1超微粉碎机粉碎腔的结构特性和工作原理
11粉碎腔的结构
粉碎腔主要由粉碎盘、齿圈、分级叶轮、分流罩及粉碎部分的主要部件模型和外观模型分别如、所示，运行结构参数和模拟参数分别见和。
1运行结构参数参数数值转子直径/mm1300锤刀数/个12转子转速/（rmin-1）600、1200、2000锤刀与齿板间隙/mm8
2模拟参数参数值物料处理量/（kgh-1）3000物料的密度/（kgm-3）850空气进口压力/atm1物料进口速度/（ms-1）05出口压力/atm0894
网格划分
网格划分是直接影响模拟精度和效率的关键因素之一。该模型采用适应性较好的四面体非结构网格。由于受到网格数量和计算精度的双重限制，网格划分时运用分块结构化的方法，在有小尺寸存在或需要精密计算的部分进行局部加密，而在模型相对规则或计算相对简单的部分则适当加大网格，从而保证模型的计算精度并合理减少计算量。在网格划分比较困难的区域，如空气进口间隙处和旋转壁面部分等，采取由面网格到体网格的方法，并运用网格自适应技术，多次试验得到相对准确的网格模型。
边界条件设置
各边界条件设置为：1）空气进口：选取压力进口边界条件（pressureinlet）；2）物料进口：选取速度进口边界条件（velocityinlet）；3）空气和物料出口：选取压力出口边界条件（pressureoutlet）；4）静止壁面：采用Fluent默认的固壁条件（wall）；5）旋转壁面：在壁面边界条件中设置旋转方向和旋转速度（wall）；6）动、静流体区域的交界面：在Gambit（网格生成软件）中定义为壁面边界条件（wall），导入Fluent后改为内部边界（interior）。
数值计算方法
选择3D隐式分离求解器。模拟时，将整个粉碎腔内的流场分为两个互相连接的流体区域，粉碎部分设为旋转区域，其他部分设为静止区域，采用多参考系模型进行计算。压力使用Standard离散格式。动量方程、湍动能方程和湍动能耗散率方程均采用二阶离散格式，压力和速度场的求解使用SIMPLEC算法，迭代收敛标准设置为10-3.
射流源定义
130型超微粉碎机粉碎的初始物料粒径一般都小于1mm，粉碎后的物料粒度大都要求95%通过80目（即粒径为0178mm）。为了综合考虑粉碎腔内流场的分布情况和固体颗粒的运动情况，颗粒粒径的最大值和最小值分别设为1mm和01mm.对于粉碎过程而言，颗粒尺寸的典型分布是RosinRammler分布，即颗粒的全部尺寸被分成足够多的尺寸组，每个尺寸组由一个平均粒径来表示，颗粒的轨道即依据此代表粒径来计算。该分布假定颗粒直径d与大于此直径的颗粒的质量分数Yd之间存在指数关系为：Yd=exp
n=ln（-lnYd）ln（d/d）
式中：n为非均匀性指数；d为特征尺寸。
从粉碎后的物料中选择有代表性的10组颗粒进行数据拟合，可得到颗粒的RosinRammler分布曲线，再由式（5）进行计算，可得到d=042m.将Yd与d/d的数值代入式（6）并计算平均值，可得n=178.
将射流源定义为面射流源，颗粒类型选择惯性颗粒（inert），颗粒密度设为850kg/m3，质量流率为083kg/s.
