摘要：【目的】針對渦流空氣分級機補氣效果不佳的問題，尋求最優(yōu)補氣方案?！痉椒ā坎捎肍luent軟件對渦流空氣分級機進行流場仿真，探究不同補氣結(jié)構對氣流滯留能力、均勻性、分散性的影響，以及對應分級機的顆粒分級效果。【結(jié)果】仿真結(jié)果表明，Model 2在導流罩上方增添擋風環(huán)結(jié)構，有效遏制氣流流失，顯著提升補氣氣流在錐殼內(nèi)部的滯留時間，d50較Model 1減小0.62μm；Model 3在補氣結(jié)構內(nèi)添置導流葉片，減弱氣流沖擊并增加氣流分散效果，d50較Model 2減小2.88μm；Model 4、Model 5將補氣結(jié)構進出氣區(qū)域在豎直方向上錯開，保證氣流有充足的滯留空間，進而阻止氣流快速擴散；Model 5采用補氣結(jié)構出氣區(qū)域下置方案，利用錐殼壁面為氣流導向，軸向速度分布更加合理，氣流分散性及分布均勻性最好。【結(jié)論】對比5種補氣結(jié)構的粒徑累積占比分布曲線，Model 5的d50為28.5μm，略大于Model 3的27.3μm，但在0～20μm粒度區(qū)間段，Model 5的曲線位于Model 3下方，說明Model 5對大米粉細顆粒的分級效果優(yōu)于Model 3，綜合來看，Model 5對大米粉的顆粒分級效果最佳。

關鍵詞：渦流空氣分級機；補氣結(jié)構；氣流滯留能力；均勻性；分散性

中圖分類號：TB44；TQ324.8文獻標志碼：A

引用格式：

顧毅楠，吳永澤，俞建峰，等.渦流空氣分級機補氣結(jié)構設計及流場仿真［J］.中國粉體技術，2024，30（5）：158-170.

GU Yinan，WU Yongze，YU Jianfeng，et al.Air supply structure design and flow field simulation of turbo air classifier［J］.China Powder Science and Technology，2024，30（5）：158?170.

渦流空氣分級技術是繼離心式、旋風式分級技術之后的第三代氣流分級技術，因具有較高的分級效率和分級精度而被廣泛應用于化工、制藥、食品加工業(yè)等粉體加工領域［1-2］。渦流空氣分級機內(nèi)部設置有高速轉(zhuǎn)動的分級輪，通過分級輪的高速旋轉(zhuǎn)形成渦流場，利用渦流對粗、細顆粒產(chǎn)生的離心力不同來完成粉體顆粒的分級［3］。目前，國內(nèi)外學者對渦流空氣分級機的顆粒分級技術的研究主要集中在操作參數(shù)、結(jié)構參數(shù)對分級效果的影響。

在探究操作參數(shù)對分級效果的影響方面，Hui等［4］在三分選組合式分級機上進行顆粒分級實驗，發(fā)現(xiàn)了分級粒徑隨轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速的增加而減小的規(guī)律。Esmaeilpour等［5］研究了進出口壓降對分級機產(chǎn)量及分級粒徑的影響。Curtis等［6］研究了二次進風結(jié)構對分級機流場及顆粒分級效果的影響并結(jié)合實驗確定了最佳的二次風進風量。從物料性質(zhì)入手，學者們也探究了氣粉混合比［7］、粉體相對濕度［8］對分級效果的影響。Huang等［9］采用單因素法和響應面法對微細粉體進行分級實驗，確定了到達最佳分級條件時的分級輪轉(zhuǎn)速、物料進給速度及分級機傾角。

在探究結(jié)構參數(shù)對分級效果的影響方面，學者們以分級輪為研究對象，研究了分級輪葉片長度［10］、葉片形狀［11］、底盤結(jié)構［12-13］、葉片內(nèi)部擋流板結(jié)構［14］對分級機流場及分級效果的影響。為了改善分級區(qū)域附近的粉末分散性，Yu等［15］設計了一種圓柱尾端的導流葉片結(jié)構。Li等［16］對新型動態(tài)分級機進行研究，發(fā)現(xiàn)增加導流錐可以減少分級腔內(nèi)的渦流的發(fā)生，使氣流路徑更為合理。Guizani等［17］對細粉出口區(qū)域進行改進設計，研究了細粉出口形狀及數(shù)量對氣體流場及顆粒分級效果的影響。張宇［18］比較了4種進氣布局方案，發(fā)現(xiàn)進氣口為雙向?qū)ΨQ進風且進氣方向與轉(zhuǎn)籠旋轉(zhuǎn)方向一致時，分級腔內(nèi)流場較穩(wěn)定，分級效果更好。胡壽高［19］研究了二級進風腔結(jié)構對流場及分級效果的影響。

