王伟生1，卢卫2，纪烈勇1，王勇明1
（1〃上海凯盛节能工程技术有限公司，上海200060；2〃上海宝山南方水泥有限公司，上海200941）
摘要：采用C FD 理论中的离散相模型（DPM 模型）和雷诺应力方程涡粘模型（RSM 模型）对立磨内复杂的气固两相流流场的分布特性进行数值模拟分析。分别从速度、温度、压强等两相流的流场讨论分析立磨磨腔内的气固相的相互耦合作用。研究表明，立磨磨腔流场是一个剧烈的三维旋转湍流流场，流场呈现出不对称性和强烈的湍流脉动性。通过对磨辊磨盘耦合区、选粉机中心回料锥筒处强烈的湍涡现象的模拟分析，为合理设计立磨壳体、喷嘴环、中心回料锥筒等结构，提供理论依据。
关键词：立磨；气固两相流；数值模拟分析；湍涡现象
中图分类号：TQ172〃6；TD453 文献标识码：A文章编号：1001-2354（2014）11-0068-05
自从20 世纪20 年代德国研制出世界上第1台立式磨机以来，它就以独特的粉磨原理克服了球磨机粉磨机理的许多缺陷。由于立磨采用料床粉磨原理粉磨物料，具有粉磨效率高、电耗低（比球磨机节电约30％左右）、烘干能力强、允许物料颗粒粒度大、粉磨工艺流程简单、土建费用低、低噪声和磨损、操作容易等优点，使世界各国的粉体技术人员对立磨进行研究［1］。 立磨是一种用途很广的粉磨兼烘干水泥设备，广泛应用于水泥生产线的水泥生料、熟料、煤粉、高炉水渣超细粉的粉磨，以及炭化钙、云母、新材料等粉磨领域。立磨是粉磨领域中的重要设备，其大型化和高效智能化是行业发展的主导方向。但目前国内对立磨的研究，主要集中在仿形阶段，很少对立磨的粉磨机理和选粉机理做深入研究。其中，对立磨内部流场的认识有助于更深刻地认识选粉机选粉机理，并进一步确定合适的磨机结构。
随着计算机技术的飞速发展和基于C F D的数值模拟技术的成熟，可以利用计算机技术对立磨的内部流场进行数值模拟。近年来，对立磨内部两相流流场的数值模拟才刚刚起步。如何使模拟出来的磨机流场接近磨机的实际流场，成为流场分析中的重要问题。文中以上海凯盛节能工程技术有限公司的TV R 立磨为研究对象，利用F LU E NT软件对TV R46/23 立磨磨腔的两相流流场进行模拟，分析磨腔内的气固流场状况，为立磨结构的设计和研究提供理论依据
s haft h o using of t ractor
L I Guang-hui1，Z HANG Li-hua1，2，X IE Tian-lei1，XIAO Ling3
（1〃Department of Informatio n and Engineerin g Technolog y，Sichuan Agricultural University，Ya′ an 625014 ，China；2〃State Key Laborator y of Mechanical Transmission，Chongqin g University，Chongqin g 610044，China；3.Departm ent of food S cience and Technology，Sichuan Agricultural Universit y，Ya′an625014，China）Ab stract：In order to design rear-axle′ s half shaft housin g of tractor reasonably，and improv e its reliabilit y as well as robustness，this paper took rear-axle′s half shaft housin g of Dong Fang Hong type 40 tractor as the research object，and built its three-dimensional model using UG，then transmitted it into ANSYS Workbench to conduct finite element analysis of it，and then its dangerous cross-section and working-conditio n were obtained〃 Proceedin g to the next step，a multi-objective and fuzzy reliabilit y robust optimizatio n design model was established〃By writing genetic algorith m program，this paper solved the mathematical