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立磨腔内流场数值模拟研究

作　者: 侯晓洪
导　师: 陈文义
学　校: 河北工业大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 立磨气固两相流流场分布规律风环导风叶片结构优化数值模拟
分类号: TQ051.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

立磨采用料床机理粉磨物料，集磨碎、烘干和分级于一体，其结构紧凑、流程简单、电耗低，是一种高效的粉磨设备，现已经广泛应用于水泥工业。在立磨工作过程中，粉体颗粒的输运和分离效率直接影响整个立磨的工作效率。掌握立磨腔内流场分布规律以及粉体颗粒分离原理，并寻求更合理的腔内关键结构部件的几何参数，对提高立磨粉磨系统的效率具有重要意义。本文选用商业计算流体力学软件STAR-CCM+，基于有限体积法计算离散计算区域，建立控制方程组，多相流模型采用拉格朗日模型(LagrangianMultiphasemodel)，选粉机的旋转区域采用多重参考坐标系法(Multiplereferenceframe，MRF)，湍流模型采用Realizablek-ε二方程模型，这些数学模型结合在一起，完成对立磨腔内流场的计算。立磨腔内磨辊区域的流体运动主要由突扩运动、边界层分离和绕流运动耦合而成。气体由风环喷出形成射流，在磨辊轴下半部与磨辊背面的空间形成涡流区。射流绕过磨辊轴后，在磨辊上部和灰斗之间的区域内形成涡流区；在无磨辊区域，射流和磨盘与灰斗之间形成大的涡流区，这两个涡流区域接合在一起形成一个大的绕灰斗的环形纵向涡流。固体颗粒在磨腔内气体的夹带下，受重力场的影响，有很强离散性，但涡流区的存在加强了气固两相之间的耦合，有助于固体颗粒的初步分级。在选粉区域主要呈现出沿顺时针的强制涡旋流，在出风口的影响下，产生弯管效应，导致流场分布为非轴对称性，在导风叶片间产生局部二次涡流，导风叶片的安装角度应随位置的不同而有所改变。通过对立磨腔内流场分布规律的研究，对部分关键结构部件风环进行结构优化：风环调风板气体的入磨角度α=30°时，能拉长涡流区的区域，加强了气固两相的耦合，有利于使气固两相流更易进入选粉区；风环导风锥β=30°时，能减少大的涡流区的形成，有利于粉体颗粒在立磨腔内实现初步分级，同时压差损失在可接受范围之内，为最佳选择。调整导风叶片的径向夹角γ能调节选粉区域内的速度场分布。经数值模拟研究结果表明：导风叶片径向夹角γ沿圆周方向应随位置不同有所改变，这样能消除叶片间的二次流，能有效的避免由于出口带来的弯管效应对选粉区域速度不均的现象。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题工程背景以及研究的目的和意义  9
  1.2 国内外气固两相流理论在粉体工程应用中的研究现状  9-12
    1.2.1 实验研究  10
    1.2.2 理论分析  10-11
    1.2.3 数值模拟  11-12
  1.3 立磨腔内流场数值研究技术路线  12-13
  1.4 本论文主要研究内容  13-15
第二章立磨腔内流场初步理论分析  15-23
  2.1 立磨腔内结构及工作原理  15-16
  2.2 立磨腔内关键部件对腔内流体场的影响  16-20
    2.2.1 挡料圈  17
    2.2.2 风环  17-18
    2.2.3 灰斗  18
    2.2.4 选粉机  18-20
  2.3 立磨腔内流场数值计算基本控制方程  20-21
  2.4 本章小结  21-23
第三章立磨腔内流场计算的数学模型及计算区域建模  23-33
  3.1 STARCCM+商业计算流体力学软件简介  23-24
  3.2 数学模型  24-29
    3.2.1 控制方程的离散方法  24-25
    3.2.2 流场数值计算的方法  25
    3.2.3 湍流模型  25-27
    3.2.4 气固两相流模型  27-28
    3.2.5 旋转区域模型  28-29
    3.2.6 粉体粒径分布模型  29
  3.3 计算区域建模  29-31
    3.3.1 立磨结构参数  29-30
    3.3.2 立磨腔内网格模型  30
    3.3.3 边界条件  30-31
  3.4 本章小结  31-33
第四章立磨腔内流场数值计算结果分析  33-47
  4.1 立磨腔内局部流场分析  33-40
    4.1.1 单相流  33-37
    4.1.2 气固两相流  37-40
  4.2 立磨整机腔内流场分析  40-44
    4.2.1 单相流  40-43
    4.2.2 气固两相流  43-44
  4.3 本章小结  44-47
第五章立磨腔内关键结构部件优化设计  47-59
  5.1 风环结构优化  47-53
    5.1.1 调风板安装角度优化  47-48
    5.1.2 导风锥角度设计优化  48-53
  5.2 选粉机导风叶片结构优化  53-57
    5.2.1 导风叶片结构优化的粉体动力学依据  53-55
    5.2.2 基于数值模拟的导风叶片结构优化  55-57
  5.3 本章小结  57-59
第六章结论与展望  59-61
  6.1 结论  59-60
  6.2 展望  60-61
参考文献  61-65
攻读学位期间所取得的相关科研成果  65-67
致谢  67

立磨腔内流场数值模拟研究

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