CN112560281A - 基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法 - Google Patents

基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，包括：分区域建立气流分级机的几何模型；对气体流动过程采用三维稳态湍流模型进行模拟，建立数学模型，采用的控制方程包括：连续性方程、Navier‑Stokes方程和标准k‑ε模型；对气流分级机几何模型采用非结构性网格进行网格划分得到对应的气流分级机的网格文件；通过仿真计算进行两相流动模拟，得到一系列不同转速下气流分级机粗粉产品出口颗粒的粒度分布情况；获取的不同转速和风量下收集粗粉的粒度分布，并对比找出最佳运行参数，用于实际生产过程控制。

Description

基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法
技术领域
本发明涉及电工级氧化镁粉分离，尤其是涉及基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法。
背景技术
纵观镁化工的上下游产业，电工级氧化镁一直被誉为镁化工行业的明珠，也是镁化工行业的市场制高点。电工级氧化镁具有绝佳的电绝缘性、耐高温性和热传导性，是典型的科技含量高、附加值高的氧化镁产品，它是电加热(管状)元器件的生产中必不可少的绝缘填充材料，广泛用于核能、航空航天、家电等领域，具有极其重要的战略价值和市场空间。
电工级氧化镁粉是由菱镁矿石电熔成电熔镁砂，经破碎、振动筛筛分，再利用气流分级机的气流分离，将电工级氧化镁粉料进一步分离处理，得到符合粒度分布要求的电工级氧化镁粉。在制备过程中电工级氧化镁的主要形态为粉体颗粒，其目数分布是由用户所需密度及流速和制电热管大小而决定的。目数太大，其颗粒度小，单位重量上之表面积较大，容易吸潮；目数过小，其颗粒越大，压延后会损伤发热丝而影响电热管寿命。
目前，我国电工级氧化镁粉的加工设备陈旧、自动化程度低，导致产品质量波动大，产品一致性差。作为电工级氧化镁生产过程的关键工序，工人只凭经验调整气流分级机的参数，没有足够的理论依据支撑。因此，有必要提出一种优化气流分级机分离电工级氧化镁粉的方法，对实际生产提供理论支撑，使得电工级氧化镁粉的产品质量有所保证，从而提高成品率。
发明内容
为进一步提高电工级氧化镁粉的产品质量和一致性，本发明要解决的技术难点是找到一种优化气流分离电工级氧化镁粉的方法,对实际生产提供理论支撑，使得电工级氧化镁粉的产品质量有所保证，从而提高成品率。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，包括以下步骤：
步骤一、分区域建立气流分级机的几何模型，使得所建立的模型与生产电工级氧化镁粉的分级机设备尺寸一致；
步骤二、分级机内部为气－固两相流，气流作为连续相，对其流动过程采用三维稳态湍流模型进行模拟，并建立数学模型，采用的控制方程包括：连续性方程、Navier-Stokes方程和标准k-ε模型；
步骤三、对气流分级机几何模型采用非结构性网格进行网格划分，所建立模型需要对分级叶轮附近的网格划分进行细密处理，对于进料管、气流出口区域的网格划分采用较为疏松的处理方式，最后得到对应的气流分级机的网格文件；
步骤四、设置电工级氧化镁粉的物料性质、模拟计算的求解条件和边界条件，通过Fluent软件进行两相流动模拟，获得颗粒在气流分级机内部的运动情况，同时得到一系列不同转速下气流分级机粗粉产品出口颗粒的粒度分布情况；
步骤五、获取的不同转速和风量下收集粗粉的粒度分布，与实际生产过程中符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布标准参数进行对比，找出对应的气流分级机的最佳运行参数，用于实际生产过程控制。
是将建模区域分两个部分：分级叶轮、分级机本体外壳分别建模。
所述网格划分是利用ICEM前处理软件实现的。
所述步骤三中的网格划分需要满足以下控制方程约束：连续性方程、Navier-Stokes方程和标准k-ε模型。
所述的步骤三中对气流分级机几何模型进行网格划分后，需要进行网格独立性验证，具体方法为：利用计算流体力学软件Fluent对模型中待划分区域进行网格加密处理，比对不同网格数量的计算结果的偏差，当观测参数发生变化小于5％，则认为该模型与网格无关，选择符合网格无关性要求的最小网格数量进行后续模拟计算。
所述通过仿真计算是通过将得到的气流分级机网格文件导入计算流体力学软件Fluent进行两相流动模拟实现的。
所述获取的不同转速和风量下收集粗粉的粒度分布为通过流体可视化后处理软件Tecplot实现的。
所述实际生产过程中符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布标准参数为预先已知的。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.利用Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，能从理论上分析气流分级机转速与风量对电工级氧化镁粉的分离效果，得到较好的产品粒度分布；
2.该方法能够指导电工级氧化镁粉的实际生产，提高成品率，保证产品质量。
附图说明
图1为气流分级机示意图；
图2为基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1～2所示，基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，包括以下步骤：
步骤一、建立气流分级机的几何模型，为计算方便，所述气流分级机几何模型进行简化处理，建模区域分两个部分，一部分为分级叶轮，一部分为分级机本体外壳。所建立的模型与生产电工级氧化镁粉的分级机设备尺寸一致。
步骤二、数学模型建立：分级机内部为气－固两相流，气流作为连续相，其流动过程采用三维稳态湍流模型进行模拟，控制方程主要包括：连续性方程、Navier-Stokes方程和标准k-ε模型。
连续性方程：
Figure BDA0002854699830000041
其中，ρ是密度，t是时间，u、v、w是速度矢量u在x、y和z方向的分量。
Navier-Stokes方程：
Figure BDA0002854699830000042
