吳旭輝，周健震，張 鑫，李 軍，王海濱，王興國

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學 機械電子工程學院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引言

與普通的鋼制軸承相比，氮化硅陶瓷軸承具有壽命長、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和超高速等優(yōu)異性能[1-4]。但氮化硅陶瓷軸承仍存在著脆性較差等缺點，這與制備的氮化硅陶瓷粉粒存在著制粒效果差、制粒結(jié)構(gòu)單一等缺陷有關(guān)[5-7]。粉粒流動相對較弱，會形成固體旋轉(zhuǎn)區(qū)，導致粉粒出現(xiàn)打旋現(xiàn)象[8-9]。對制粒結(jié)構(gòu)進行多維度改進可以增強粉粒的流動性，提高制粒效果[10-11]。

國內(nèi)外學者對氮化硅粉粒氣-固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場制粒方法進行了大量研究工作，但到目前為止，國內(nèi)外氮化硅粉粒氣-固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場制粒方法仍未在氮化硅粉體行業(yè)獲得普遍的推廣[12-14]。因此，需要對氮化硅旋轉(zhuǎn)耦合場制粒生產(chǎn)工藝或結(jié)構(gòu)進行改進。近年來氮化硅陶瓷粉體制備工藝的改進成為相關(guān)學者研究熱門。Qian 等[15]采用計算流體力學和離散單元法耦合模擬纖維介質(zhì)中的氣-固兩相流動特性，纖維介質(zhì)的過濾性能與孔隙率速度和粒徑有重要關(guān)系；盧洲等[16]采用計算流體力學與離散單元法耦合方式模擬彎管內(nèi)柱狀顆粒的氣力輸送過程，對彎管內(nèi)柱狀顆粒的運動狀態(tài)、碰撞特性、力學特性進行了研究；潘傳久等[17]認為有擋板的攪拌槽內(nèi)流場比沒有擋板的攪拌槽內(nèi)流場更為充分；Hao 等[18]采用RNG k-ε 湍流模型對帶折流板攪拌槽流動特性進行模擬。結(jié)果表明，擋板不僅增加了槽內(nèi)液體的軸向循環(huán)，而且增加了徑向循環(huán)，有利于液體的混合。

基于前人研究基礎(chǔ)，采用CFD-DEM 耦合的數(shù)值分析方法，構(gòu)建歐拉-歐拉氣-固兩相流模型分析空氣與氮化硅粉粒的相互作用。利用RNG k-ε 模型模擬耦合場制粒室內(nèi)的湍流運動狀態(tài)，探索多維度組合結(jié)構(gòu)對耦合場制粒工藝過程流場的影響，對設(shè)計及優(yōu)化耦合場制粒方法具有一定的指導意義。

1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過程模擬區(qū)域簡化

圖1(a)為多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)示意圖。起始加入氮化硅陶瓷軸承粉粒高度L4為80 mm。制粒室高度L1為320 mm，直徑T 為Φ240 mm。制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)直徑d2為Φ132 mm，厚度L3為6 mm。制粒立柱高度L5為20 mm，直徑d3為Φ6 mm。壁結(jié)構(gòu)相切于制粒室壁面，呈長方體結(jié)構(gòu)。壁結(jié)構(gòu)L2為290 mm，壁結(jié)構(gòu)d1長度為10 mm。底結(jié)構(gòu)垂直于制粒室底面，底結(jié)構(gòu)L6長度為10 mm，將底結(jié)構(gòu)d4長度分別設(shè)為30 mm、35 mm、40 mm。壁結(jié)構(gòu)與底結(jié)構(gòu)平行，圖1(b)為A-A 處的徑向截面圖。制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)、底結(jié)構(gòu)、壁結(jié)構(gòu)形成多維度耦合組合結(jié)構(gòu)。

圖1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of multidimensional coupling Silicon Nitride ceramic bearing powder granulation chamber structure

