基于ANSYS的刮刀卸料离心机进料管优化设计

陈相，路朗，王明强1,，申燚，袁明新

(1. 江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江 212003； 2. 江苏科技大学 张家港校区，江苏 张家港 215600； 3. 江苏省张家港中等专业学校，江苏 张家港 215600)

0 引言

上悬式刮刀卸料离心机是一种全自动控制的离心机,它利用强大的离心力将进入转鼓内的悬浮液进行固液分离，分离液通过过滤介质经机壳收集从机器下部排除，固相颗粒则在滤网的阻隔下留在转鼓内，并借助于卸料装置排出机外。由于上悬离心机的转鼓位于主轴下端，轴的支承点远远高于转鼓质心，且采用挠性轴及弹性支承，这就使得机器在运转时转鼓能自动对中，从而减少了由于加料不均匀而引起的机器振动。上悬式离心机因其运转平稳、卸料方便而被广泛应用于食品、医药、化工等领域。该类型离心机的分离效率在很大程度上取决于进料系统，合理的结构设计有助于减少悬浮液在进料管中的涡轮和二次环流等能量损耗。因此,何丽芳[1]针对进料过程中的不稳定进料容易造成转鼓内物料分布不均问题，通过加装布料盘来解决。曹新峰[2]设计了套管式进料管线，通过料浆泵直接进料方式稳定了离心机的电流，增强离心机脱水能力。上述改进虽然提高了离心机的分离效率，但主要通过增加外置设备或改进进料方式实现，未能从进料管本身出发，结合悬浮液流动特性进行改进，耗时且成本高。为此，文中基于有限元技术，通过悬浮液流场的模拟分析和对比来进行进料管设计，进而提高离心机的工作效率。

1 离心机进料管内悬浮液的流动模拟

1.1 离心机进料管概况

上悬式平板刮刀卸料离心机是在传统上悬式离心机基础之上，根据实际生产需要而设计出来的新型离心机，其中进料管普遍采用不锈钢材质制造，壁厚为3～5mm，完全可以满足使用的要求，四氟漆涂内表面，使进料管不易被物料冲刷和腐蚀。设计为2-3个圆形分管口的形式，且直径相同，流量、喷射强度等各项参数也大致相同。但在实际工业生产中，各种形式的悬浮液都会遇到，而且悬浮液内悬浮粒子的体积大小不一。上悬式离心机分离的悬浮液为固液相，固相为固体颗粒，粒径在1μm以上，可假定为球型，固体颗粒体积分数为0.3～0.5，因布朗运动而悬浮于液体中，液体为水，密度为1 000kg/m3。目前因进料管缺陷，离心机在运行时经常出现振动、噪声和轻载运行，致使安全隐患频现且生产效率下降[3-4]。因此对进料管进行优化设计具有现实的工程意义。

1.2 进料管优化模型

传统的离心机进料管上部圆管为进口，内径80mm，下部3根直径相对较小的弯管为出料口，内径约26mm，进料管竖直安装固定于离心机上盖，并通过螺栓固定。离心机工作时，悬浮液是从料浆池中通过料浆泵泵入到进料管中，由于管道的形状会造成悬浮液的能量损失，因此可以通过模拟悬浮液的流动状态，找到提高离心机生产效率的因素，进而优化管道。应用Pro/E软件对传统的进料管进行三维建模并导入DM软件，如图1(a)、图1(b)所示，然后再对其进行网格划分，从而生成如图1(c)所示的包含节点和单元的有限元模型。

图1 进料管三维模型及网格划分

离心机进料管中悬浮液的流动选择欧拉模型，在完成网格划分后，开始Fluent的流体分析，并利用CFD和Fluent自动关联数据，完成了悬浮液在进料管中的模拟，如图2所示。分析可知，固体颗粒的体积分数分布决定了离心机转鼓内壁上滤饼的厚度。如果料位计监测处的滤饼厚度过大，会提前结束进料，导致离心机的生产能力下降，如果料位计监测处的滤饼厚度过小，则会延迟结束进料，致使离心机过载运转，产生振动噪声和安全隐患。因此进料管应从固体颗粒体积分布和最大速度入手，在考虑结构设计工艺成本的同时，设计出最优进料管，使得进料管中悬浮液的流速较小并且固体颗粒的体积分数分布较广。由图2(a)、图2(b)可以看出，落在壁面上水的体积分数最大为0.3左右，位置在圆管出口中心轴线对应的壁面处，其集中的区域可以分为3块小圆面积，集中区域的高度约占整个壁面高度的50%。由图2(c)可以看出最大速度发生在由大直径圆管到小直径圆管的凸肩处和第一个圆管的弯管处，最大值为6.243 m/s。因为能量损失和速度的平方成正比，速度越大说明能量损失越大。