Figure BDA0002854699830000043
Figure BDA0002854699830000044
Su、Sv和Sw是单位体积流体受的外力，p是压力，常数μ是动力粘度。
标准k-ε模型：
Figure BDA0002854699830000045
Figure BDA0002854699830000046
其中t是时间，ρ是密度，ui是速度，k是湍动能，ε是耗散率，Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项，μt是湍流动力粘度，μ是层流动力粘度，Ym代表可压湍流中脉动扩张，C1ε、C2ε、σk和σε分别是经验常数。
模拟时忽略颗粒－颗粒之间的相互作用，忽略颗粒体积分数对作为连续相主体的气流流动产生的影响。模拟时考虑气体曳力、浮力、重力对颗粒运动产生的影响。
步骤三、利用ICEM前处理软件，对步骤一中的气流分级机几何模型采用非结构性网格进行网格划分，所建立模型需要对分级叶轮附近的网格划分进行细密处理，对于进料管、气流出口等区域的网格划分可以较为疏松，最后得到对应的气流分级机的网格文件。
步骤四、将步骤三得到的气流分级机网格文件导入计算流体力学软件Fluent进行两相流动模拟，同时设置电工级氧化镁粉的物料性质，模拟计算的求解条件和边界条件，当各个变量残差达到10-5即认为达到收敛，设计时间步长为10-2s，然后开始仿真计算，得到一系列不同转速下气流分级机粗粉(即电工级氧化镁合格产品)出口颗粒的粒度分布情况。所述物料性质为电工级氧化镁的密度、分离前电工级氧化镁粉各种粒径下颗粒所占百分比；所述求解条件为速度－压力耦合采用PISO算法，其他物理量采用二阶迎风格式。所述边界条件为分级机的进料管口和上端气流出口采用速度入口边界条件，下部出料口为标准压力出口，出口压力为常压。壁面为完全弹性壁面；所述粗粉产品出口颗粒的粒度分布情况为粗粉产品出口各种粒径的百分含量分布。
步骤五、将步骤四中得到的数据文件应用流体可视化后处理软件Tecplot获取不同转速和风量下收集粗粉(即电工级氧化镁合格产品)的粒度分布，同时与实际生产过程中符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布(40-325目)进行对比，找出气流分级机的最佳运行参数。模拟结果表明，当分级机转速在1050r/min左右时，风流量为4030m3/h左右，能获得符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布(40-325目)。转速较大，会使得比325目大的颗粒被细粉收集，成品粒度范围不合格；转速较小，则会使比40目大的颗粒进入粗粉中，同样会导致产品不合格。该方法可以指导电工级氧化镁粉的实际生产，提高电工级氧化镁粉的成品率，减少物料损失。运行参数为转速和风量。
进一步的，所述的步骤三中，对气流分级机几何模型进行网格划分后，进行网格独立性验证，具体方法为：利用计算流体力学软件Fluent对模型中分级叶轮附近的网格划分进行细密处理，比对不同网格数量的计算结果的偏差，当观测参数发生变化小于5％，则认为该模型与网格无关，选择符合网格无关性要求的最小网格数量进行后续模拟计算。所述计算结果为粗粉(即电工级氧化镁合格产品)的粒度分布结果。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、分区域建立气流分级机的几何模型，使得所建立的模型与生产电工级氧化镁粉的分级机设备尺寸一致；
步骤二、分级机内部为气－固两相流，气流作为连续相，对其流动过程采用三维稳态湍流模型进行模拟，并建立数学模型，采用的控制方程包括：连续性方程、Navier-Stokes方程和标准k-ε模型；
步骤三、对气流分级机几何模型采用非结构性网格进行网格划分，所建立模型需要对分级叶轮附近的网格划分进行细密处理，对于进料管、气流出口区域的网格划分采用较为疏松的处理方式，最后得到对应的气流分级机的网格文件；
步骤四、设置电工级氧化镁粉的物料性质、模拟计算的求解条件和边界条件，通过Fluent软件进行两相流动模拟，获得颗粒在气流分级机内部的运动情况，同时得到一系列不同转速下气流分级机粗粉产品出口颗粒的粒度分布情况；
步骤五、获取的不同转速和风量下收集粗粉的粒度分布，与实际生产过程中符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布标准参数进行对比，找出对应的气流分级机的最佳运行参数，用于实际生产过程控制。
2.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，是将建模区域分两个部分：分级叶轮、分级机本体外壳分别建模。
3.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述网格划分是利用ICEM前处理软件实现的。
4.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述步骤三中的网格划分需要满足以下控制方程约束：连续性方程、Navier-Stokes方程和标准k-ε模型。
5.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述的步骤三中对气流分级机几何模型进行网格划分后，需要进行网格独立性验证，具体方法为：利用计算流体力学软件Fluent对模型中待划分区域进行网格加密处理，比对不同网格数量的计算结果的偏差，当观测参数发生变化小于5％，则认为该模型与网格无关，选择符合网格无关性要求的最小网格数量进行后续模拟计算。
6.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述通过仿真计算是通过将得到的气流分级机网格文件导入计算流体力学软件Fluent进行两相流动模拟实现的。
7.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述获取的不同转速和风量下收集粗粉的粒度分布为通过流体可视化后处理软件Tecplot实现的。
8.根据权利要求1所述的基于Fluent优化气流分离电工级氧化镁粉的方法，其特征在于，所述实际生产过程中符合电工级氧化镁粉产品要求的粒度分布标准参数为预先已知的。
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