model，and obtained the best design parameters of half shaft housing〃 Compared with the primar y design，its quality was reduced by20〃54％，its sensitivit y was cut down by33〃08％，which will contribute to safety of tractor〃 Adoptin g ANSYS Workbench to check strength of the half shaft housin g after design，its maximum stress was 272 MP a，which is still under the material′ s
allowabl e stress〃 Its backup coefficient was6〃2，which was obtained using the hydraulic fatigu e testin g machine，and it met the requirement of the national standard〃
Key wo rds：h alf s haft h ousing；ANSYS Workbench；f uzzy r eliability；r obust；g enetic a lgorithm
Fig 7 Tab 2 Ref 12 “Jixie Sheji”3284
* 收稿日期：2013-05-25；修订日期：2014-05-09作者简介：王伟生（1982—），男，河北张家口人，工程师，硕士研究生，研究方向：结构设计、计算机仿真。
2014 年11 月
与指导。
1 立磨磨腔流场状态
王伟生，等：基于D P M模型的立磨局部流场数值模拟分析69
湍流强度为5％。
2 立磨磨腔气固两相流模型
1〃1 初始条件
以TV R 46/23 立磨为研究对象，该立磨用于粉磨
水泥熟料，磨辊4 个，主电机功率为3 150 kW，其磨盘
研磨外径为4 600 mm，磨辊直径为2 300 mm。表1 为
TV R 46/23 立磨主要技术参数。
表 1 立磨主要技术参数
由湍流参数可知，立磨磨腔流场属于复杂的湍流
流场，存在着强烈的旋转涡量和高强度湍动的气固两
相流。且磨腔内存在着空气连续相和颗粒离散相的相
跨越障碍物互耦合作用，使磨机内的流场状况更加复杂。因此，选
用合适的多相流模型和湍流模型，对磨机内部流场的
分析至关重要。
磨盘转速/
（r/m in）
入磨风量/
（m3/h）
入磨风温/K 磨机压强/Pa 出磨风温/K
2〃1 多相流模型的确定
立磨磨腔内模拟的是气固两相流流场。进入磨机27〃5 390 000 500~570 4 000~6 000 350~365
根据表1 及TV R46/23 立磨的结构尺寸，采用工
程流体计算的方法得到磨腔内流场的计算数据，如表
2 所示。
表 2 流场计算数据
的连续相风量（表1）是Q0=390000m3/h，即108〃33 m3/s；
而物料离散相的流量M s=45kg/s，松散密度ρs=1400
kg/s，则离散相的体积为［4］：
Q s =M s /ρs = 45 =0.032 1 m3/s
1 400
离散相与连续相的体积比为：
气体单进口
面积S/m2
单进口压力
直径D/m
液压滑环进口风速
V/
（m/s）
气体动力
粘性系数
μ/（k g/m s）
气体密度
（250℃）
ρ/（k g/m3）
Q s = 0.032 1 =0.03%
Q0 108.33
3〃61〃714151〃79×10－50〃675
则气体雷诺数为［2］：
其体积比远小于10％，所以选用离散相模型（D P M）进
行模拟。在两相耦合计算中，离散相的存在影响了连续
Re= VD = VDρ
v μ
=
15×1.714×0.6755
1.79×10-5
=9.7×10
相的流场，而连续相的流场又反过来影响了离散相的
分布。离散相包含较高的质量承载率，其对连续相影响式中：μ—
——运动黏性系数，m2/s。
立磨磨腔内的Re 远大于2 300 （管道湍流临界
值），所以磨腔内部流动过程主要为湍流流动。
1〃2 湍流参数的计算
热风入口湍流计算参数主要有湍流强度、湍动能
和湍动耗散率等。计算过程如下［3］：
湍流强度：I＝0〃16（Re）－0〃125＝0〃028 湍动能：k=1.5×保安对讲机>带式输送机传动滚筒
（V I）2=0.265m2/s2
等效直径：L=
4A =1.714m
C
湍流长度：l=0.07L=0.12m
