陳相，路朗，王明強(qiáng)1,，申?duì)D，袁明新

(1. 江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2. 江蘇科技大學(xué) 張家港校區(qū)，江蘇 張家港 215600； 3. 江蘇省張家港中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 張家港 215600)

0 引言

上懸式刮刀卸料離心機(jī)是一種全自動(dòng)控制的離心機(jī),它利用強(qiáng)大的離心力將進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的懸浮液進(jìn)行固液分離，分離液通過過濾介質(zhì)經(jīng)機(jī)殼收集從機(jī)器下部排除，固相顆粒則在濾網(wǎng)的阻隔下留在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，并借助于卸料裝置排出機(jī)外。由于上懸離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓位于主軸下端，軸的支承點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)鼓質(zhì)心，且采用撓性軸及彈性支承，這就使得機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓能自動(dòng)對中，從而減少了由于加料不均勻而引起的機(jī)器振動(dòng)。上懸式離心機(jī)因其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、卸料方便而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。該類型離心機(jī)的分離效率在很大程度上取決于進(jìn)料系統(tǒng)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于減少懸浮液在進(jìn)料管中的渦輪和二次環(huán)流等能量損耗。因此,何麗芳[1]針對進(jìn)料過程中的不穩(wěn)定進(jìn)料容易造成轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料分布不均問題，通過加裝布料盤來解決。曹新峰[2]設(shè)計(jì)了套管式進(jìn)料管線，通過料漿泵直接進(jìn)料方式穩(wěn)定了離心機(jī)的電流，增強(qiáng)離心機(jī)脫水能力。上述改進(jìn)雖然提高了離心機(jī)的分離效率，但主要通過增加外置設(shè)備或改進(jìn)進(jìn)料方式實(shí)現(xiàn)，未能從進(jìn)料管本身出發(fā)，結(jié)合懸浮液流動(dòng)特性進(jìn)行改進(jìn)，耗時(shí)且成本高。為此，文中基于有限元技術(shù)，通過懸浮液流場的模擬分析和對比來進(jìn)行進(jìn)料管設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高離心機(jī)的工作效率。

1 離心機(jī)進(jìn)料管內(nèi)懸浮液的流動(dòng)模擬

1.1 離心機(jī)進(jìn)料管概況

上懸式平板刮刀卸料離心機(jī)是在傳統(tǒng)上懸式離心機(jī)基礎(chǔ)之上，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要而設(shè)計(jì)出來的新型離心機(jī)，其中進(jìn)料管普遍采用不銹鋼材質(zhì)制造，壁厚為3～5mm，完全可以滿足使用的要求，四氟漆涂內(nèi)表面，使進(jìn)料管不易被物料沖刷和腐蝕。設(shè)計(jì)為2-3個(gè)圓形分管口的形式，且直徑相同，流量、噴射強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)也大致相同。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，各種形式的懸浮液都會(huì)遇到，而且懸浮液內(nèi)懸浮粒子的體積大小不一。上懸式離心機(jī)分離的懸浮液為固液相，固相為固體顆粒，粒徑在1μm以上，可假定為球型，固體顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.3～0.5，因布朗運(yùn)動(dòng)而懸浮于液體中，液體為水，密度為1 000kg/m3。目前因進(jìn)料管缺陷，離心機(jī)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲和輕載運(yùn)行，致使安全隱患頻現(xiàn)且生產(chǎn)效率下降[3-4]。因此對進(jìn)料管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的工程意義。

1.2 進(jìn)料管優(yōu)化模型

傳統(tǒng)的離心機(jī)進(jìn)料管上部圓管為進(jìn)口，內(nèi)徑80mm，下部3根直徑相對較小的彎管為出料口，內(nèi)徑約26mm，進(jìn)料管豎直安裝固定于離心機(jī)上蓋，并通過螺栓固定。離心機(jī)工作時(shí)，懸浮液是從料漿池中通過料漿泵泵入到進(jìn)料管中，由于管道的形狀會(huì)造成懸浮液的能量損失，因此可以通過模擬懸浮液的流動(dòng)狀態(tài)，找到提高離心機(jī)生產(chǎn)效率的因素，進(jìn)而優(yōu)化管道。應(yīng)用Pro/E軟件對傳統(tǒng)的進(jìn)料管進(jìn)行三維建模并導(dǎo)入DM軟件，如圖1(a)、圖1(b)所示，然后再對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而生成如圖1(c)所示的包含節(jié)點(diǎn)和單元的有限元模型。