图2 各出口的水体积分数云图及悬浮液的流线图

2 离心机进料管的优化分析

由进料管中悬浮液流动的数值模拟可以看出，合理设计进料管应从固体颗粒体积分布和最大速度入手，通过合理的结构设计，使得进料管中悬浮液的流速变小、固体颗粒的体积分数分布更广。鉴于此，文中提出了3种优化方案。

2.1 优化方案1

方案1进料管的三维结构图如图3(a)所示，入口外径为80 mm，装置总长815 mm。3根出口管设计为2个矩形出口，长和宽分别为194 mm，25 mm,厚度为3 mm,矩形出口之间相距362 mm，采用拉伸办法把下半部分圆管切分成一半，出口底部弯管半径为80 mm。设计2个导流片来均匀分割流场，导流片的厚度5 mm，曲率半径27.5 mm。导流片加装在矩形出口的中间部位，使1个出口变成2个出口，加装2个导流片后整个进料管就变成4个矩形出口。这样能够在一定程度上保证流场分布均匀，流体能沿着导流片和壁面流出，出口速度均匀且落在壁面上的流体分布范围会更广。考虑到流体在出口处因为挤压而离开原来的路线，在重新设计时在中间竖直加装一块薄板，厚度3 mm，长度256 mm，宽度74 mm。薄板起到分割流场的作用，保证悬浮液从进口处就被竖直薄板分割成2块有效截面积相等的区域。

图3 3种方案的三维结构图

2.2 优化方案2

方案2进料管的三维结构图如图3(b)所示，装置总长为725 mm。充分考虑到流域划分在结构设计中的关键性，本方案将进料管的入口处设计为方形截面，边长为80 mm，距离入口160 mm处开始划分流域。主要使用4个相同矩形截面的狭长管道来划分流域，这4个非等截面出口管，其实等同于3个厚度为7.5 mm的导流片，把流场分割成4个区域，保证了每个区域流量相等。根据边界层理论，贴近壁面处的流体由于粘性作用速度趋近于零。3个导流片使得原方形管多划分出6个边界层区域，使整个流体有效截面变小，其流速增加。为了使出口处的悬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根管之间的距离相等，4根管出口处到顶部的距离分别为278 mm,422 mm,566 mm,710 mm。采用可变截面扫描创建光滑的矩形管道，矩形管弯曲半径为70 mm，4个相同出口的长和宽分别为30 mm和19 mm。

2.3 优化方案3

方案3的装置总长为725 mm，仍采用圆形截面管。考虑到等截面圆管在入口与大直径管相接时容易发生涡流等局部损失[5]，设计时采用4根非等截面圆管与入口管相接，这样就使流体顺利从入口进入4根圆管，其能量损失最小，流动更加稳定，保证4根出口管的流量相等，流速相等。从设计结构上考虑，上部为等直径大圆管，其底部与4根非等截面小圆管相接。采用可变截面扫描构建光滑的曲面圆管，其中非等截面圆管的最大内径为32 mm，位于相接处，相接处距离顶部160 mm，最小内径为24 mm，位于弯管处，弯管的内径均为24 mm，弯管的弯曲半径约为60 mm。4根圆形出口管布置时其高度均匀分布，每2根出口管之间的距离相等，4根管出口处到顶部的距离分别为280 mm,424 mm,568 mm,712 mm，第1根管的布置需要靠近转鼓顶部，充分利用转鼓内壁空间，增大离心机的生产率。第4根管布置于高出锥形转鼓5 cm的位置。本方案进料管的三维结构图如图3(c)所示。

3 3种方案的流体模拟分析

为了便于分析和比较3种方案的效果，基于ANSYS软件进行流体模拟。

方案1因为几何模型是非规则模型，采用四面体网格划分方法，对该模型进行Fluent流体分析，结果如图4所示。由图4(a)、图4(b)可以看出，悬浮液的体积分数在管内流动时始终保持为1。在流出进料管后，由于管外是空气，悬浮液和空气混合后，其悬浮液的体积分数逐渐减小，在与空气接触的部分达到最小，但是，其速度截面处中心位置的体积分数最大。由图4(c)可以看出，悬浮液在流经进料管时由于重力和管道内径约束其速度不断增大，在经过第二块导流片时速度达到最大约为7.131 m/s，可见该管能量损失主要发生于第二块导流片。当悬浮液从出口1流出进料管时，在重力场的作用下流体的速度方向朝下方倾斜，在壁面处其流体体积分数>0.3的垂直长度约占壁面高度的60%。