3
比较大。连续相与离散相可以互相交换动量、质量和能
量，即双向耦合作用［5］。
2〃2 湍流模型的确定
模型的雷诺数Re=9.7×105，磨内流场为高雷诺数
的湍流流动。由于立磨磨盘与磨辊转动的影响，内部流
场必然存在着较大的壁面运动，所以磨腔内部湍流运
动又体现为剪切湍流的壁湍流特性，局部存在自由剪
切流情况。立磨磨腔流场主要受到热风进入量和磨盘、
磨辊转动的影响，颗粒物料与热风具有不同的速度，
气固耦合性强［5］。所以，选择湍流适应性强的雷诺应力
方程涡黏模型（R SM模型）分析磨腔气固耦合流场。
32
4 k
湍动耗散率：ε=C
μ
l =0.184
RSM 模型考虑了旋转流动及流动方向表面曲率式中：A—
——流体入口面积，m2；
C—
——流体入口周长，m；
变化的影响，R S M模型更适合于三维模型的数值计
算。R SM模型如下［3，6］：
C
μ
—
—
—耗散率经验常数，0〃088。
水泥熟料为离散相，物料颗粒分布采用函数分布，
鄣（ρu i′u j′）
鄣t
+鄣（ρu k′u i′u j′）
鄣x k
=D T ij+D L ij+P ij+G ij+Φij+εij+F ij
式中：D T i j —
——湍动扩散项；
最小粒径取为1×10－6 m，最大粒径取为100×10－6 m，平D
L i j
—
——分子粘性扩散项；
均粒径取为45×10－6 m。物料离散相质量流M s=45kg/s。P
ij
—
——剪应力产生项；
依据上面的计算方法，物料入口的等效直径为0〃68m，G
i j
—
——浮力产生项；
70
机 械 设 计 第 31 卷第 11 期
Φi j ———应力应变项； εi j ———粘性耗散项； F i j ———系统旋转产生项 。
由于 D T i j ，P i j ，F i j 只包含二阶关联项， 不必进行处 理。 其他项的计算公式如下：
D T i j = 鄣 （ μk 鄣u i ′ u j ′ ）
由于磨机流场存在较多曲面和大尺寸拐角， 因此 网格的划分采用自适应网格划分。利用 ANSYS 中自带 网格软件划分网格，并限制网格的划分尺寸，保证计算 的精度。 网格主要以四面体为主。
3〃2 边界条件的设置
热风从立磨下壳体的两个风口进入磨腔。 由于入 鄣x k ζk x k
口风速约为 15 m /s ，其马赫数为 0〃04，且系统内温度变 式中：μk ———湍动粘度。
G ij = μk （g i 鄣ρ +g j 鄣ρ ）
ca3780化较大，可认为系统流场为可压缩流场［7］。 依据表 1，已 ρP 鄣x j 鄣x i
经知道入磨风量和两相流出口压力， 因此热风进口选 式中：P ———能量的湍动 Prandtl 数。
溶洞处理
Φi j =-C 1 k -（u i ′ u j ′- 2 k δi j ）-C 2 ρ（P i j - 1 δi j P kk ） 鄣ε +
择质量流入口条件，出口选择压力出口条件。 物料颗粒 作为离散相，从磨机中间入料溜管进入，也选用质量流
ε 3 3 鄣t
2 入口条件。 物料选用碳酸钙， 颗粒分布采用 Rosin -
鄣ρU k ε =-C
u ′ u ′ 鄣U t -C ε ρ ε + 鄣 （ μk 鄣ε ）
鄣x k 鄣x k k 鄣x k ζε 鄣
x k
Ramm le r 函数分布进行拟合， 最小粒径为 1×10－6 m ，最
大粒径为 120×10－6 m ，平均粒径为 80×10－6 m 。 物料离散 3 立磨磨腔气固两相流数值模拟
3〃1 磨腔流场几何模型的建立
运用三维软件 So l idwo rks 对立磨磨腔流场进行建 模。 由于立磨具有大型化、复杂化等特点，不考虑选粉 机内部的流场。 这部分主要包括立磨进风口、下壳体、 磨盘、磨辊、中心回料锥筒、磨机壳体等结构。热风从进 风口以一定速度吹入， 进入下壳体与磨盘所组成的区 域，从磨盘外围边缘向上吹出；物料从中心回料锥筒落 入到磨盘中央， 随着磨盘的旋转， 物料进入到磨辊下 部，被磨辊碾压，之后碾压过的物料旋转到磨盘外缘。 从磨盘外缘出来的热风把碾磨过的物料， 吹到中心回 料锥筒处， 大颗粒碰到锥筒壁又落入磨盘， 重新被碾 磨，而小颗粒被热风带入到选粉机的导向叶片处（即两 相流出口）。
由上可知，磨腔内实际为流体的流场区域，建模时 只建立磨腔的实体模型， 复杂的区域或者对空气流场 影响不大的局部结构进行简化。 图 1 为磨机流场的三 维模型透视图。
磨机壳体
两相流出口
中心回料锥筒
物料颗粒入口
磨辊 相喷射流量 M s =45 kg/s 。 依据湍流参数的计算方法，物 料入口的等效直径为 0〃68 m ，湍
流强度为 5％。
