焦油渣切割泵内部流场的数值模拟

摘要

切割粉碎是许多行业产品生产中不可缺少的一种工艺过程,随着工农业的发展及社会的进步,工业生产中对物料的粉碎、细化的要求越来越高。传统切割粉碎技术粉碎的颗粒直径分布范围大,均匀性差,且传统切割粉碎设备能耗大,生产成本高,已经不能满足工业生产的需要。焦油渣切割泵采用一种新的粉碎理念,粉碎效率高、操作成本低、制备的产品粒度均匀,具有广阔的应用前景。
　　 目前我国对切割粉碎技术的研究才刚刚起步,与国外相比仍有较大的差距,需要进一步研究以缩小与国外设备的差距,提高我国切割粉碎技术的竞争力。因此,本文以马鞍山钢铁厂焦油渣切割泵为研究对象,借助CFD方法对焦油切割泵的内部流场进行数值研究,为以后此技术的进一步研究与发展提供参考依据。
　　 本文采用CFD数值模拟方法,对焦油渣切割泵的清水流场、固液两相流场及非定常流场进行了数值模拟。本文主要工作及研究结果有:
　　 (1)分析了焦油渣切割泵的工作原理,焦油渣切割泵改变了传统物料在粉碎过程中处于自由状态被撞击、切割粉碎的粉碎方式,通过转子旋转产生的离心力将物料推向切割齿边缘,瞬时受到强剪切力作用,从而使物料被切割粉碎。
　　 (2)通过数值模拟方法对切割泵进行清水流场在不同工况下的数值模拟,通过网格无关性验证得到网格数为125万时计算结果与试验数据最接近,并作为两相流和非定常数值计算的网格。对焦油渣切割泵进行了性能预测,与试验所得性能曲线进行对比。结果表明,在额定流量下,扬程相对误差为3.14%,效率相对误差为-4.56%。
　　 (3)对焦油切割泵内固液两相流场进行数值分析,分析了不同的流量、转速、颗粒大小及颗粒浓度对切割泵内流线及固体颗粒分布的影响。研究结果表明:小流量时,进口区域涡流严重,但流量对固相浓度分布影响不大;固体颗粒大小和浓度越大,转子工作面圆相浓度越高,对转子表面的磨损与冲蚀越严重;增大转速可以提高粉碎效率,但是对设备的要求也高,需要合理选择。
　　 (4)通过对三组具有不同定子槽倾斜角的切割泵模型进行固液两相流场的数值模拟,结果表明较小的定子槽倾斜角度更有利于切割泵的切割粉碎效果。
　　 (5)在焦油渣切割泵清水流场模拟的基础上,采用非定常数值模拟对切割泵进行非定常计算。通过对不同流量时非定常压力脉动的分析得出,压力脉动波形具有明显的周期性,瞬时扬程也发生周期性变化;压力脉动主要是由旋转的转子与静止的定子间的动静干扰作用引起的,主频为24.5Hz,且随着流量增大,主频幅值增大。