2 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過程物理模型構(gòu)建

2.1 模型建立

多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。多維度耦合結(jié)構(gòu)相對來說比較復雜，先采用SolidWorks 軟件對其進行模型建立，而后利用ICEM 軟件建立多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室。該耦合場制粒室的計算區(qū)域可以分為靜態(tài)計算區(qū)域與動態(tài)計算區(qū)域這兩個區(qū)域。將制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)和制粒立柱附近5 mm 范圍處的區(qū)域設(shè)為動態(tài)計算區(qū)域，其他區(qū)域可以設(shè)為靜態(tài)計算區(qū)域。動靜態(tài)計算區(qū)域所重合的面設(shè)置為兩區(qū)域的交界面，其它位置都設(shè)為壁面。

圖2 耦合場制粒室的結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of coupled field granulation chamber

2.2 參數(shù)設(shè)置

表1 為多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室邊界條件參數(shù)設(shè)置。將制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)與制粒立柱的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1200 r/min，耦合場制粒室轉(zhuǎn)速設(shè)置為60 r/min，與攪拌主軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。

表1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室邊界條件參數(shù)設(shè)置Tab.1 Boundary conditions setting parameters of multidimensional coupled silicon nitride ceramic bearing powder granulation chamber

2.3 網(wǎng)格劃分

圖3 顯示了多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室網(wǎng)格劃分示意圖。將耦合場制粒室的靜態(tài)計算區(qū)域劃分成尺寸為6 mm 的六面體網(wǎng)格，劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為67943 個，動態(tài)計算區(qū)域劃分成尺寸為4 mm 的高度混合四邊形網(wǎng)格，劃分出的網(wǎng)格數(shù)量為46147 個。

圖3 耦合場制粒室網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid generation of coupled field granulation chamber

3 數(shù)值求解過程

超細的氮化硅粉粒在耦合場制粒室內(nèi)的運動情況可以當做擬流體來處理?？梢杂脭?shù)學模型來表示流場的運動情況，通過連續(xù)性方程與運動學方程來表述流場的運動情況。連續(xù)性方程可以反應(yīng)流體運動與流體質(zhì)量分布之間的關(guān)系，是質(zhì)量守恒在流體力學中的應(yīng)用。運動學方程就是描述流體運動和它受到作用力之間關(guān)系的基本數(shù)學式[19-20]。采用的連續(xù)性方程與運動學方程如下：

(1) 連續(xù)性方程

式中，u表示流體在x方向上的速度；v表示流體在y方向上的速度；w表示流體在z方向上的速度；ρ為流體密度；t為時間。

(2) 運動學方程

式中，fx為單位質(zhì)量力；P為壓力；vx為流體在x方向上的速度；vy為流體在y方向上的速度；vz為流體在z方向上的速度；ρ為流體的密度；t為時間。

采用Fluent 軟件對多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制粒室內(nèi)粉?；旌锨闆r進行流場分析，建立了歐拉-歐拉雙流體模型來模擬氮化硅陶瓷軸承粉粒在制粒室內(nèi)的流場分布。將滑動網(wǎng)格模型應(yīng)用于動態(tài)計算區(qū)域，將多參考坐標系模型應(yīng)用于靜態(tài)計算區(qū)域。利用RNG k-ε模型進行湍流狀態(tài)分析。變量收斂殘差應(yīng)小于1.0×10-4。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過程體積分布云圖分析

圖4 為不同底結(jié)構(gòu)長度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒體積分數(shù)軸向云圖。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=30 mm 時，氮化硅粉粒在耦合場制粒室中的體積分布占總體積的79 %，大于0.18 的氮化硅粉粒體積分數(shù)占22 %。大部分氮化硅粉粒集中在攪拌主軸周圍，還有小部分集中在耦合場制粒室壁面。處于0.16—0.18 之間的氮化硅粉粒體積分數(shù)主要集中在耦合場制粒室壁面和底部區(qū)域，耦合場制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=35 mm 時，氮化硅粉粒在耦合場制粒室中體積分布占總體積的81 %。大于0.18 的氮化硅粉粒體積分數(shù)占11 %，存在于耦合場制粒室底部。氮化硅粉粒的堆積量較小，堆積現(xiàn)象有所改善。處于0.16—0.18 之間的粉體體積分數(shù)，主要集中在耦合場制粒室壁面，部分存在底部。耦合場制粒室底部壁部有部分堆積物，底部有少量堆積現(xiàn)象。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=40 mm 時，耦合場制粒室中氮化硅粉粒體積分布占總體積的79 %。大于0.18的氮化硅粉粒體積分數(shù)占20 %，耦合場制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。處于0.16—0.18 之間的氮化硅粉粒體積分數(shù)，主要集中在耦合場制粒室壁部，部分存在旋轉(zhuǎn)室底部。耦合場制粒室壁部有少量堆積物，底部有部分堆積物。綜上所述，不同底結(jié)構(gòu)長度的耦合場制粒室內(nèi)氮化硅粉?？傮w積分數(shù)基本相同。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)為35 mm 時，氮化硅粉粒在耦合場制粒室內(nèi)的堆積相對少一點。

