工作转速对螺旋输送机内流场影响的数值仿真

工作转速对螺旋输送机内流场影响的数值仿真

2006年用户年会论文

工作转速对螺旋输送机内流场影响的数值仿真

许岚 龚曙光 张建平 陈仁科

湘潭大学机械工程学院CAE研究所 湖南省湘潭 411105

[ 摘 要 ] 本文运用计算流体力学软件FLUENT建立了螺旋输送机内物料流动的分析模型，对螺旋输送

机内沥青混合料的流动过程进行数值模拟与分析，主要得到了螺旋输送机转速对物料混合均化

效果及物料输送性能的影响结果，为螺旋输送机的设计与优化提供了参考。

[ 关键词 ] 螺旋输送机；计算流体动力学；转速；混合性能；

Numerical Simulation of Influence of Rotational Speed on

Flow Field in the Screw Conveyor

Xu Lan Gong Shuguang Zhang Jianping Chen Renke

CAE Institute, School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Hunan 411105, China

[ Abstract ] In this article, the mathematics model of fluid flow in screw conveyor is set up and the

commercial software of Computational Fluid Dynamics, FLUENT has been used to

numerically simulate the flow field of asphalt mixture in the conveyor. After that, the relations

between the rotate speed and the mixing effect, transportation performance were discussed,

which provide a guide and reference for the design and optimization of the screw conveyor.

[ Keyword ] Screw Conveyor; CFD; Rotational Speed; Mix

1 前言

螺旋输送机是一种没有挠性牵引构件的输送机。它依靠带有螺旋叶片的轴在封闭料槽

中旋转而推动物料移动或依靠带有内螺旋叶片的圆筒旋转使物料运动[1]，主要用于短距离输送和提升散装物料。螺旋输送机的工作机理简单地说就是在螺旋叶片的推拨作用下，物料将沿着圆周方向运动(到一定位置向下塌落)，同时沿轴向方向流动。在这种复杂的运动过程中，由于叶片挤入混合料时对物料的剪切作用、混合料受离心力的抛离作用、流层间的剪切作用以及上下层混合料双向交叉流动的拌合作用使物料获得充分的搅拌。在输送流体及半流体状态的物料时，它能较好地控制输出量并为整个过程提供了一个较为环保的解决方法，是一种非常有效的输送设备，被广泛应用于工业领域[2]。随着社会的进步，完成高质量作业的要求推动着螺旋输送机的设计理论和研究水平的提高，而日益多变的生产要求和工作环境已使得纯粹凭借经验设计的螺旋输送机已无法适应现代化生产工艺的要求。

转速作为螺旋输送机工作时的一个重要参数，其改变必然会影响到螺旋输送机内的流

场分布。本文运用计算流体力学软件FLUENT建立了螺旋输送机内物料流动分析模型，对

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螺旋输送机内沥青混合料的流动过程进行数值模拟与分析。根据基于面积加权函数ea的混合理论[3]，针对不同转速的情况对螺旋输送机内物料混合均化效果及物料输送性能的影响进行了对比分析和研究。

2 螺旋输送机内混合料数值模拟

2.1 建立模型

根据螺旋输送机的工艺条件和物料流动情况，对流道内物料流动做如下基本假设：①

由于惯性力、重力等体积力远小于粘滞力，故忽略不计；②流体为幂律流体，采用幂律流体本构方程；③流体为不可压缩的粘性流体；④流场是稳定的，流场与时间无关；⑤流场为等温流场；⑥流道壁面采用无滑移边界条件；⑦雷诺数较小，物料处于层流状态。

物理模型以某工程内螺旋输送机模型为基础，其主要几何参数如下：螺旋叶片外径为

400mm，螺旋轴径为164mm，螺距为240mm。物料为热沥青混合料，其主要性能指标如下：密度1950kg/m，稠度为0.44pa s。根据文献[4]，本文中沥青混合料的温度不低于150℃，因此其流体性能具有很强的牛顿粘性特性。由于螺旋输送机与混合料的作用形式主要为压缩，并且不断有新混合料进入，其相互作用时间相对来说不是很长，所以可以不考虑混合料的松弛过程及其蠕变特性。由于混合物料的流动情况复杂，因此对原有模型进行了一些简化与假设。图1为计算模型的流体形状，其中左端为物料入口，右端为物料出口。 3

图1 CFD几何模型 图2 CFD分析模型网格示意图

2.2 网格划分

螺旋输送机的主体建模是在PRO/ENGINEER下完成的，再导入前处理器GAMBIT模

块完成其它部分的建模、网格划分及边界条件的设置。由于螺旋输送机的结构不规则，槽内的网格划分采用结构化和非结构化相结合的方法，叶片区域采用非结构化的网格，槽内其它区域应用合理的分区方法生成结构化网格。图2为计算模型的网格图。

