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超细卧式搅拌磨的流场模拟及其粉碎机理研究

作　者: 赵艳平
导　师: 李世芸
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械制造及自动化
关键词: 超细搅拌磨机超细粉碎 Navier-Stokes方程数值模拟粉碎机理
分类号: TD453
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超细搅拌磨机是超细粉碎中最有发展前途而且是能量利用率最高的一种超细粉碎设备,在矿物超细粉碎加工中占有重要的地位。如何降低生产成本、提高超细搅拌磨机的粉碎效率是目前国内外学者共同关注的课题。影响超细搅拌磨粉碎效果的因素有很多,但要想找出主要因素以及这些因素如何影响粉碎效果,需要先了解超细搅拌磨机的流场特性。本课题受无锡某专业制粉加工设备公司委托,对该公司所使用的一台卧式超细搅拌磨机的进行研究,通过分析磨机内部流场,找出粉碎效果的影响因素,以提高磨机的超细粉碎效果,降低成本。由于实验测量的费用较大,周期较长。因此,本文利用数值模拟的方法分析超细搅拌磨机的流场特性。本文根据超细搅拌磨机的结构和工作原理,利用UG软件的强大功能,对卧式搅拌磨研磨室内部流场进行了三维造型。通过数值计算的方法,分析了磨粉过程中研磨室内部流场的部分性能,并在此基础上对搅拌磨的粉碎机理进行了深入研究。所做研究对提高磨机粉碎效果有一定的查考价值,以下为本文所做的工作和获得的主要结论：(1)汇总了国内外在搅拌磨方面的研究,展望了未来的发展方向,介绍了搅拌磨内部流场数值计算的方法。(2)利用三维造型软件UG对超细搅拌磨流场进行几何造型,得到磨机研磨室内流体充满时的区域模型。然后结合网格生成技术,将需要计算的流体区域导入到网格划分软件GAMBIT中进行网格划分,完成数值模拟的前处理工作。(3)在搅拌磨机内部流场为层流状态下,在FLUENT软件中进行数值模拟,直观显示了矿浆在层流状态下的流动情况,在对流场的速度和剪切率分布图进行分析后,找到了研磨破碎作用主要发生的区域,指出了不同区域的主要粉碎机理是不同的。通过三种不同转速下层流场的对比,分析出转速对粉碎效果的影响。(4)在高转速情况下,搅拌磨机内部流场为湍流状态,应用FLUENT软件对搅拌磨湍流场进行了定常模拟,直观显示了其内部流场,得出了湍流状态下的相对速度矢量图、湍动能分布图、湍动能耗散率分布图。根据其计算结果对搅拌磨机湍流场性能做初步的探索。研究结果对研制和开发高速搅拌磨机提供了一定的理论依据,对生产实践具有一定的指导意义。(5)基于仿真结果,阐明了搅拌磨的粉碎机理。研究认为：超细搅拌磨机是利用研磨介质之间的挤压力、剪切力和少量的冲击力来研磨物料颗粒的,粉碎主要以摩擦粉碎为主。文章结尾总结了本课题的经验,提出了相关建议以及对后继工作的展望。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-21
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 国内外搅拌磨机的发展现状和趋势  11-14
  1.3 搅拌磨的基本原理  14-15
  1.4 搅拌磨粉碎的影响因素  15-18
    1.4.1 单位能耗对粉碎结果的影响  16-17
    1.4.2 搅拌磨转速的影响  17
    1.4.3 搅拌器外形尺寸的影响  17-18
  1.5 超细搅拌磨机的研究现状  18-19
  1.6 本文研究的主要内容及意义  19-21
第二章搅拌磨机内部流场的数值计算方法  21-35
  2.1 搅拌磨流场计算流体力学方程的建立  21-23
  2.2. 计算流体力学的理论模型  23-26
  2.3 搅拌磨流场数值模拟计算方法  26-30
    2.3.1 三维层流数值模拟计算方法  26
    2.3.2 三维湍流数值模拟计算方法  26-30
  2.4 基于有限体积法的控制方程离散  30-33
    2.4.1 离散化的目的  30
    2.4.2 有限体积法  30-31
    2.4.3 常用的离散格式  31-33
  2.5 选择压力-速度关联算法  33-34
  2.6 本章小结  34-35
第三章超细卧式搅拌磨研磨室内流场实体造型与网格生成  35-43
  3.1 三维搅拌磨机流场流动模拟问题概述  35-37
  3.2 搅拌磨机研磨室内流场的三维实体建模  37-39
  3.3 网格生成的方法  39-40
  3.4 搅拌磨内部流场区域网格的生成  40-42
    3.4.1 导入几何模型  40-41
    3.4.2 生成网格  41-42
    3.4.3 指定边界类型和区域类型  42
  3.5 本章小结  42-43
第四章超细卧式搅拌磨研磨室内三维层流流动的数值模拟  43-62
  4.1 卧式搅拌磨机的流场分析  43-45
  4.2 层流场数值仿真的数学模型及其解法  45-47
  4.3 卧式搅拌磨机流场层流状态下的数值仿真分析  47-57
    4.3.1 设置模型和边界条件  47-48
    4.3.2 求解  48
    4.3.3 流场中矿浆流向的分析  48-52
    4.3.4 速度的分析  52-54
    4.3.5 剪切率分析  54-57
  4.4 转速对研磨效果的影响  57-60
  4.5 流场分析总结  60-62
第五章超细卧式搅拌磨研磨室内三维湍流流动的数值模拟  62-73
  5.1 不可压缩湍流的控制方程组  62-63
  5.2 湍流模型  63-64
  5.3 边界条件  64
  5.4 数值模拟的结果与分析  64-70
    5.4.1 残差曲线图  64-65
    5.4.2 速度分布  65-68
    5.4.3 湍动能分布  68-69
    5.4.4 湍动能耗散率分布  69-70
  5.5 不同转速下流场的比较  70-71
  5.6 本章小结  71-73
第六章超细卧式搅拌磨的粉碎机理  73-83
  6.1 粉碎机理的探讨  74-75
  6.2 粉碎模型  75-76
  6.3 超细搅拌磨机的粉碎机理  76-82
    6.3.1 研磨介质的冲击粉碎作用  77-79
    6.3.2 研磨介质的研磨粉碎作用  79-82
  6.4 结论  82-83
第七章结论与展望  83-85
  7.1 研究结论  83
  7.2 展望  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-91
附录A 攻读学位期间公开发表的学位论文  91

超细卧式搅拌磨的流场模拟及其粉碎机理研究

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