设置磨盘边壁和磨辊边壁为旋转壁面， 其余壁面 为固定边壁。 其他参数的设置依据表 1 和表 2。
3〃3 磨腔气固两相流流场数值模拟及分析 3〃3〃1 磨机流场内速度分析
图 2 表示立磨内部流场气固两相流速度分布图。 从 图 2a 中可以看出，热风、物料流体单元从立磨热风、物料 入口进入，在立磨内两种流体单元混合后，然后从立磨出 口喷出。 在磨盘与磨辊的转动影响下，磨机内的流场具有 一定的旋转特性，在磨辊上方出现较大的湍流现象。 热风 从两个热风口进入磨机内腔，受到磨盘旋转的影响，气流 沿着磨盘边壁旋转上升， 上升的气流在磨盘喷嘴环处速 度达到最大。 高速气流与磨盘边缘处的物料颗粒耦合，气 流携带着颗粒吹向选粉机的回料锥筒处。 由于风速的降 低，大颗粒物料碰到锥筒后又落入磨盘内；而小颗粒物料 流沿着回料锥筒向导向叶片处运动， 且两相流的回旋运 动减弱。 两相流受到磨辊的转动和近壁面流体曳力的影 响，在磨辊上方出现涡流现象，近壁面流线密集。 由此可 以看出， 立磨的内部物料流流场是强制的旋转的湍流流 动，并且存在着气固两相的分离流动。
图 2b 为磨机正视面（X ＝0）的气固两相流的速度 云图。由图中可以看出，立磨热风速度值在喷嘴环处最 磨盘
热风进口
下壳体
热风进口
图 1 磨机流场三维模型透视图
大，达到 25 m /s 左右。 此处的风速必须是最大，否则造 成过多的颗粒物料不能被吹起，磨内物料量增多，粉磨 效率降低，但是此处的湍动能和湍动耗散率最大，能量 损失也最大。物料流进入选粉机导向叶片处，速度纵向 分布基本均匀，利于颗粒的输送和分选。在磨辊上方等
ε
2014 年 11 月 王伟生，等：基于 DPM 模型的立磨局部流场数值模拟分析 71
处存在着复杂的涡流， 涡流使物料和热风能进行更长 时间的热交换，但是也使一些颗粒被迫返回磨盘，造成 过粉磨现象，降低了立磨的粉磨效率，同时也容易使磨 机壳体出现结皮现象。
（a ）气固两相流迹线图
（b ）截面 X ＝0 气固两相流速度云图
图 2 立磨内部流场气固两相流速度分布图
3〃3〃2 磨机流场内温度分析
从图 3 中可以看出， 高温热风从立磨的两个进风 口进入磨机。在喷嘴环处热风喷出后，与湿物料在磨盘 边缘接触耦合，进行热量交换，热风温度降低，物料被 烘干。 磨机入口的风温一定时，物料的湿度不能太大， 否则造成磨内温度过低，风量减少，风速降低，物料难 以被输送。 因此要确保合适的入磨热风的温度和物料 的湿度，提高立磨的输送和粉磨效率。
图 3 气固两相流的温度分布云图
3〃3〃3 磨机流场内压强分析
立磨磨腔内是负压运行， 压差直接反应了立磨内
部循环物料量的大小， 标志着入磨物料量与出磨物料 量的平衡关系。压差较大时，表明入磨物料量大于出磨 物料量，磨内通风阻力大，物料循环量大，引起料层过 厚，粉磨效率降低；反之，料层过薄，磨机容易出现振动 现象。图 4 在没有考虑选粉机的情况下，磨机内模拟的 压差为 1 000 Pa 左右。
图 4 气固两相流的总压分布
压降是磨内涡旋流场消耗能量的体现。 从压强的 变化角度来分析，压力损失主要包括［8］：（1）流体介质 与磨机壳体及磨机内部件壁面的摩擦损失；（2）高速高 温的气体在喷嘴环处所做的突扩运动造 成的能量损
失；（3）气固流进入选粉机过程中立磨壳体截面减小所 造成的能量损失；（4）物料颗粒间的相互碰撞及物料与
壳体壁面的碰撞的能量损失。其中（2）、（3）原因是与磨 机的结构有关系， 因此合理设计磨机的壳体和喷嘴环 结构，对于磨内压差的控制，具有重要意义。 工程实践 中，磨机结构确定，一般通过控制入磨物料量和入磨风 量来控制立磨压差系统的平衡。
流体力学中，总压等于静压与动压之和。从图 5 和 图 6 中可以看出，流场受到高速热风流的影响，动
压快 速升高，磨机内出现局部的高压区。 在立磨下壳体处， 流场稳定，动压和静压相互转化；而在磨辊与磨盘外缘 的耦合处，存在着局部高压区，压强脉动变化强。 磨机 壳体和腔内其他部件壁面处，流体运动趋于静止，压强 也很小。
图 5 气固两相流的静压分布
72
机
械 设 计 第 31 卷第 11 期
参考文献
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图 6 气固两相流的动压分布
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（1）针对立磨磨腔内强烈的三维旋转涡量和高强 度湍动的气固两相流，采用湍流适应性更强的 R SM 模 型； 针对磨机内复杂的连续相与离散相的双向耦合作 用，多相流模型采用 D P M 模型。