綜上所述，大部分學者主要以分級輪結(jié)構及導流組件為研究對象，對補氣結(jié)構的研究較少。不同補氣結(jié)構對氣流的滯留能力、產(chǎn)生補氣氣流的均勻性及分散性不同。較好的補氣效果指的是補氣氣流能有效地擴散在周圍空間中，能夠充分覆蓋至整個區(qū)域，在分級機中部區(qū)域形成一個均勻、向上的氣流，更有利于提升細顆粒的懸浮能力，而粗顆粒自身重力大于氣流向上的托舉力，可以順利下落。本研究中從渦流空氣分級機的補氣結(jié)構入手，研究補氣結(jié)構對氣流滯留能力、均勻性、分散性及顆粒分級效果的影響，為渦流空氣分級機補氣結(jié)構的設計提供新思路。

1分級機模型前處理

1.1三維建模與流域劃分

根據(jù)渦流分級機實物，使用SolidWorks軟件建立渦流空氣分級機的三維模型，如圖1所示。分級機主要由進料管（feed pipe）、分級輪（rotor cage）、補氣結(jié)構（aeration structure）、卸料結(jié)構（discharge structure）、氣流出口結(jié)構（air outlet structure）、筒體（shell）等組成。關鍵部分的尺寸進料管內(nèi)徑為100 mm，氣流出口內(nèi)徑為125 mm，補氣口圓形開口內(nèi)徑為10 mm，分級輪底端直徑為103 mm，頂端直徑為153 mm，高度為195 mm。將三維模型導入SpaceClaim軟件經(jīng)前處理后得到4個流體區(qū)域，分別為氣流出口區(qū)域（air outlet regior）、分級輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域（rotating region）、補氣區(qū)域（aeration）、機架區(qū)域（rack region），接著建立坐標系并對邊界進行命名，如圖2所示。分級輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域為動區(qū)域，內(nèi)側(cè)與氣流出口有一交界面，外側(cè)與機架區(qū)域有一交界面，兩交界面負責傳遞分級輪旋轉(zhuǎn)信息。補氣區(qū)域結(jié)構較復雜，其網(wǎng)格劃分尺寸比機架區(qū)域小，流場信息傳遞主要通過上側(cè)與機架區(qū)域相交區(qū)域。

綜合考慮氣流流動特性與分級機結(jié)構特點，構建5種不同的補氣口結(jié)構，如圖3-6所示。如圖3所示，Model 1在補氣氣流進口平面增添了一錐形導流罩（cone shell），以此來減少氣流沖擊并引導氣流順時針轉(zhuǎn)動。如圖4所示，Model 2在Model 1的基礎上，在錐形導流罩上方增添了一擋風環(huán)（windshield ring）結(jié)構，阻止氣流進入補氣平面后順著導流罩壁面向上逃逸，增加氣流水平方向的滯留時間。如圖5所示，Model 3在Model 2原結(jié)構的基礎上，在錐殼內(nèi)增添導流葉片（flow guide blade）且導流葉片順時針傾斜均勻布置，提升補氣氣流的分散性及方向性。如圖6所示，Model 4與Model 5將進氣平面與出氣平面分開，保證擁有足夠的氣流滯留與氣流分散區(qū)域。Model 4與Model 5相同點為在出氣平面布置導流葉片。Model 5與Model 4的區(qū)別：Model 4進氣平面在下，出氣平面在上，而Model 5進氣平面在上，出氣平面在下。

1.2網(wǎng)格劃分與獨立性驗證

考慮到該分級機模型的結(jié)構較為復雜，為了保證數(shù)值模擬的精度、計算迭代速度以及網(wǎng)格的貼體性，這里采用Fluent Meshing軟件中的多面體蜂巢型網(wǎng)格。其次，在網(wǎng)格劃分的過程中，需要對模型進行網(wǎng)格獨立性分析，確定適量的網(wǎng)格數(shù)量，保證流場信息隨網(wǎng)格數(shù)量的增加基本不發(fā)生數(shù)值波動。本研究中選取45萬、61萬、76萬、81萬、103萬5種網(wǎng)格數(shù)量，研究網(wǎng)格數(shù)量對進出口壓降、氣通量以及剖面面積加權平均速度的影響。將XOY平面作為監(jiān)測平面A，監(jiān)測該平面上面積加權平均速度的變化情況。