2.3

边界条件的确定

根据壁面无滑移原理，假设流体模型与螺旋输送机壁面接触的面上的速度为零，与螺

旋轴表面接触的节点的速度与螺旋轴表面的线速度相同。

物料入口处入口速度为

0.3876m/s；物料出口处压力为0 Pa；螺杆转速分别为

10r/min、20r/min、30r/min、40r/min、50r/min、60r/min。

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3 结果分析

3.1

螺旋轴转速对螺旋输送机内物料流动性能的影响

选取螺旋输送机计算模型中y=0，x-z平面，并提取该平面上面积加权函数值进行比较，具体数据见表1。

图3a 10rpm xz截面ea分布云图

图3b 20rpm xz截面ea

分布云图

图3c 30rpm xz截面ea分布云图 图3d 40rpm xz截面ea分布云图

图3e 50rpm xz截面ea分布云图 图3f 60rpm xz截面ea分布云图

分别考察不同转速下螺槽横截面上的ea分布云图。可以发现转速不同的情况下，螺旋

输送机内物料的混合均化效果是不一样的，如图3所示。为了显示不同转速下ea分布的不同效果，将ea的范围值均取定在0~20(1/s)之间。此时可以明显看出随着转速的增加横截面

因为此处速度梯度较大，上的混合均化效果逐渐加强，其中靠近螺旋叶片顶部的e

a值较大，

与附近的物料存在相对运动。另外低速时其范围较小，但随着转速的增加此区域有所增大。同时随着转速的增大，螺旋输送器的质量流量却在降低。

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选取单个螺槽进行观察，并提取不同半径时，整个截面上的面积平均加权进行比较。

如图4所示，可以发现：叶片根部存在混合均化效果比较差的现象，位置主要集中在螺槽中向着物料前进方向的叶片根部，随着转速的增加此区域有所减小。从而可知此处位于螺槽底部的停止区。在螺槽底部中间部分存在一个混合均化效果相对较好的区域，这个区域的形成原因有待研究。

表1不同转速下物料流动性能结果

转速(rpm)ea

max(1/s)eamin(1/s) 质量流量(kg/s)

3.252068

3.002439

图4 不同半径的面积平均加权 2.568311 2.305866 1.891898 1.732585

3.2 功耗比性能研究

在设计螺旋输送机时，另一个需要考虑的重要因素就是功耗，也就是电机功率。与电

机功率有直接关系的是螺旋轴上承受并输出的扭矩。螺杆上承受的扭矩主要由物料和螺旋轴之间的剪切力引起，其方向如图5所示。

图6 螺旋输送机功耗比

rr面中的分力。如图，Fx、Fy为螺旋轴表面任意微元所受剪应力在X轴和Y轴的分量，则rr对该螺旋轴表面进行积分就可得到螺旋轴因在该点物料对螺杆的扭矩为：Fx×y+Fy×x，

物料的剪切作用而产生的扭矩。

不同转速下，螺旋轴所受扭矩如表2所示。 在三维空间中，螺旋轴受到的剪应力是个与螺旋轴表面相切的三维的向量，由于沿Z轴方向的分力与螺杆的回转轴平行，不产生扭矩，所以在图5中只画出了剪应力在XY平

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表2 不同转速下螺旋轴所受扭矩

转速(rpm)

扭矩(Nm)60 1976.3325237.7097673.57811797.00314647.04916199.124

如图6所示，当转速增大时，螺旋输送机的功耗比也在相应增大。由此可以看出混合

性能的提高是以降低生产产量为代价的。

4 结束语

本文对螺旋输送机内物料流动进行了数值模拟与分析，重点考察了转速对螺旋输送机

内流场性能的影响。对计算结果分析得知改变螺旋输送机的工作转速对于其内部流场性能有着很大的影响。转速增大，质量流量减小，而ea增大，根据基于面积加权函数的混合理论，其混合均化效果也得到了增强；同时转速增加，也增加了螺杆上的扭矩，即提高了螺旋输送机的功耗，对螺旋轴的强度也就提出了更高的要求。因此，在设计螺旋输送机时，应同时考虑物料性能、生产量、工业成本等几个因素，以此来防止设计上的缺陷在实际工业生产中造成损失。

[参考文献]

[1] 《机械工程师手册》第二版编辑委员会. 机械工程师手册, 第二版[M]. 北京: 机械工业出版社, 2002

[2] Roberts A W. The influence of granular vortex motion on the volumetric performance of enclosed

screw conveyors[J]，Powder Technology 104 1999 56–67

[3] 魏新利. 销钉机筒挤出机内物料流动混合行为研究及新装置开发[D]. 上海: 华东理工大学博士学位论文, 2003

[4] 游张平. 基于代用料的沥青转运车螺旋搅料器试验研究[D]. 长沙: 长沙理工大学硕士学位论文, 2004

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/azx4.html