Магистрант Вайкшнарис М.А., доц. к.т.н. Францкевич В.С.

Белорусский государственный технологический университет, Беларусь

Моделирование аэродинамических процессов в среднеходной мельнице с динамическим воздушным классификатором с помощью программного модуля SolidWorks Flow Simulation

C помощью программного модуля SolidWorks Flow Simulation проведено моделирование процесса разделения измельченного материала в динамическом воздушном классификаторе среднеходной мельницы. Разработана методика решения аналогичных задач и проведены соответствующие расчеты.

Разработанная конструкция динамического воздушного классификатора среднеходной мельницы изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Динамический воздушный классификатор среднеходной мельницы

1 – цилиндрический корпус, 2 – подшипниковый узел,

3 – ротор с лопатками, 4 – конус, 5 – приводной вал,

6 – шкив, 7 – смотровое окно.

Для интенсификации процесса разделения необходимо решить следующие задачи:

– обнаружить застойные зоны и предложить рациональную внутреннюю конструкцию ротора динамического воздушного классификатора, отвечающего за процесс разделения;

– смоделировать процесс разделения численными методами, так как в настоящее время нет эффективной методики расчета подобного оборудования, а применяются эксперименты на моделях либо эмпирические формулы, не дающие четкой картины процесса.

Поставленные задачи решаются в SolidWorks Flow Simulation  в три этапа. Первый этап заключается в создании или импорте моделей и сборок, второй этап – выполняется моделирование задачи, третий этап – выводятся и обрабатываются результаты.

Поставленная задача является внутренней, то есть движение воздуха моделируется в замкнутом пространстве, где пространство ограничено входным и выходным отверстиями и стенками модели [1].

Модель динамического воздушного классификатора в комплексе с среднеходной мельницей была построена в системе трехмерного твердотельного моделирования КОМПАС-3D в виде трехмерной сборки, внешний вид которой максимально приближается к реальному виду объекта. Для того, чтобы упростить модель, были отброшены следующие элементы: болты, гайки, шайбы, шпонки, внешние детали корпуса и привода. Также был упрощен подшипниковый узел динамического воздушного классификатора. Полученную модель экспортировали в программу SolidWorks. Для экспериментальной геометрии используется формат (*.x_t), который поддерживается как программой КОМПАС-3D, так и SolidWorks. Восстановление файла сборки (*.x_t) создаст новую сборку с расширением (*.sldasm) в той же папке. После открытия файла сборки в SolidWorks его необходимо пересохранить и только после этого начинать работу.

Для создания замкнутого пространства требуется закрыть все отверстия в модели агрегата специальными объектами – крышками с помощью команды Create Lids [2]. После создания замкнутого объема необходимо проверить геометрию на наличие ошибок, которые могли возникнуть при экспорте. Для этого используют команду Check Geometry [2]. При проверке вычисляются объемы занимаемой среды и твердого тела. Создание проекта для моделирования выполняем с помощью команды Wizard [2]. При первом шаге задается имя проекта, при втором – система исчисления, на третьем – тип анализа, в котором можно учесть ход течения времени и действия сил гравитации и вращения. На четвертом шаге задаются свойства воздуха или жидкости. На пятом – параметры для тепловой задачи. На шестом – внутренние условия (давление, температура, параметры турбулентности). На седьмом – настраиваются параметры конечно-элементной сетки. В результате в дереве модели создается новая вкладка – Flow Simulation analisуs tree, содержащая дерево проекта расчета.

В нашем случае выбирается система СИ. Тип анализа – внутренняя задача, а также учитывается действие и направленность силы гравитации и вращения. В качестве расчетной среды выбирается воздух. В окне внутренних условий задается атмосферное давление, температура 293 К. Для того, чтобы обозначить вращение какого либо тела в SolidWorks Flow Simulation необходимо указать область, в которой оно вращается [2]. Областью вращения может считаться любое тело, созданное операцией «вращение на 360°». Область вращения, скорость и направление вращения задается с помощью команды Rotating Regions.

В нашем случае назначаются две области вращения: для вращающейся тарелки мельницы и для ротора классификатора (рисунок 2а). Скорость вращения тарелки мельницы задается равной 10,47 рад/с, а скорость вращения ротора классификатора 52,33 рад/с.

При решении внутренних задач задаются входные (Inlet) и выходные (Outlet) граничные условия течения относительно пространства (рисунок 2б), заполненного текущей средой, а также условия на выбранных поверхностях модели, соприкасающихся с текущей средой [2]. Граничные условия задаются с помощью команды Boundary Condition.

В данной задаче выбирались следующие граничные условия: расход воздуха на входе в патрубок среднеходной мельницы 0,278 м³/с; давление окружающей среды 101325 Па; реальная стенка на поверхностях ротора классификатора, тарелки и валков мельницы; реальная стенка с условием stator на поверхности корпуса и подшипникового узла классификатора, на поверхности корпуса мельницы.

Рисунок 2 – Подготовка модели к расчету

а – области вращения, б – граничные условия задачи

Задача запускается на счет кнопкой Run. После расчета может быть получен ряд результатов (рисунок 3), таких как: параметры воздушного потока в различных сечениях, траектории движения воздушного потока, частиц в воздушном потоке, значения параметров в любой точке или объеме расчетной области. Ниже представлены некоторые иллюстрации результатов расчета.

Особенно наглядно можно представить распределение воздушного потока во всем объеме агрегата с помощью команды Flow Trajectories. В модели будут построены 3D-линии траекторий движения потоков (рисунок 3б), после чего имеется возможность создать анимацию с сохранением в файл.

Максимальная полная скорость движения воздушного потока наблюдается в выхлопном патрубке динамического классификатора. На входе в классификатор просматривается изменение полной скорости воздушного потока. В зоне вращения ротора динамического классификатора отчетливо виден насосный эффект. Также на входе в классификатор наблюдается увеличение полной скорости, что обусловлено уменьшением проходного сечения и вращением ротора классификатора.

С помощью команды Particle Studies можно рассчитать траектории движения сферических частиц. Расчет производился для частиц плотностью 2600 кг/м³, размером 100 мкм, с массовым расходом – 100 кг/ч (рисунок 3в). В результате расчета траектории движения частиц схожи с траекториями движения воздушного потока. Также имеется застойная зона в верхней части области между корпусом классификатора и ротором.

Рисунок 3 – Результаты расчета

а – профиль полной скорости в вертикальном сечении; б – траектории

движения воздушного потока; в – траектории движения сферических

частиц

Из полученных результатов видно, что, распределение скоростей в агрегате неравномерно, имеются застойные зоны, то есть конструкция и режим эксплуатации агрегата несовершенны и нуждаются в дальнейшей рационализации, ресурсы которой еще полностью не выработаны.

Литература:

1. Алямовский А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике/ Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцов Е.В. ⎯ СП.б.:БХВ-Петербург, 2008. ⎯ 1040 с.

2. http://www.solidworks.com/sw/products/cfd-flow-analysis-oftware.htm