由圖7（a）、（b）可知，當網(wǎng)格數(shù)量大于或等于81萬時，渦流空氣分級機的進出口壓降及氣通量變化幅度較??；由圖7（c）可知，當渦流空氣分級機的網(wǎng)格數(shù)量增加到81萬，其豎直全剖面處面積加權平均速度偏大且與103萬網(wǎng)格模型的數(shù)值較為接近。綜合考慮，本文中的計算模型的網(wǎng)格數(shù)量確定為81萬，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示，分別給出了分級機整體、旋轉(zhuǎn)交接區(qū)域與補氣區(qū)域的網(wǎng)格，各流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分質(zhì)量，如表1所示。

2求解器設置

本文中采用ANSYS Workbench 2022 R1平臺中的Fluent（帶有Fluent網(wǎng)格劃分）模塊，采用穩(wěn)態(tài)方法求解，湍流模型選擇重整化群k-ε（Re-normalization group k-ε，RNG k-ε）模型，顆粒相仿真采用離散相模型（discrete phase model，DPM）。壓力速度耦合方法采用SIMPLEC算法，空間離散的壓力項采用Standard算法，控制方程的對流項皆采用二階迎風格式。

2.1連續(xù)相湍流模型

為了能夠更加準確地預測流場中的湍流現(xiàn)象，提升數(shù)值模擬的精度，本研究中采用RNG k-ε模型。RNG k-ε模型中湍流動能k項的輸送方程為

+=αkμeff+Gk+Gb-ρε-YM+Sk，（1）

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能；ui為流體速度；xi、xj為空間坐標；αk為湍流動能的普朗特數(shù)；μeff為有效湍流黏度；Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動能；ε為湍流耗散率；YM為可壓縮流中脈動對總耗散率的影響系數(shù)；Sk為用戶定義的源項。

RNG k-ε模型中湍流耗散率ε項的輸送方程如下：

?（ρε）?t

?（ρεui）?xi

=（αεμeff）+C 1ε（Gk+C3εGb）-C2ερ-Rε+Sε，（2）

式中：αε為湍流耗散率的普朗特數(shù)；C 1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗模型系數(shù)；Rε為針對不同雷諾數(shù)情況下的湍流黏度修正項；Sε為用戶定義的源項。

2.2離散相顆粒模型

本文中涉及的粉體運輸方式為稀相輸送，顆粒在空氣中的體積占比遠小于10%，顆粒對流場的影響可以忽略不計，故采用DPM單向耦合模型。顆粒在流場中遵循牛頓第二定律，離散相粒子的軌跡主要通過力平衡的積分來求解，其微分方程為

mp=mp+mpg+F，（3）

式中：up為顆粒速度；u為連續(xù)相的速度；τr為顆粒的弛豫時間；g為重力加速度；ρp為顆粒密度；ρ流體密度；F為附加力；mp為顆粒質(zhì)量。

2.3邊界條件及離散相仿真設置

邊界條件設置：進口風速為15 m/s；出口負壓為-3 000 Pa；補氣口進氣壓為0。分級輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用MRF模型，分級輪轉(zhuǎn)速為500 r/min，方向為順時針。其中湍流邊界條件采用水力直徑（流道截面積的4倍與周長的比值）與湍流強度（5%）。壁面的邊界條件設置為：氣流出口為escape；落料口為trap；分級輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，方向為順時針；其余壁面皆設置成無滑移反射壁面。

3結(jié)果分析

3.1分級機整體流場分析

圖9展示了具備5種不同補氣結(jié)構的渦流空氣分級機在監(jiān)測平面A上的氣流運動軌跡，通過分析監(jiān)測平面A上的速度流線圖，可以了解不同補氣口結(jié)構對渦流空氣分級機整體流場的影響。從整體流場來看，5種結(jié)構在分級區(qū)域內(nèi)外側(cè)的流場分布相似。氣流由進料管進入分級機，經(jīng)導流錐分流至分級區(qū)域，一部分氣流沿著葉片下部的間隙進入分級輪，另一部分氣流順著葉片向上爬升，遇到壁面反彈后形成漩渦。導流錐左側(cè)區(qū)域氣流方向整體向上，右側(cè)區(qū)域形成順時針的二次上升氣流，該氣流將顆粒團中未被分級輪篩分完全的細顆粒重新攜帶至分級區(qū)域以進行二次篩分。粗顆粒因氣流跟隨性較弱而隨二次上升氣流減弱，擺脫氣流控制從補氣結(jié)構外側(cè)與壁面的間隙處墜落，在落料口被收集。