模拟结果及其分析
转速的影响
、、所示分别为在粉碎腔内转速为600r/min、1200r/min和2000r/min的空气入口的流线图。因为物料是通过空气带动流出粉碎腔，所以出料阶段可以近似地将气/固两相流场简化为气体的单相流场，空气的流线图也可以大体反映出气/固两相流场的流动情况。由可看出，物料粉碎后随空气上旋流动，经过分流罩分流之后，进入出口流出。分流罩的作用是分隔由空气进口处进入并向上流动的气流，和由物料入口处进入并下落的待粉碎物料，防止二者互相冲突影响入料和出料而降低粉碎效率。由也可以看出，向上的气流大部分都集中在分流罩的外部，处于其内部的气流很少，而通过控制物料在入口时的速度，可以使物料进入粉碎腔后从分流罩内部通过，这就从理论上证明了分流罩的分流作用。把、、进行对比可看出，600r/min时气流的运动最为缓和，旋流作用最不明显；2000r/min时气流运动最为激烈，旋流作用最强；1200r/min时的运动情况介于上述两者之间。当转速较低时，锤头和齿圈对物料的击打粉碎作用会相对减弱，从而降低粉碎效率；转速过高时，物料因受空气强旋流作用的影响会使环流层现象加剧，粉碎好的物料不能及时出料而被过度粉碎，使粉碎效率降低。这与已被实践证明的速度最佳值理论刚好吻合。就粉碎效率而言，粉碎盘转速不是越大越好或越小越好，而是有一个最佳值，在转速取最佳值时粉碎效率最高。
粉碎腔内流场的分析
2所示为1200r/min时粉碎腔内流场的分布情况。
所示为锤刀和齿圈处的静压分布图。从中可以看出，靠近锤刀处压力较高，齿圈部分的压力随齿形呈现交变的特性。物料的粉碎就是由靠近锤刀处的击打作用和齿圈间隙处交变应力的作用共同完成的。所示为锤刀附近的速度分布矢量图。由中可以看出，靠近锤刀的地方速度较高且方向复杂，而远离锤刀的地方速度方向基本上沿着粉碎盘切线的方向，这种分布情况有利于物料在靠近锤刀处与锤刀的撞击粉碎。所示为齿圈处的速度等值线图。由可以更清楚地看出锤/齿间隙处空气流动的交变特性。这一方面有利于物料与齿圈的摩擦粉碎，另一方面也可在一定程度上起到破坏环流层的作用。
齿圈处的速度等值线图0所示为粉碎腔横截面处的速度等值线图。
由0可以看出，粉碎部分的流场整体上呈现层流特性，只有锤刀、齿圈等局部区域流体运动情况才较为复杂。1所示为粉碎腔剖截面处的速度等值线图。
由1可以看出，粉碎腔内流场的速度基本上是由内而外逐渐增大的。2所示为出口处的速度分布矢量图。由2可以看出，自下而上，出口处的速度逐渐增大，且方向基本上沿同一旋向（与粉碎盘旋向相同）。因为条件的限制模拟中简化了分级部分，实际上分级叶轮的旋转方向与图示方向相反。当颗粒进入分级范围以后，叶轮的反方向旋转会使颗粒产生一个离心力，符合要求的小颗粒物料因为离心力较小随空气进入出料口，而大颗粒物料由于受到的离心力较大则被甩回粉碎区重新进行粉碎。
颗粒相轨道的分析
13所示为一个待粉碎颗粒在粉碎区域的颗粒轨道图形。从3中可以看出，颗粒由于受到锤刀的击打而在粉碎盘上不断碰撞、来回运动。单个颗粒没有考虑颗粒之间的耦合因而比较简单。大量颗粒的运动由于受空气旋流作用的影响会形成环流层。为了破坏环流层，在设计过程中可以采用改变粉碎腔形状的方法，如国内普遍采用水滴形、椭圆形等类型的粉碎腔；也可以改变粉碎腔的内部结构，如增设齿板等。另外，提高出料效率也是很关键的一个因素，因为及时出料可以防止物料的过度粉碎，提高出料效率的方法包括采用新式高效的筛网或使用无筛式气流分级的方式等。
4和5所示为由入料口射入的不同粒径的颗粒群轨道模型，其中4所示为大颗粒的运动，而5所示的是小颗粒的运动。从4、5的对比中可以看出，物料进入粉碎腔以后，大颗粒物料碰撞作用非常明显，而小颗粒物料只在粉碎区域做短时间停留便被空气带到出口，这与实际情况相吻合。
结论
1）本文首次使用数值模拟的方法对超微粉碎机内的粉碎过程进行了研究，利用Fluent软件采用k双方程模型及随机颗粒轨道模型，对粉碎腔内气/固两相三维流场进行了数值模拟。
2）模拟结果直观显示了固体颗粒被粉碎的过程，得到了压力、速度等值线图、矢量图和流场流线图，同时还得到了不同粒径在相同转速下的颗粒运动轨迹，使粉碎腔内部流场中存在的各种现象可视化，为该类粉碎机结构和参数的优化提供了理论依据。
3）本文数值模拟的结果与实际情况基本符合，但由于事先做了一些假设，又对分级叶轮部分进行了简化，所以计算结果并非足够精确，只能对设计工作起到框架性的指导作用，若发挥更大的价值，还需要在此基础上做进一步的研究。
随着超微粉碎技术应用领域的不断拓宽，粉碎过程的深入研究已经显得越来越重要。在当今传统的研究方法很难再取得突破之时，数值模拟作为一种新的研究方法必然会发挥越来越大的作用。通过设置不同的初始条件和边界条件，研究不同结构参数和操作参数下的粉碎流场，进而研究这些参数的改变对粉碎效率的影响，可以在对比和总结中不断地实现设备结构参数与操作参数的优化。
