回转窑横截面颗粒流动特性数值模拟研究

第３４卷第６期　
２０１３年６月　
哈尔滨工程大学学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　
Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．６　

Ｊｕｎ．２０１３　

回转窑横截面颗粒流动特性数值模拟研究　
李德付，尹洪超，张明，刘红，解茂昭　
（大连理工大学机械工程与材料能源学部，辽宁大连ｌ１６０２４）　

摘要：在回转窑内同时存在物料颗粒的轴向运动和横截面运动，其横截面物料流动特性对物料的混合及能量分布有着　
重要影响．应用双流体模型，结合颗粒流动理学理论，数值模拟横截面内物料流动特性，应用文献中的实验对所建立的数　
学模型进行有效性验证．结果表明，数值计算与实验结果吻合较好．回转窑横截面内物料运动分层，表面活动层速度较　
大，内部被动层速度较小；表面物料速度方向并非与表面平行．实际工程尺度回转窑内，物料表面呈现一定的波动；窑内　
气体受物料运动影响较大，会产生旋涡及扬沙，卷起少量物料冲击物料表面．　
关键词：回转窑；两相流模型；颗粒流动理学理论；表面粒子运动；填充度　
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６—７０４３．２０１２１００５２　
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．Ｕ．２０１３０５２３．１６５０．００７．ｈｔｍｌ　
中图分类号：ＴＤ９８；ＴＫ０　文献标志码：Ａ文章编号：１００６—７０４３（２０１３）０６—０７０３－０６　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｆｌｏｗ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｉｎ　
ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ　

ＬＩ　Ｄｅｆｕ，ＹＩＮ　Ｈｏｎｇｃｈａｏ，ＺＨＡＮＧ　Ｍｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ，ＸＩＥ　Ｍａｏｚｈａｏ　
（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ａ　ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ　ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｍｏｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ｂｏｔｈ　ａｘｉａｌ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａ１　
ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｍｉｘｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ａｎ　
Ｅｎｌｅｒｉａｎ　ｔｗｏ—ｆｌｕｉｄ　ｍｏｄｅｌ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｆｌｏｗ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｆｌｏｗ　
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ．ａｎｄ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ａｇａｉｎｓｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｌｉｔｅｒａ－　
ｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｎｕｍｅｒｉｃａ１　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｔｅ—　
ｒｉａｌ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉＳ　ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉＳ　ｌａｒｇｅｒ．ｗｈｉｌｅ　ｉｎ　
ｔｈｅ　ｉｎｔｅｍａ１　ｐａｓｓｉｖｅ　ｌａｙｅｒ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉＳ　ｓｍａｌ１．Ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｌａｙｅｒ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｅｄ　
ｓｕｒｆａｃｅ．Ｉｎ　ａｎ　ａｃｔｕａｌ　ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｃａｌｅ，ｔｈｅｒｅ　ｅｘｉｓｔ　ｗａｖｅｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｂｅｄ　ｆｒｅｅ　ｓｕｒｆａｃｅ；ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇａｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　
ｋｉｌｎ　ｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｍｏｔｉｏｎ；ｖｏｒｔｉｃｅｓ　ａｎｄ　ｆｌｙｉｎｇ　ｓａｎｄ　ａｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｍｐａｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂｅｄ　ｓｕｒ－　
ｆａｃｅ．　
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｔａｒｙ　ｋｉｌｎ；ｔｗｏ—ｆｌｕｉｄ　ｍｅｔｈｏｄ；ｋｉｎｅｔｉｃ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｇｒａｎｕｌａｒ　ｆｌｏｗ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｍｏｔｉｏｎｓ；ｆｉｌｌｉｎｇ　ｄｅｇｒｅｅ　

