高压水射流粉碎固体物料的数值模拟及实验研究

论文摘要

目前,传统的超细粉碎技术存在能耗高,不能保持颗粒的原始结晶形状与表面光泽,难以得到高质量、高纯度的超细粉体等问题。高压水射流粉碎技术正是应这些要求而发展起来的一门新技术。本文在现有的高压水射流粉碎技术的基础上,参与设计制作了一种新型的复合式水力超细粉碎装置。该装置利用高压水流对待粉碎物料的冲击和水楔作用、以及物料与加速管道的摩擦剪切、与靶体之间的碰撞的冲击、与研磨介质的研磨冲击、在水体中的紊动、空化及研磨介质与滤板之间的摩擦剪切等作用,来实现物料的粉碎。该粉碎装置采用最大工作压力为17MPa的高压柱塞泵为动力源,实验配备了D60无缝钢管作为加速管,采用自吸式进料方式,并对实验装置做了可视优化改进。考虑物料的易取得性以及对高压水射流粉碎的适应性,本文选用煤作为实验粉碎物料,分别在12MPa、15MPa、17MPa工作压力下,以相同的进料速度,对物料进行了一系列一次粉碎实验研究,实验结果表明在相同进料速度下,工作压力越大物料一次总粉碎率越大,各等级粒径物料粉碎率也呈增大趋势,其中增大压力对提高二级（0.5mm-0.1mm）和三级（0.1mm～0.05mm）物料粉碎率作用明显,因此增大工作压力是提高一次粉碎率的重要技术途径。实验还针对同一工作压力下（实验选17MPa）不同进料速度对一次粉碎率的影响进行了系列实验,结果表明各级物料粉碎率受进料速度的影响均较明显,总体表现为进料速度越慢总粉碎率越高,各级物料粉碎率也相应提高,其中一级和三级物料粉碎率受进料速度的影响最为显著,增大幅度较大。利用FLUENT软件对复合式水力超细粉碎装置内喷嘴至冲击靶体处水气固三相流的流动进行了数值模拟。主要采用有限体积法辅以RNGk-ε湍流模型离散求解,引入水气两相流VOF模型,固体粒子（煤粒）与水的耦合采用离散相模型。根据模拟结果分析了箱体内的各项水力特性（流速、压力）、以及粒子的分布等特点。数值模拟中发现D40加速管内固体粒子的集束性较好,靶体处冲击点压力更大。因此,对加速管管径进行合理优化可以提高粉碎率。通过对12MPa、15MPa、17MPa工作压力下的数值模拟,发现在工作压力增大的情况下,靶体处的冲击压力也随之增大,可用于完成冲击粉碎的作用压力也增大,即物料粉碎率越高。通过对实验粉碎率的结果与数值模拟结果对比分析研究可知,两者基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 固体物料的粉碎
• 1.1.1 固体物料粉碎的目的
• 1.1.2 传统固体物料的粉碎方式
• 1.1.3 新型高压水射流粉碎方式
• 1.2 高压水射流粉碎技术在环境及其他领域的应用
• 1.3 高压水射流粉碎技术的介绍
• 1.3.1 高压水射流技术的发展情况
• 1.3.2 高压水射流粉碎技术的特点
• 1.4 高压水射流粉碎技术的国内外发展情况
• 1.5 高压水射流粉碎技术的发展前景
• 1.6 计算流体动力学在射流领域的研究进展
• 1.7 论文的主要工作及研究意义
• 2 复合式水力超细粉碎装置的研究
• 2.1 国内外水射流粉碎装置介绍
• 2.2 复合式水力超细粉碎装置的独创性
• 2.3 超细粉碎装置粉碎机理的探讨
• 2.3.1 水射流对颗粒的冲击和水楔作用粉碎机理
• 2.3.2 颗粒与管道内壁的磨擦剪切作用的粉碎机理
• 2.3.3 颗粒与靶物之间的冲击粉碎机理
• 2.3.4 勺形箱内研磨介质的粉碎机理
• 2.3.5 紊流—空化冲蚀粉碎机理
• 2.4 超细粉碎装置的制作
• 2.4.1 动力装置
• 2.4.2 粉碎装置
• 2.4.3 分选装置
• 2.4.4 其他装置
• 2.5 实验物料的选择
• 2.5.1 高压水射流粉碎物料的选择
• 2.5.2 高压水射流粉碎煤粒的机理分析
• 2.6 本章小结
• 3 射流模拟的基本理论及计算方法概述
• 3.1 计算流体动力学概述
• 3.2 数值模拟的控制方程
• 3.3 控制方程的数值离散方法
• 3.3.1 离散化的目的
• 3.3.2 常用的离散方法
• 3.4 流场数值计算方法
• 3.4.1 SIMPLE算法
• 3.4.2 SIMPLER、SIMPLEC和PISO算法及比较
• 3.5 数值模拟的模型选择
• 3.5.1 流体体积模型（VOF）
• 3.5.2 混合物模型（Mixture）
• 3.5.3 欧拉模型（Eulerian）
• 3.6 边界条件和网格的生成
• 3.6.1 边界条件
• 3.6.2 网格的生成
• 3.7 应用的商业软件
• 3.8 本章小结
• 4 复合式水力粉碎装置实验研究
• 4.1 实验物料的烘干与称重
• 4.2 复合式水力粉碎装置不同进料速度实验研究
• 4.3 复合式水力粉碎装置一次粉碎实验研究
• 4.3.1 实验装置的修改设计
• 4.3.2 设备工作状态
• 4.3.3 不同压力下射流粉碎的实验分析
• 4.4 本章小结
• 5 复合式水力粉碎装置的三维数值模拟
• 5.1 计算区域三维模型的建立
• 5.2 网格的划分
• 5.3 紊流模型和离散相模型
• 5.3.1 紊流模型
• 5.3.2 离散相模型
• 5.4 边界条件及算法
• 5.5 计算结果与分析
• 5.5.1 流场模拟结果概述
• 5.5.2 不同压力进口条件下计算成果的比较分析
• 5.5.2.1 流速的对比分析
• 5.5.2.2 靶体处压强分布的对比分析
• 5.5.3 不同加速管管径计算成果的比较分析
• 5.6 本章小结
• 6 全文总结与研究展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 附录