对Ti-C系自蔓延高温合成等装置、设备或过程的内部气固相流场分别进行模拟研究。
3、粉体加工设备数值模拟的关键技术
目前，粉体加工设备数值模拟技术的焦点主要在超细粉碎与磨机、精细分级、粉体改性等方面。由于粉体的存在，粉体加工设备的流场总是两相（如气固、液固）甚至三相，不如化工设备流场那么单一（往往可视做均一相），且分级流场内粉体不同粒度分布的加工结果必须详细考察。同时，粉体加工设备类型多，即使是同类型的设备，其结构差别也往往很大，但大部分设备往往包含旋转部件。因此，非金属矿粉体加工设备数值模拟往往需要处理好以下四个问题。这四个问题也是成功实现粉体加工设备数值模拟的技术关键。
1)建立粉体流场的几何模型。粉体加工设备的结构往往很复杂，含转动部分必然要有转轴，因此从复杂的设备结构中如何简化或取舍、甚至重新划分或小改动以便建立能够适用于数值模拟网格划分的几何模型，是数值模拟的首要任务，需要精确了解设备结构。
2)界定粉体流场的计算条件。具体包括相（单相，多相或均一相）及其物理性质与含量、可压与不可压、旋转流场的处理（如旋转域的界限）、入口和出口的边界条件，这些方面需要熟悉设备工作状态和操作条件及模拟计算经验，必要时需要经过测量来确定某些参数。
3)实现网格划分及模拟计算。需要对网格划分工具和计算软件的精通掌握，需要投入大量时间，反复试算，以及足够的计算机性能，网格越细对计算能力的要求越高，甚至需要服务器的较长机时才能在合理时间内获得计算收敛。
4)得到针对计算目标的后处理。需要精通后处理软件，并结合模拟计算目的和理论分析与实验研究结果，才能得到有意义的计算结果和分析结论。
4、目前困难与发展趋势
目前，对于非金属矿粉体加工的模拟研究数量在增多，但技术上仍然处于初始探索阶段，能得到有意义结论的研究为数不多。
从论文调研看，粉体加工模拟计算手段除个别采用自编程序（需要具备流体力学专业理论和程序设计能力）外，大部分直接采用商用软件。上世纪末以PHOENICS为主，现在则以FLUENT为主，占90%以上。对复杂粉体设备的流场模拟，一部分研究采用SOLIDWORKS、Pro/E、Rhinoceros等三维软件进行几何建模。同时，有少部分研究采用Tecplot实现后处理。这样的模拟手段状况与商用流场模拟软件的发展、成熟及其在国内的应用普及密切相关。
非金属矿粉体加工设备流场数值模拟的目前困难在于前述关键技术的第2)步。成熟商业软件本身的算法、网格类型、边界条件等诸方面的正确性在其上市前和广泛应用中已经得到验证，对于给定‘条件’（即计算前的一些列设置，如边界条件、求解方法等）其计算结果应该是正确的。困难在于如何将某一具体粉体设备数值模拟的‘条件’确定合适。只要设置合适的给定条件，必然能得到正确结果；但确定合适条件需要对粉体设备结构的掌握、理论分析、运行经验和模拟计算经验，尤其是，一些关键参数需要在真实运行设备中实际测量，需要具备必要的财力、物力、人力，还要受限于流场参数的测量技术。目前，满足这些需要还不容易做到。
所以，非金属矿粉体加工流场数值模拟的发展趋势是通过加强流场测量技术和提高国内非金属矿数值模拟群体的计算流体力学技术水平，保证为具体粉体设备确定出合适的给定条件，以便得到针对具体计算目标的真正有工程意义的模拟结果和结论。
5、结论
1)国内非金属矿粉体加工设备流场的数值模拟研究主要集中在超细粉碎、超细分级、窑炉、混合等方面，且模拟均针对三维流场。虽然数量在增多，但技术上仍然处于初始探索阶段，能得到有意义结论的研究为数不多。
2)非金属矿粉体加工设备流场数值模拟的关键在于建立几何模型、界定粉体流场的计算条件、实现网格划分及模拟计算、以及针对计算目标的后处理方法。
3)非金属矿粉体加工设备流场数值模拟的目前困难是确定具体粉体设备数值模拟的合适‘条件’。
本文作者吴翠平，毛盼盼，郑水林，丁清珍，李慧（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083），文章收录在第十五届全国非金属矿矿物加工利用技术交流会论文集中。
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