（2） 从磨机磨腔 内部流场的 速度和压强 分 析 表 明，磨机喷嘴环处的热风速度为最大，湍动能和湍动 耗散率最大 ，在此区域内的流体湍动最为剧烈 ， 能量 损失最大； 而磨机内的其他区域能量损耗相对较低。 两相流耦合分析 ［J ］〃 中国机械工程 ，2010，21（21）：2559－
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Numerical simulatio n of local flo w field in the vertical roller m ill base on DPM model
WANG Wei-sheng 1，LU Wei-q un 2，JI Lie-yo ng 1，WANG 1
但是此处的热风气流速度不能过小，否则造成过多的 颗粒物料不能被吹起，磨内物料量增多，粉磨效率降 低。 因此合理设计喷嘴环处的结构，尤其是喷嘴环的 角度（本实例是 45°），有助于提高立磨的粉磨效率和 降低能量的损失。
（3）从磨机磨腔内部流场的速度和压强分析中可 以知道， 磨辊与磨盘交互影响区为气固耦合的主要区 域，耦合区域内存在着大量的湍流和涡流。湍涡使物料 和热风进行更长时间的热交换，有助于物料的烘干；但 是过多的湍涡会使物料重新回到磨盘， 造成过粉磨现 象，降低了粉磨效率。因此合理设计立磨选粉机的中心 回料锥筒的角度和长度， 有助于改善气固耦合区的湍 流和涡流情况，提高两相流的能量利用率。
（4）从磨机磨腔内部流场的温度分析表明，在物料 湿度一定的情况下，要确定合适入磨热风温度。入磨热 风的温度不能过低，否则在热风和物料耦合后，磨内温 度低，风量减少，风速降低，物料难
以被输送到选粉机， 降低了选粉效率和粉磨效率。
Yong-ming
（1〃S hanghai Triumph Energy Conservation Engineerin g Co 〃， Ltd .，Shanghai 200060，China ；2〃S hanghai Baoshan S outh Cement Co 〃，Ltd .，Shanghai 200941，China ）
Ab stract ：The discrete phase model （D P M ） and the Reynolds stress equation eddy viscosit y model （R SM ） of the computational fluid dynamics （CFD ） theory were used to simulate the distribution characteristics of comple x gas-solid two-phase flow field in the ver- tical roller mill 〃 The interaction effect between the gas-solid two- phase flow was discussed and analyzed in view of velocity ， tem- perature ， pressure field ，etc 〃 The results indicate that there is se- vere rotational turbulent flow field in the vertical roller mill cham- ber and the flow field is asymmetr y and strong turbulent pulsation 〃 By the simulation for turbulent flow and vortex phenomenon of table-roller region and separator center cone ，the research provides a theoretical basis for the structure design of the mill casing ，nozzle ring and separator center cone 〃
Key words ：vertical roller mill ；gas-solid two-phase flow ；nu- merical simulation and analysis ；turbulent flow and vortex phe- nomenon
Fig 6 Tab 2 Ref 8
“Jixie Sheji ”3490
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