图4 方案1的流体模拟分析结果

方案2的模拟结果如图5所示，由图5(a)-图5(d)可以看出，管中水的体积分数规律同方案1中无异，在管中流体的体积分数保持为1，流出管后，其体积分数开始减小，但速度截面处中心位置体积分数最大。在壁面处流体体积分数>0.3的垂直长度约占壁面高度的65%。由图5(e)的水速度流线图可以看出，最大速度发生在流体流出进料管后，在重力场的作用下速度逐渐增大并达到最大，之后因接触壁面速度降低，最大速度为6.379 m/s。在进料管中流体速度最大约为6 m/s，最大速度发生在第4根管，所以在此处能量损失最大。

图5 方案2的流体模拟分析结果

方案3的模拟结果如图6所示，由图6(a)-图6(c)可以看出，在壁面处流体体积分数>0.3的垂直长度约占壁面高度的60%。由图6(d) 的水速度流线图可以看出，进料管中最大流速发生在第3和第4根管的弯管处，造成这样的原因是2根管距离入口过远，流体在重力场的作用下不断加速，在弯管处速度继续增加直至最大，最大流速约为5.2 m/s，在这两处能量损失最大。当流体流出弯管后虽然速度继续增大，但已经不在管内流动不会造成阻力损失。因此，流体在管内的流动会有沿程阻力损失和局部阻力损失。当流体经过管道后会因为这两种损失使进口压力增加，这会对料浆泵的运行造成一定程度上的影响。为了保护料浆泵和进料过程的稳定性，减少不稳定因素，保障离心机的安全运行和生产，需要从结构入手，最大限度去除局部能量损失，尽可能减少沿程损失。

图6 方案3的流体模拟分析结果

4 最优方案比选

3种优化方案共同运用FLUENT模拟了新型号进料管中悬浮液的流场，并利用CFD软件进行水体积分数云图和水速度流线图的导出，同时，为了尽可能使模拟结果接近实际流动情况，在进行迭代计算时，由于是稳态计算所以把迭代次数调到1 000～2 000，这样最终的图形接近水平线也就是近乎收敛，保证最终达到了稳定状态。因此这多次模拟实验的模拟结果完全是可信的，最终的对比和得出的结论完全是合理的。在分析模拟结果时，结果发现方案2进料管从出口流速、最大流速等方面都有较好的表现。因为矩形管道的特性，流体在矩形管道中低速流动几乎不会发生二次环流，所以方案2管道在能量损失方面也有较好的表现，如果忽略结构设计和制造的复杂性，方案2管道无疑是3根进料管中最优的那一个。当考虑到结构设计和制造的复杂性，方案1和方案3因制造的方便性可以认为是经济适用的。3种方案和传统原方案的比较如表1所示。

表1 4种进料管的比较

方案1中进料管比传统方案中进料管的性能高出10%左右，并且最大能量损失低于原进料管，对料浆泵起到一定的保护功能，也不会发生物料堵塞等状况。方案3中进料管比传统方案中进料管也要高出10%。进料管中最大流速低于原方案的进料管，虽然能量损失发生在2根管内，但因流速较低，能量损失相对不大，起到一定保护料浆泵的作用，此外，相比起方案1，其悬浮液速度分布更好，整体上进一步提高了离心机的生产效率。方案2中进料管通过方管改造，在进口处等面积划分流域，使得流进4根子管的流量均等，速度分布更好，效率更高，可以提高15%左右的进料性能，并且因为其矩形管本身特性不会发生物料堵塞等问题，但是其复杂的结构设计对制造生产造成了诸多困难。因此，此种进料管的制造成本最高。综上所述，从性能和制造成本来看，方案3的进料管相对最好。

5 结语

为了减少平板上悬式刮刀卸料离心机进料管中悬浮液流动造成的能量损失，提高离心机的生产效率，文中从进料管结构改进出发，对其进行了研究。因成本及其他因素，目前还不具备实验条件，本文主要以仿真研究为主。主要通过模拟、分析、对比，提出了3种优化方案，即将传统方案中的3根圆形出口管变成4个矩形出口，或者利用4个相同矩形截面的狭长管道来划分流域，或者采用四根非等截面圆管与入口管相接。基于ANSYS的Fluent和CFD软件进行流体模拟分析，结果表明，3种优化方案都能明显提高进料管的进料性能，能有效减少能量损失。从性价比来看，采用4根非等截面圆管的方案3相对最好。此外，3种优化方案设计都保持进料管在原有空间位置，不会对其他零部件产生干涉等影响。另外本文针对进料管内悬浮液的流场进行了模拟，但都是在转鼓不运转的状态下进行的，如果需要进一步研究，则离心力场必须要考虑在内，也就是转鼓在主轴的带动下旋转形成离心力场，进行模拟后可以得到固体颗粒的体积分数在转鼓内的分布状况。虽然本文的流场模拟没有模拟出离心力场，但是从重力场中流体的流动状态上即可初步判定进料管的好坏。因此本文所进行的实验研究是十分有意义的。