在補氣結(jié)構上部出氣區(qū)域，Model 1及Model 2的補氣結(jié)構內(nèi)側(cè)靠近進料管壁面區(qū)域出現(xiàn)了局部區(qū)域氣流下行運動的現(xiàn)象，不利于細顆粒上浮。而Model 3、Model 4及Model 5的相同區(qū)域處氣流上行運動趨勢明顯，有利于增加細顆粒的懸浮時間，補氣效果明顯好于前二者。

3.2補氣區(qū)域流場分析

3.2.1補氣區(qū)域水平速度場分析

在5種補氣結(jié)構各自的出氣平面處建立垂直Y軸的監(jiān)測平面B，研究不同補氣結(jié)構的氣流滯留能力及出氣均勻性。監(jiān)測平面B具體設置為：Model 1、Model 2、Model 3在Y=110 mm處；Model 4在Y=139 mm處；Model 5在Y=101 mm處。

圖10中的5種不同補氣結(jié)構都考慮到了補氣氣流對流場穩(wěn)定性的影響，為減少對分級機整體流場的擾動，都采用了補氣口對稱布置的補氣方式，使補氣氣流方向與分級輪旋轉(zhuǎn)方向一致。從圖10（a）—（c）可以看出，補氣氣流以極高的速度從兩側(cè)補氣口進入分級機，隨著流道截面積的增加，流速迅速衰減，流至錐形壁面后順著壁面順時針旋轉(zhuǎn)。

由圖10（a）可知，Model 1在其補氣結(jié)構內(nèi)側(cè)中心區(qū)域形成了橢圓狀的速度分層，橢圓形輪廓外側(cè)氣流速度大，隨著進氣量的增加，氣體受擠壓向內(nèi)流動，進入橢圓形輪廓內(nèi)側(cè)區(qū)域。由圖10（b）可知，Model 2在Model 1的基礎上在錐形導流罩上方增加擋風環(huán)結(jié)構，有效遏制了氣流從錐殼壁面直接流失，氣流的均勻性和分散性得到明顯改善。圖10（c）中所采用的Model 3在Model 2的基礎上增加了導流葉片，一方面減弱了氣流沖擊，另一方面保證了氣流的均勻分散；但是由于Model 3的補氣結(jié)構內(nèi)側(cè)靠近壁面區(qū)域空間狹小，氣流未充分分散便直接從導流葉片間隙流失，因此氣流的均勻性及分散性未顯著改善。Model 4與Model5將氣流進出口區(qū)域在豎直方向上錯開，在有限空間內(nèi)產(chǎn)生了更大的氣流滯留區(qū)域，其中Model 4采用了下方進氣、上方出氣的結(jié)構，而Model 5采用了上方進氣，下方出氣的結(jié)構。由圖10（d）與（e）可知，補氣結(jié)構內(nèi)側(cè)靠近進料管區(qū)域，Model 5的顏色較淺且分布較為均勻，氣流均勻性及分散性稍好于Model 4。

3.2.2補氣區(qū)域豎直方向速度場分析

不同粒徑的粉體顆粒主要通過分級輪旋轉(zhuǎn)形成的離心力及引風機抽吸提供的氣流曳力進行分級。分級輪在旋轉(zhuǎn)過程中，粒徑較大的顆粒受到更大的離心力而被分級輪甩向壁面，而粒徑較小的顆粒則被甩向中部區(qū)域，造成顆粒在分級機內(nèi)不同徑向位置上不同的粒徑分布。分級機補氣的目的是增強對細顆粒的托舉作用，增加細顆粒被分級輪二次篩分的機會，同時確保粗顆?？梢皂樌侣渲谅淞峡?，從而改善分級效果。

氣流分級機的軸向速度一定程度上反應了氣流對粉體顆粒的托舉能力，是衡量補氣效果的重要因素。在監(jiān)測平面A的不同高度（Y=200，300，400 mm，如圖1所示）分別繪制5種補氣結(jié)構的監(jiān)測線段，比較各結(jié)構在3個軸向高度不同徑向位置處的軸向速度，如圖11所示。

在圖11中，左右兩側(cè)曲線對稱性較差，左側(cè)曲線位置較高，軸向速度的整體數(shù)值大于右側(cè)曲線，這種差異可能源于進料管側(cè)邊布置。其中圖11（a）、（b）研究的是5種補氣結(jié)構對分級機進料口高度以下區(qū)域流場的影響，而圖11（c）研究的是各補氣結(jié)構對進料口高度以上區(qū)域即導流錐附近區(qū)域的流場的影響。