圖1 進(jìn)料管三維模型及網(wǎng)格劃分

離心機(jī)進(jìn)料管中懸浮液的流動(dòng)選擇歐拉模型，在完成網(wǎng)格劃分后，開始Fluent的流體分析，并利用CFD和Fluent自動(dòng)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，完成了懸浮液在進(jìn)料管中的模擬，如圖2所示。分析可知，固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布決定了離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上濾餅的厚度。如果料位計(jì)監(jiān)測處的濾餅厚度過大，會(huì)提前結(jié)束進(jìn)料，導(dǎo)致離心機(jī)的生產(chǎn)能力下降，如果料位計(jì)監(jiān)測處的濾餅厚度過小，則會(huì)延遲結(jié)束進(jìn)料，致使離心機(jī)過載運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲和安全隱患。因此進(jìn)料管應(yīng)從固體顆粒體積分布和最大速度入手，在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝成本的同時(shí)，設(shè)計(jì)出最優(yōu)進(jìn)料管，使得進(jìn)料管中懸浮液的流速較小并且固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布較廣。由圖2(a)、圖2(b)可以看出，落在壁面上水的體積分?jǐn)?shù)最大為0.3左右，位置在圓管出口中心軸線對應(yīng)的壁面處，其集中的區(qū)域可以分為3塊小圓面積，集中區(qū)域的高度約占整個(gè)壁面高度的50%。由圖2(c)可以看出最大速度發(fā)生在由大直徑圓管到小直徑圓管的凸肩處和第一個(gè)圓管的彎管處，最大值為6.243 m/s。因?yàn)槟芰繐p失和速度的平方成正比，速度越大說明能量損失越大。

圖2 各出口的水體積分?jǐn)?shù)云圖及懸浮液的流線圖

2 離心機(jī)進(jìn)料管的優(yōu)化分析

由進(jìn)料管中懸浮液流動(dòng)的數(shù)值模擬可以看出，合理設(shè)計(jì)進(jìn)料管應(yīng)從固體顆粒體積分布和最大速度入手，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得進(jìn)料管中懸浮液的流速變小、固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)分布更廣。鑒于此，文中提出了3種優(yōu)化方案。

2.1 優(yōu)化方案1

方案1進(jìn)料管的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示，入口外徑為80 mm，裝置總長815 mm。3根出口管設(shè)計(jì)為2個(gè)矩形出口，長和寬分別為194 mm，25 mm,厚度為3 mm,矩形出口之間相距362 mm，采用拉伸辦法把下半部分圓管切分成一半，出口底部彎管半徑為80 mm。設(shè)計(jì)2個(gè)導(dǎo)流片來均勻分割流場，導(dǎo)流片的厚度5 mm，曲率半徑27.5 mm。導(dǎo)流片加裝在矩形出口的中間部位，使1個(gè)出口變成2個(gè)出口，加裝2個(gè)導(dǎo)流片后整個(gè)進(jìn)料管就變成4個(gè)矩形出口。這樣能夠在一定程度上保證流場分布均勻，流體能沿著導(dǎo)流片和壁面流出，出口速度均勻且落在壁面上的流體分布范圍會(huì)更廣?？紤]到流體在出口處因?yàn)閿D壓而離開原來的路線，在重新設(shè)計(jì)時(shí)在中間豎直加裝一塊薄板，厚度3 mm，長度256 mm，寬度74 mm。薄板起到分割流場的作用，保證懸浮液從進(jìn)口處就被豎直薄板分割成2塊有效截面積相等的區(qū)域。

圖3 3種方案的三維結(jié)構(gòu)圖

2.2 優(yōu)化方案2

方案2進(jìn)料管的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3(b)所示，裝置總長為725 mm。充分考慮到流域劃分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵性，本方案將進(jìn)料管的入口處設(shè)計(jì)為方形截面，邊長為80 mm，距離入口160 mm處開始劃分流域。主要使用4個(gè)相同矩形截面的狹長管道來劃分流域，這4個(gè)非等截面出口管，其實(shí)等同于3個(gè)厚度為7.5 mm的導(dǎo)流片，把流場分割成4個(gè)區(qū)域，保證了每個(gè)區(qū)域流量相等。根據(jù)邊界層理論，貼近壁面處的流體由于粘性作用速度趨近于零。3個(gè)導(dǎo)流片使得原方形管多劃分出6個(gè)邊界層區(qū)域，使整個(gè)流體有效截面變小，其流速增加。為了使出口處的懸浮液充分分布到壁面上，4根出口管放置到不同的高度上，每2根管之間的距離相等，4根管出口處到頂部的距離分別為278 mm,422 mm,566 mm,710 mm。采用可變截面掃描創(chuàng)建光滑的矩形管道，矩形管彎曲半徑為70 mm，4個(gè)相同出口的長和寬分別為30 mm和19 mm。