圖4 不同底結(jié)構(gòu)長度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒體積分數(shù)軸向云圖Fig.4 Axial nephogram of powder volume fraction of multidimensional coupling silicon nitride ceramic bearing with different bottom structure length

4.2 多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒制備過程速度場分析

圖4 為不同底結(jié)構(gòu)長度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒軸向速度云圖和速度矢量云圖。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=30 mm 時，氮化硅粉粒在制粒立柱附近速度大于0.9，占總體積的7.1 %，速度分布面積占總體積的74 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度方向基本上沿著徑向運動。方向沿著耦合場制粒室壁向攪拌主軸移動，然后進入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，增強了氮化硅粉?；旌线^程。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒有部分沿著軸向運動。氮化硅粉粒首先沿制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端移動，加大混合趨勢。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=35 mm 時，從速度云圖可以看出，氮化硅粉粒在制粒立柱附近的速度大于0.9，占總體積的8.2 %。速度處于0.7—0.9 之間，主要集中在制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)和耦合場制粒室周圍，速度分布面積占總體積的79 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度有明顯的梯度差。氮化硅粉粒沿制粒室壁向攪拌軸移動，進入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，進一步增強了混合趨勢。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒沿軸向劇烈運動。首先沿耦合場制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端方向移動，增加了混合趨勢。當?shù)捉Y(jié)構(gòu)d4=40 mm 時，氮化硅粉粒在制粒主柱附近的速度大于0.9，占總體積的7.8 %。速度分布面積占總體積的76 %。從速度矢量云圖可以看出，底結(jié)構(gòu)上方的氮化硅粉粒速度方向基本上是徑向的。氮化硅粉粒沿耦合場制粒室壁向攪拌主軸移動，進入制粒柱形鉸刀結(jié)構(gòu)，增強了氮化硅粉粒的混合過程。壁結(jié)構(gòu)側(cè)面的氮化硅粉粒沿軸向劇烈運動。氮化硅粉粒首先沿制粒室壁上升，然后向攪拌主軸下端移動，增大了粉粒混合趨勢。綜上所述，當?shù)捉Y(jié)構(gòu)為35 mm時，多維度組合結(jié)構(gòu)可以更好地改善耦合場制粒室內(nèi)打旋現(xiàn)象，提升了氮化硅陶瓷軸承粉?；旌闲Ч?。

圖5 不同底結(jié)構(gòu)長度的多維度耦合氮化硅陶瓷軸承粉粒軸向速度云圖和速度矢量云圖Fig.5 Multi dimensional coupled axial velocity and velocity vector nephogram of silicon nitride ceramic bearing powders with different bottom structure lengths

5 結(jié)論

(1) 當?shù)捉Y(jié)構(gòu)長度為35 mm 時，多維度組合結(jié)構(gòu)更有利于氮化硅陶瓷軸承粉粒的軸向運動。氮化硅粉粒沿軸向劇烈運動，形成明顯的速度梯度差，增大了混合趨勢。氮化硅粉粒在耦合場制粒室底部的堆積現(xiàn)象減少，有效改善了打旋現(xiàn)象，提高了氮化硅陶瓷軸承粉粒的制備效果。

(2) 采用氣—固兩相流旋轉(zhuǎn)耦合場制粒方法，建立歐拉雙流體模型模擬氮化硅陶瓷軸承粉粒混合過程。利用RNG k-ε 模型模擬耦合場制粒室內(nèi)的湍流運動狀態(tài)，探索多維度組合結(jié)構(gòu)對耦合場制粒工藝過程流場的影響。該方法對設(shè)計及優(yōu)化耦合場制粒方法具有一定的指導意義。