多正交旋涡耦合流场及其颗粒分级行为/机理的研究

The horizontal multi-wheel air classifier is expected to be an important equipment in powder processing due to the more higher requirement on particle fineness and ultrafine powder yield. However, there is currently a lack of study on its flow field characterization, particle motion behavior and mechanism from an overall angle. Actually, the gas flow field in the classifier can be treated as the interaction of orthogonal multi-vortex in a confined space. In this study, the gas flow in the classifier is to be researched firstly using the unsteady numerical simulation, pressure fluctuation analysis and three-dimensional velocity measurement which helps to reveal the gas distribution characteristic, spatial-temporal evolution rule and coupling mechanism of the orthogonal multi-vortex. Then based on the experimental particle concentration field, particle size distribution and particle micro-morphology at different positions, the regulations of particles’ movement, surface wear and breakage can be obtained employing the Monte Carlo simulation and Weibull statistical analysis. The representative particles’ movement spectrum will be mapped. So the quantitative analysis method is applied to evaluate the particle motion process and discover the microscopic particle classification mechanism. And then effects of the operational parameters on the particle classification performance will be investigated by the powder classification experiments. At last, the particle dynamics model for the orthogonal multi-vortex can be established, and the particle classification mechanism of the horizontal multi-wheel air classifier is revealed after analyzing the gas and particle flow regulation. The above results will provide some fundamental information for the classifier design and enriching the vortex theory.

粉体加工呈超细化、大规模化的趋势下，卧式多转笼分级机有望成为重要的干法颗粒分级设备，而目前国内外缺乏从整机角度对其流场特性、颗粒分级行为及机理的深入研究。本项目基于对分级流场构成的认识—密闭空间内多正交旋涡的相互作用，首先对分级机内气相流动进行瞬态数值模拟、压力脉动分析和三维速度测量，掌握多正交旋涡耦合流场的分布特征、时空演化规律及耦合机制；其次实验分析颗粒的浓度场、粒径分布及其表面微观形貌，辅以Monte Carlo模拟和Weibull统计分析，明确不同粒径颗粒的运移、磨损和破碎规律，绘制典型粒径颗粒的运动图谱，实现对颗粒微观运动过程的定量化分析；然后依据粉料分级实验，研究操作参数对不同粒径颗粒分级规律的影响；最终基于气相流场特征和颗粒分级行为，建立多正交旋涡场的颗粒动力学模型，全面揭示卧式多转笼分级机的颗粒分级机理。研究结果不仅为设备的优化设计提供依据，也可丰富旋涡运动基础理论。

微粉是电子、矿物、食品、医药、化工等行业的重要基础材料，高端微粉一般对粒度分布有严格要求，此时需要利用分级（分选）技术对粉末进行粒度调控。在粉体加工呈超细化、大规模化的趋势下，卧式多转笼分级机有望成为重要的干法颗粒分级设备。而目前国内外缺乏从整机角度对其流场特性、颗粒分级行为及机理的深入研究，制约了卧式多转笼分级机的性能提升和推广应用。.以三转笼涡流空气分级机为研究对象，综合利用数值模拟、实验测量和理论分析对气相流场、颗粒相运行进行了研究，剖析了入口气速、转笼速度等操作参数对气固流动的影响规律。为了更直观定量地分析旋涡运动，引入Q判据对分级机内部气流运动及涡结构进行了识别，利用热力学第二定律熵产理论对各不可逆因素引起的熵产进行了分析，并基于涡形成及分布特点和熵产分析方法，获得了分级机关键部件-转笼叶片和导流锥的结构优化方案。总结归纳上述研究发现，三个转笼的切向速度和涡结构分布相似，均呈现准兰金涡结构且具有良好的中心对称性，即对称分布的转笼诱导的离心力场基本独立，从流场角度保障了大处理量的颗粒分选过程。但分级室下方的旋涡运动过程十分复杂，出现分散涡-涡合并-涡分裂等现象，同时伴有中心涡核摆动。同时发现，湍流熵产可作为分级机流场优劣的监测指标，适当降低转笼区的湍流熵产可提高分级精度，也验证了数值模拟方法用于预测三转笼涡流空气分级机切割粒径的可行性。.基于对分级机全局流场的分析认识，通过对转笼叶片流道内流体微元受力分析，建立了转笼叶片通道内气流速度的分布方程，并进一步结合实验结果构建了操作参数、结构参数和颗粒物性等多参数修正下的球形颗粒切割粒径模型。综合考虑全局气流速度分布、流动死区、次级旋涡、颗粒粒径等因素，利用分区域分析的方法开展了颗粒分级机理剖析。在分级机三个典型区域内，垂直旋涡主要用于颗粒分散，水平旋涡阻止粗颗粒逃逸，中心下行低速区对粗组份输运起主导作用。涡核摆动、次级旋涡、颗粒聚团、颗粒环等因素引起粗、细颗粒返混，加剧了粗中带细现象。.项目研究剖析了三转笼涡流空气分级机内的气固运动特性和颗粒分级机理，归纳了更接近实际的切割粒径预测模型，为涡流空气分级机的优化设计和操作运行提供了指导，相关研究结果还拓展了对密闭空间多旋涡运动的认识。