基于FLUENT的粉碎機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬和結(jié)果分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31613基于FLUENT的粉碎機(jī)內(nèi)部流場的數(shù)值模擬和結(jié)果分析案例 1324281.1FLUENT數(shù)值模擬的模型選擇 1297321.1.2流動基本控制方程 2119331.1.3模型的選擇 299211.2粉碎邊界條件的選擇與修改 479601.3粉碎機(jī)內(nèi)部流場數(shù)字模擬的求解方法 4198371.4粉碎機(jī)內(nèi)部流場的結(jié)果分析 438461.1.1磨盤內(nèi)部顆粒的分布和流動軌跡 5275051.1.2不同速度對磨盤刀具流場分析 61.1FLUENT數(shù)值模擬的模型選擇粉碎機(jī)內(nèi)部物料和空氣流體一般都處于比較復(fù)雜的湍流狀態(tài)，復(fù)雜的內(nèi)部流場很難精確被描述。通過數(shù)值模擬的方法可以改變流場的各種參數(shù)，進(jìn)而使達(dá)到仿真接近實際結(jié)果。任何流體運(yùn)動都滿足流體力學(xué)中的3個基本規(guī)律，流體流動在歐拉坐標(biāo)體系下滿足以下基本方程：連續(xù)方程：動量方程：能量方程：本構(gòu)方程：由于一般工程裝置所涉及的流體流動都是較為復(fù)雜的湍流模型，因此，模擬其流場內(nèi)部過程就必須處理好湍流問題。粉碎機(jī)內(nèi)部流場是氣固兩相流湍流模型。同時考慮內(nèi)部粘度問題，所以在viscous中選擇模型。標(biāo)準(zhǔn)的模型已經(jīng)普遍用于工程流場計算中，但是對處理低雷諾數(shù)流動、曲壁邊界流等存在的問題，大多數(shù)學(xué)者通過RNG模型。其最大特點(diǎn)就是能夠滿足雷諾數(shù)應(yīng)力的約束條件，因此能夠保證與實際湍流相同的雷諾應(yīng)力。RNG模型與標(biāo)準(zhǔn)模型相比，做出一定的改進(jìn)：加入一個條件，極大的改善計算精度；對于湍流旋渦的情況，能夠得到更高的計算精度；RNG模型考慮到了低雷諾數(shù)模型的流動，增加了流動粘性的方程。1.1.2流動基本控制方程對于任何流體，都必須滿足能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律，這三大物理定律。(1)能量守恒定律。流體能量E是由其內(nèi)能i、勢能P和動能K相加所得到的。其中，內(nèi)能與環(huán)境溫度有關(guān)，即：。勢能與位置有關(guān)；動能與速度和質(zhì)量有關(guān)，即。通過變換可以得到自變量為T的能量守恒關(guān)系式：(2)質(zhì)量守恒定律。其質(zhì)量守恒關(guān)系式：關(guān)系式中，t表示時間，ρ表示密度，u,v,w為速度在x,y,z三個方向上的三個速度分量。(3)動量守恒定律。其動量守恒關(guān)系式：1.1.3模型的選擇粉碎機(jī)內(nèi)部主要是旋轉(zhuǎn)流場，同時還會產(chǎn)生回流現(xiàn)象，所以其內(nèi)部流場比較復(fù)雜。不同轉(zhuǎn)速的剪切刀具和磨盤刀具對顆粒的粉碎和粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)都有很大的影響，同時，由于湍流現(xiàn)象受內(nèi)部流場流速的影響，考慮到這些因素，通過上面的標(biāo)準(zhǔn)型與RNG的對比，可以得到該模型能夠更好的處理內(nèi)部流場，所以湍流模型選用RNG雙方程模型。由于模擬的是粉碎機(jī)內(nèi)部顆粒與空氣的流場，通過對粉碎機(jī)工作原理的研究，可以知道物料經(jīng)過粗破碎進(jìn)入粉碎機(jī)，并在內(nèi)部反復(fù)進(jìn)行剪切、磨碎、沖壓等，所以必須使物料處于一個封閉的空間，并需要向內(nèi)部注入固體顆粒，則在DiscretePhase中創(chuàng)建注入顆粒，并從網(wǎng)格進(jìn)口注入。到此為止模型已確定完成。1.2粉碎邊界條件的選擇與修改由于粉碎機(jī)工作環(huán)境是封閉的，那么在工作狀態(tài)下，進(jìn)出口都是關(guān)閉狀態(tài)。所以在fluent中將進(jìn)出口都設(shè)置為wall,同時講兩刀具的wall設(shè)置為同時旋轉(zhuǎn)的movingwall。