由圖11（a）可見，在分級機左側(cè)區(qū)域，補氣結(jié)構Model 1與Model 2在靠近進料管區(qū)域軸向速度出現(xiàn)了局部負值，且在靠壁面區(qū)域軸向速度為正且數(shù)值較大，而Model 3、Model 4與Model 5在整個分級機左側(cè)區(qū)域的軸向速度分布都較為合理，其中Model 3的軸向速度波動幅度最小，氣流均勻性最好，對顆粒分級也最有利。在分級機右側(cè)區(qū)域，Model 1與Model 2軸向速度曲線最高點出現(xiàn)在X=0.125 m處，而在靠近進料管區(qū)域軸向速度出現(xiàn)了大范圍的負值，反觀Model 3、Model 4與Model 5，在靠近進料管區(qū)域的軸向速度都為正值且曲線波動幅度較小，氣流的徑向分布與粒徑分布規(guī)律相符，補氣效果較好。

在圖11（b）中，左側(cè)曲線補氣結(jié)構Model 1與Model 2的軸向速度最高點出現(xiàn)X=-0.1 m處并向兩側(cè)遞減，Model 2在靠近進料管區(qū)域軸向速度降至負值，而Model 3、Model 4與Model 5的軸向速度分布較為合理，Model 5曲線的斜率變化最小，氣流分布的均勻性最佳。在分級機右側(cè)區(qū)域，Model 1與Model 2均在靠近進料管區(qū)域出現(xiàn)了軸向速度局部負值且數(shù)值較大，反觀Model 3、Model 4與Model 5的氣流分布較為合理。從曲線的波動幅度來看，Model 4的數(shù)值波動較為顯著，而Model 5數(shù)值波動較小，其流場較Model 4穩(wěn)定。

由圖11（c），左右兩側(cè)曲線軸向速度波動較大的區(qū)域為主氣流流經(jīng)區(qū)域，隨著徑向位置向壁面偏移，移動至X=±0.1 m附近，曲線由中部區(qū)域的陡峭段轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚?cè)區(qū)域的平緩段，軸向速度的數(shù)值波動幅度變小。當X位于-0.1～-0.3 m區(qū)間或0.1～0.3 m區(qū)間，主氣流對軸向速度的影響占主導地位，5種補氣結(jié)構軸向速度差別不大。X位于-0.2～-0.1 m區(qū)間或0.1～0.2 m區(qū)間，不同補氣結(jié)構對流場影響的差異開始顯現(xiàn)，其中Model 1在分級機左側(cè)區(qū)域的氣流分布最不合理，在X=-0.1 m位置附近，出現(xiàn)了局部負值，在X=-0.2 m位置附近軸向速度的數(shù)值達到了3 m/s，曲線呈現(xiàn)出左高右低的特點，軸向速度徑向分布與粒徑分布規(guī)律不符。比較而言，補氣結(jié)構Model 5曲線的波動幅度最小，氣流均勻性最好，補氣效果最佳。在X位于0.09～0.2 m曲線段，Model 2、Model 3與Model 5的曲線波動趨勢一致且數(shù)值波動不大，補氣效果略好于其他2種結(jié)構。

3.3落料口顆粒粒徑累積占比分析

由于大米具有較均勻的結(jié)構和成分，實驗結(jié)果的可重復性較高；其次大米作為一種日常食用品，具有普遍易得、成本低廉的特點，因此本文中將大米粉體作為原料，對大米粉體進行渦流分級實驗。

顆粒物的分布規(guī)律一般采用粒度占比函數(shù)表示，本文中采用Rosin-Rammler分布函數(shù)來模擬入料顆粒的粒徑占比形式。Rosin-Rammler分布一般用計重累積函數(shù)［20］表示，

F（d）=1-exp[-（）S]（4）

式中：F（d）為顆粒的累積占比；D為中位徑；S為傳播系數(shù)。

根據(jù)實驗測得入料顆粒的粒徑累積占比，使用計重累積函數(shù)來擬合圖12（a）中的入料的粒徑累積占比，輸入?yún)?shù)為粒徑與F（d）顆粒累積占比值，擬合得到中位徑D與傳播系數(shù)S，分別對應著Fluent軟件中的平均粒徑與分散系數(shù)，由此確定Fluent軟件入料顆粒參數(shù)，如表2所示。