回转窑由于其可提供良好的混合性能和高效的　
传热能力，能适应于多种工业原料的烧结、焙烧、挥　
发、锻烧、离析等过程，因而被广泛地应用于水泥、冶　
金、纸浆、化工、环保等行业¨　．但由于回转窑的过程　机理复杂，具有运行工况变化频繁、多变量、强耦合　等控制难题，目前尚无有效的控制方法对其实现自　动控制，从而导致产品质量不稳定、设备运转率低、　收稿日期：２０１２．１０—１９．　网络出版时间：２０１３—５・２３　１６：５０　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７６１０９）．　作者简介：李德付（１９７３一），男，博士研究生；　谢茂昭（１９４４．），男，博士生导师．　通信作者：刘红（１９７０－），女，副教授，博士，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｏｎｇｌｉｕ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．　能耗高等问题．因此研究回转窑窑内物料传输，对提　高产品质量和生产效率具有重要意义．在实验方面，　回转窑内物料传输的研究多是在实验室尺度下进　行，主要分析物料运行模式及混合规律　．Ｊ．　
Ｍｅｌｌｍａｎｎ＿３　对滚筒中物料在截面上的运动模式进行　
了研究，对滑动、涌动、滑塌、翻滚、瀑布、瀑泻、离心　
等多种运动模式提出了简化的数学模型，探讨了填　
充率、壁面摩擦系数、颗粒大小与滚筒直径比例、内　
摩擦角等因素对运动模式的影响关系；Ａ．Ａ．　
Ｂｏａｔｅｎｇ＿４　等对物料颗粒在回转窑截面上的混合与　
分离情况进行了研究，基于渗透原理，建立了活性层　
哈尔滨工程大学学报　第３４卷　
的颗粒流动模型，用于预测活性层细小颗粒在截面　
上的分离情况，通过粒度分布测算物料的有效热导　
率；还有研究者通过图象分析的方法研究物料混合　
的情况．在数值方面，则主要集中在窑内的传热数学　模型方面，通常建立轴向分段一维数学模型，或不同　截面径向二维传热模型，考虑烟气、窑壁和料床间的　传导、对流和辐射传热，通过数值求解获得窑内物料　温度和窑外壁温度沿窑轴向的分布情况　；辐射模　型一般应用辐射系数法　，传热机制应用热渗透模　型【　，并通过实验方法对模型进行检验和修正，同　时提出模型中重要参数（如换热系数）的确定方法．　径向二维模型中，通常假设床层表面成一平面，并认　为床层表面颗粒速度与表面平行，不计表面波动．　Ｙａｓｓｉｎｅ＿８　等应用双流体模型通过数值模拟研究发　现表面颗粒运动速度与表面并不完全平行，对传统　模型提出挑战．　由于回转窑内物料输运及传热过程的复杂性和　检测手段的不完善　Ｊ，尚无法对实际工程尺度回转　窑内气体、物料的速度及温度进行准确测量，这对了　解回转窑的运行状况造成了很大困难．本文通过建　立输运模型，对回转窑内的冷态条件下物料颗粒及　气体参数进行模拟计算，了解回转窑内气体、物料颗　粒的空间分布及运动情况，为回转窑的优化操作提　供理论依据．　１　物理及数学模型　气固两相运动的数值模拟方法大体分为２种：　１）假设颗粒流动满足连续特性的连续模型，文献　［１０］应用双流体连续模型研究气固两相流动，有效　描述了气固两相流动及混合特性；２）将颗粒视为大　量单个独立的离散模型，离散模型适用于离散粒子　数量较少时的气固两相流动模拟，由于回转窑内颗　粒数量众多，离散模型适用性较差．　回转窑内物料的运动可以分为随窑壁转动产生　的截面内的回转运动及在窑倾角产生的重力作用下　的轴向运动，大量文献说明截面内的运动效应比轴　向大数个量级，所以截面内的物料运动对物料的混　合、换热及窑内化学反应等都起到控制作用．本文不　计物料在轴向上的运动，研究对象是在垂直于回转　窑轴线的横截面，初始假设物料按一定的填充度铺　在截面内，并在摩擦作用下由回转窑带动在窑内进　行运动；假设物料颗粒为等直径的球体，颗粒间及颗　粒与壁面间的碰撞无塑性变形，无弹性伸缩；物料颗　粒与气体温度相等，壁面保温良好，不计热量损失及　颗粒物性变化；气体为不可压缩牛顿流体，其粘度、　密度为常数；不考虑化学反应及燃烧，气粒界面无质　量交换；回转过程非稳态．　１．１双流体模型　回转窑内的物料输运过程，实质上是回转窑内的　气固两相混合输运过程．由于回转窑内物料在局部体　
积分数较高，从整体上看存在连续流动的特性，因此　
认为物料颗粒和气体是２个不同的连续相，相间连续　
并相互渗透相互作用．基于连续介质的假设，气固两　
相分别遵循一系列各自的连续方程，动量方程，由于　
忽略气固两相间的温差，故不考虑能量方程．　
气相连续方程　

盖（　）＋Ｖ‘（　ｇＰｇ）　ｏ・　
固相连续方程　
（８，ｐ。）＋Ｖ・（６，ｐ　）＝０．　
０６　
气相动量方程　

盖（８　）＋Ｖ　（占　ｇＰｇｋ＇ｇ）＝　
一　
ｇ　

ＶＰｇ＋　ｇｇ一卢　（　ｇ—ｌ，　）＋Ｖ‘（　ｇ．ｒｇ）．　

固相动量方程　

（ｅ，ｐ　）＋Ｖ・（８，ｐ　／＂ｓ　）＝　
ｏ‘　

一　
Ｖ　＋　ｐ　ｇ＋　（　ｇ一　）＋Ｖ‘下　．　

１．２物料模型　
颗粒在粘性摩擦作用下，在回转窑内随窑壁回转　
而运动．其主要受到的力是壁面与物料间的摩擦力和　
物料之间的摩擦力．故准确描述物料与物料间及物料　
与壁面间的磨擦及流动特性是准确模拟的关键．颗粒　
流动特性的主要控制机理是颗粒间相互碰撞产生的　
随机运动．本研究基于粒子流体的动力学理论，将颗　
粒流的随机运动比拟为热分子运动，引入颗粒温度０　
作为描述粒子随机运动动能的变量，并定义颗粒温度　
为颗粒脉动速度的平方的１／３倍　Ｊ．建立粒子的本构　
方程，从而封闭固相动量方程．式中，固体的压力　代　
表粒子间相互碰撞产生的法向力．　

景（讯　）＋Ｖ。（　）　］＝　

（　，＋　Ｖ　）：Ｖ　＋Ｖ・（　Ｖ　）一　＋　＋ｐ　．　
气相和固相应力分别为　
，’　
下　＝　［Ｖｖ　＋（Ｖｖ　）　一　（Ｖｖ　）］，，　

丁　＝（一Ｐ　＋　Ｖ・　），＋　｛［Ｖ　＋（Ｖ　）　。］一　
９　
÷（Ｖ・　），｝．　

固体压力：Ｌｕｎ　ｍｏｄｅｌ　
Ｐ　＝８，ｐ　＋２ｇｏｐ　２（１＋ｅ）＠，