1.3粉碎機(jī)內(nèi)部流場數(shù)字模擬的求解方法Fluent存在密度求解器和壓力求解器，由于主要是研究粉碎機(jī)內(nèi)部磨盤刀具的壓力變化，并且內(nèi)部顆粒的密度不發(fā)生變化，固體顆粒不會被壓縮，所以選擇壓力耦合求解器。由于壓力方程是通過控制方程中的動量方程、連續(xù)方程和能量方程推導(dǎo)得到的。所以該方法可以保證模型滿足能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒[10]。通過fluent的數(shù)值模擬，根據(jù)粉碎機(jī)粉碎物料的工作原理，則在放入模擬顆粒時應(yīng)將進(jìn)出口封閉，物料可以通過注入的方式進(jìn)入封閉腔內(nèi)。此外，由于設(shè)置了movingwall，所以對于刀具使用穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MRF）法。設(shè)置旋轉(zhuǎn)刀具的轉(zhuǎn)速，此時注意單位換算。由于磨盤部分主要的顆粒在磨盤之間的擠壓和剪切，那么其余求解方式可以設(shè)置為默認(rèn)。設(shè)置完畢后，進(jìn)入計算，并進(jìn)行50步的迭代，等待結(jié)果。如果計算結(jié)果中連續(xù)性過高，可以通過修改求解方式中的算法，將SIMPLE更改為SIMPLEC，或者壓力保持standard格式不變外，將其余設(shè)置為高階格式。通過改變movingwall的轉(zhuǎn)速來模擬刀具（剪切刀具和磨盤刀具）的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而分析不同轉(zhuǎn)速磨盤上的壓力和速度分布。1.4粉碎機(jī)內(nèi)部流場的結(jié)果分析數(shù)值模擬計算完畢后，通過后處理的方式，得到所需要的云圖。在Results-Graphics-ParticleTracks，可以查看諸如粒子的運(yùn)動軌跡、速度和分布等。在Results-Graphics-Contours,通過選擇速度、壓力、壁面剪切力等得到所遇到的壁面云圖數(shù)據(jù)，進(jìn)而有助于結(jié)果分析，得出結(jié)論。1.1.1磨盤內(nèi)部顆粒的分布和流動軌跡由于注入的物料顆粒受到重力的作用，注入時沉入粉碎機(jī)內(nèi)部空間底部，同時，為了研究磨盤部分的流暢，設(shè)置0.01m/s的速度進(jìn)入粉碎機(jī)磨盤部分，由于旋轉(zhuǎn)刀具的攪拌等作用，物料開始旋轉(zhuǎn)，所以通過模擬的粒子軌跡可以看到，靠近刀下方的顆粒速度較大的，數(shù)量密度較高。圖4-1磨盤未開始工作時物體顆粒位置狀態(tài)圖4-2磨盤以1000r/min時顆粒的流動軌跡基于氣固兩向流的熱固性塑料粉碎機(jī)的數(shù)值模擬1.1.2不同速度對磨盤刀具流場分析刀具的轉(zhuǎn)速在粉碎物料中起著重大的作用，刀具的轉(zhuǎn)速直接影響著物料的物理和化學(xué)狀態(tài)，從而會影響刀具所受的壓力和剪切力，所以刀具轉(zhuǎn)速這對粉碎機(jī)的選材、優(yōu)化等因素起著至關(guān)重要的影響。由于磨盤是粉碎物料的最后一步，所以對物料粉碎結(jié)果有著重要作用。磨盤速度的不同，物料的粉碎程度不同，速度大時，熱固性塑料內(nèi)部就會發(fā)生裂解現(xiàn)象，不利于物料的回收，但速度過小時，就是出現(xiàn)粉碎不完全。通過在三組不同轉(zhuǎn)速刀具的作用下，得到如圖所示的壓力分布云圖。通過成等差數(shù)列的刀具轉(zhuǎn)速的改變，可以看出不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)下的壓力云圖以及壁面剪切力云圖。觀察可以得出，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速增加后，磨盤上各點(diǎn)的線速度與半徑近似成正比，主要原因是顆粒的重力和離心力的作用所導(dǎo)致。同時磨盤上的剪切力也會根據(jù)物料在內(nèi)部流場中的模擬，表現(xiàn)在磨盤上，由于速度的增加，物料受到在高速磨盤作用下，發(fā)生更大的沖擊和剪切，越靠近邊緣的磨盤刀齒，受到剪切力越大。由于受物料顆粒的沖擊，速度越大，密盤刀齒上承受的壓力也就越大。圖4-3(a)磨盤1000r/min的壓力圖4-3(b)磨盤1000r/min的速度圖4-3(c)磨盤1000r/min刀具受到的壁面剪切力圖4-4(a)磨盤2000r/min的壓力圖4-4(b)磨盤2000r/min的速度圖4-4(c)磨盤2000r/min刀具受到的壁面剪切力圖4-5(a)磨盤3