2.3 優(yōu)化方案3

方案3的裝置總長為725 mm，仍采用圓形截面管?？紤]到等截面圓管在入口與大直徑管相接時(shí)容易發(fā)生渦流等局部損失[5]，設(shè)計(jì)時(shí)采用4根非等截面圓管與入口管相接，這樣就使流體順利從入口進(jìn)入4根圓管，其能量損失最小，流動(dòng)更加穩(wěn)定，保證4根出口管的流量相等，流速相等。從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上考慮，上部為等直徑大圓管，其底部與4根非等截面小圓管相接。采用可變截面掃描構(gòu)建光滑的曲面圓管，其中非等截面圓管的最大內(nèi)徑為32 mm，位于相接處，相接處距離頂部160 mm，最小內(nèi)徑為24 mm，位于彎管處，彎管的內(nèi)徑均為24 mm，彎管的彎曲半徑約為60 mm。4根圓形出口管布置時(shí)其高度均勻分布，每2根出口管之間的距離相等，4根管出口處到頂部的距離分別為280 mm,424 mm,568 mm,712 mm，第1根管的布置需要靠近轉(zhuǎn)鼓頂部，充分利用轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁空間，增大離心機(jī)的生產(chǎn)率。第4根管布置于高出錐形轉(zhuǎn)鼓5 cm的位置。本方案進(jìn)料管的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3(c)所示。

3 3種方案的流體模擬分析

為了便于分析和比較3種方案的效果，基于ANSYS軟件進(jìn)行流體模擬。

方案1因?yàn)閹缀文Ｐ褪欠且?guī)則模型，采用四面體網(wǎng)格劃分方法，對該模型進(jìn)行Fluent流體分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)、圖4(b)可以看出，懸浮液的體積分?jǐn)?shù)在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)始終保持為1。在流出進(jìn)料管后，由于管外是空氣，懸浮液和空氣混合后，其懸浮液的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，在與空氣接觸的部分達(dá)到最小，但是，其速度截面處中心位置的體積分?jǐn)?shù)最大。由圖4(c)可以看出，懸浮液在流經(jīng)進(jìn)料管時(shí)由于重力和管道內(nèi)徑約束其速度不斷增大，在經(jīng)過第二塊導(dǎo)流片時(shí)速度達(dá)到最大約為7.131 m/s，可見該管能量損失主要發(fā)生于第二塊導(dǎo)流片。當(dāng)懸浮液從出口1流出進(jìn)料管時(shí)，在重力場的作用下流體的速度方向朝下方傾斜，在壁面處其流體體積分?jǐn)?shù)>0.3的垂直長度約占壁面高度的60%。

圖4 方案1的流體模擬分析結(jié)果

方案2的模擬結(jié)果如圖5所示，由圖5(a)-圖5(d)可以看出，管中水的體積分?jǐn)?shù)規(guī)律同方案1中無異，在管中流體的體積分?jǐn)?shù)保持為1，流出管后，其體積分?jǐn)?shù)開始減小，但速度截面處中心位置體積分?jǐn)?shù)最大。在壁面處流體體積分?jǐn)?shù)>0.3的垂直長度約占壁面高度的65%。由圖5(e)的水速度流線圖可以看出，最大速度發(fā)生在流體流出進(jìn)料管后，在重力場的作用下速度逐漸增大并達(dá)到最大，之后因接觸壁面速度降低，最大速度為6.379 m/s。在進(jìn)料管中流體速度最大約為6 m/s，最大速度發(fā)生在第4根管，所以在此處能量損失最大。

圖5 方案2的流體模擬分析結(jié)果

方案3的模擬結(jié)果如圖6所示，由圖6(a)-圖6(c)可以看出，在壁面處流體體積分?jǐn)?shù)>0.3的垂直長度約占壁面高度的60%。由圖6(d) 的水速度流線圖可以看出，進(jìn)料管中最大流速發(fā)生在第3和第4根管的彎管處，造成這樣的原因是2根管距離入口過遠(yuǎn)，流體在重力場的作用下不斷加速，在彎管處速度繼續(xù)增加直至最大，最大流速約為5.2 m/s，在這兩處能量損失最大。當(dāng)流體流出彎管后雖然速度繼續(xù)增大，但已經(jīng)不在管內(nèi)流動(dòng)不會(huì)造成阻力損失。因此，流體在管內(nèi)的流動(dòng)會(huì)有沿程阻力損失和局部阻力損失。當(dāng)流體經(jīng)過管道后會(huì)因?yàn)檫@兩種損失使進(jìn)口壓力增加，這會(huì)對料漿泵的運(yùn)行造成一定程度上的影響。為了保護(hù)料漿泵和進(jìn)料過程的穩(wěn)定性，減少不穩(wěn)定因素，保障離心機(jī)的安全運(yùn)行和生產(chǎn)，需要從結(jié)構(gòu)入手，最大限度去除局部能量損失，盡可能減少沿程損失。

圖6 方案3的流體模擬分析結(jié)果

4 最優(yōu)方案比選

3種優(yōu)化方案共同運(yùn)用FLUENT模擬了新型號(hào)進(jìn)料管中懸浮液的流場，并利用CFD軟件進(jìn)行水體積分?jǐn)?shù)云圖和水速度流線圖的導(dǎo)出，同時(shí)，為了盡可能使模擬結(jié)果接近實(shí)際流動(dòng)情況，在進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，由于是穩(wěn)態(tài)計(jì)算所以把迭代次數(shù)調(diào)到1 000～2 000，這樣最終的圖形接近水平線也就是近乎收斂，保證最終達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。因此這多次模擬實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果完全是可信的，最終的對比和得出的結(jié)論完全是合理的。在分析模擬結(jié)果時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)方案2進(jìn)料管從出口流速、最大流速等方面都有較好的表現(xiàn)。因?yàn)榫匦喂艿赖奶匦裕黧w在矩形管道中低速流動(dòng)幾乎不會(huì)發(fā)生二次環(huán)流，所以方案2管道在能量損失方面也有較好的表現(xiàn)，如果忽略結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，方案2管道無疑是3根進(jìn)料管中最優(yōu)的那一個(gè)。當(dāng)考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，方案1和方案3因制造的方便性可以認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)適用的。3種方案和傳統(tǒng)原方案的比較如表1所示。

表1 4種進(jìn)料管的比較

方案1中進(jìn)料管比傳統(tǒng)方案中進(jìn)料管的性能高出10%左右，并且最大能量損失低于原進(jìn)料管，對料漿泵起到一定的保護(hù)功能，也不會(huì)發(fā)生物料堵塞等狀況。方案3中進(jìn)料管比傳統(tǒng)方案中進(jìn)料管也要高出10%。進(jìn)料管中最大流速低于原方案的進(jìn)料管，雖然能量損失發(fā)生在2根管內(nèi)，但因流速較低，能量損失相對不大，起到一定保護(hù)料漿泵的作用，此外，相比起方案1，其懸浮液速度分布更好，整體上進(jìn)一步提高了離心機(jī)的生產(chǎn)效率。方案2中進(jìn)料管通過方管改造，在進(jìn)口處等面積劃分流域，使得流進(jìn)4根子管的流量均等，速度分布更好，效率更高，可以提高15%左右的進(jìn)料性能，并且因?yàn)槠渚匦喂鼙旧硖匦圆粫?huì)發(fā)生物料堵塞等問題，但是其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對制造生產(chǎn)造成了諸多困難。因此，此種進(jìn)料管的制造成本最高。綜上所述，從性能和制造成本來看，方案3的進(jìn)料管相對最好。

5 結(jié)語

為了減少平板上懸式刮刀卸料離心機(jī)進(jìn)料管中懸浮液流動(dòng)造成的能量損失，提高離心機(jī)的生產(chǎn)效率，文中從進(jìn)料管結(jié)構(gòu)改進(jìn)出發(fā)，對其進(jìn)行了研究。因成本及其他因素，目前還不具備實(shí)驗(yàn)條件，本文主要以仿真研究為主。主要通過模擬、分析、對比，提出了3種優(yōu)化方案，即將傳統(tǒng)方案中的3根圓形出口管變成4個(gè)矩形出口，或者利用4個(gè)相同矩形截面的狹長管道來劃分流域，或者采用四根非等截面圓管與入口管相接?；贏NSYS的Fluent和CFD軟件進(jìn)行流體模擬分析，結(jié)果表明，3種優(yōu)化方案都能明顯提高進(jìn)料管的進(jìn)料性能，能有效減少能量損失。從性價(jià)比來看，采用4根非等截面圓管的方案3相對最好。此外，3種優(yōu)化方案設(shè)計(jì)都保持進(jìn)料管在原有空間位置，不會(huì)對其他零部件產(chǎn)生干涉等影響。另外本文針對進(jìn)料管內(nèi)懸浮液的流場進(jìn)行了模擬，但都是在轉(zhuǎn)鼓不運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下進(jìn)行的，如果需要進(jìn)一步研究，則離心力場必須要考慮在內(nèi)，也就是轉(zhuǎn)鼓在主軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)形成離心力場，進(jìn)行模擬后可以得到固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的分布狀況。雖然本文的流場模擬沒有模擬出離心力場，但是從重力場中流體的流動(dòng)狀態(tài)上即可初步判定進(jìn)料管的好壞。因此本文所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究是十分有意義的。