圖12（a）中的黑色散點為入料大米粉的粒徑累積占比，紅色曲線為通過Origin擬合得到的Rosin-Rammler分布曲線，將Rosin-Rammler曲線中的各參數(shù)輸入DPM離散相仿真模型，便可得到大米粉顆粒的粒徑累積占比的模擬結(jié)果。圖12（b）為大米粉在Model 5結(jié)構下進行實驗與模擬的粒徑累積占比結(jié)果的對比，通過對比，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與模擬結(jié)果較為接近?？偟膩砜?，兩曲線變化趨勢一致且偏差較小，表明該計算模型在模擬實際數(shù)據(jù)和情景時具有較高的準確性和可靠性。

圖13為Model 1，Model 2，……，Model 5的粒徑累積占比模擬結(jié)果對比。在粒度為0～10μm段，5條曲線幾乎重合，Model 5曲線位于最下方，在粒度為10～20μm段，Model 5斜率最大，分級效果最好；在粒度為20～100μm段，Model 3、Model 5的曲線比較接近且整體位置靠上，意味著在此粒度段內(nèi)發(fā)射相同粒徑的顆粒，Model 3、Model 5的粒徑累積占比最大，其中Model 1曲線最靠下，分級效果較差。從切割粒徑來看，Model 1的d50最大，約為30.8μm，Model 2的d50略小于Model 1的，約為30.18μm，Model 4的d50略大于Model 2的，約為30.22μm，其中Model 3的d50最小，約為27.3μm，Model 5的d50略大于Model 3的，約為28.52μm。從曲線的位置來看，在粒度為0～20μm的細顆粒段，Model 5的曲線位于Model 3的下方，表明Model 5對細顆粒的顆粒分級效果好于Model 3的。綜合來看，在粒度為0～100μm段，Model 5對大米粉的分級效果最佳。

4結(jié)論

本文中設計了5種補氣結(jié)構，使用Fluent軟件模擬了具備不同補氣口結(jié)構的分級機的流場，通過分析速度流線圖、補氣區(qū)域水平速度云圖、軸向速度徑向占比曲線、粒徑累積分布曲線，研究了補氣結(jié)構對氣流滯留能力、均勻性、分散性及分級效果的影響。

1）Model 2在錐形導流罩上方增加了擋風環(huán)結(jié)構，有效遏制了氣流從錐殼壁面流失，顯著提升了補氣氣流在錐殼內(nèi)部的滯留時間，其d50較Model 1減小了約0.62μm。

2）Model 3在補氣結(jié)構出氣平面處增添了導流葉片結(jié)構，此舉有效減弱了氣流沖擊并增加了氣流分散效果，其d50較Model 2減小了約2.88μm；氣流滯留空間不足會導致大部分氣流直接從導流葉片間隙處流出，從而造成補氣效果欠佳。

3）Model 4、Model 5將補氣結(jié)構進氣與出氣區(qū)域在豎直方向錯開，保證了氣流有充足的滯留空間；其中Model 5錐殼內(nèi)壁面具有氣流導向作用，氣流可以順著錐殼斜向上旋轉(zhuǎn)爬升，不僅保證補氣均勻性與分散性，而且使氣流流向更加明確，軸向速度分布更合理。

4）對比5種補氣結(jié)構的粒徑累積占比模擬結(jié)果，其中Model 5的d50為28.5μm，略大于Model 3的27.3μm，但在0～20μm的細顆粒粒度區(qū)間段，Model 5曲線位于Model 3下方，說明Model 5對大米粉細顆粒的分級效果好于Model 3。綜合來看，Model 5對大米粉顆粒的分級效果最佳。

利益沖突聲明（Conflict of Interests）

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻（Author’s Contributions）

顧毅楠、俞建峰進行了方案設計、內(nèi)容總結(jié)與論文撰寫，吳永澤進行了實驗研究，錢陳豪、化春鍵、蔣毅參與了論文的審核與修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

The scheme design，content summary and paper writing were carried out by GU Yinan and YU Jianfeng.The experiment was conducted by WU Yongze.The manuscript was revised by QIAN Chenghao，HUA Chunjian，JIANG Yi.All authors have read the last version of paper and consented for submission.

參考文獻（References）

［1］盧道銘，范怡平，盧春喜.顆粒空氣分級技術研究進展［J］.中國粉體技術，2020，26（6）：11-24.

LU D M，F(xiàn)AN Y P，LU C X.Advances in research on granular air classification［J］.China Powder Science and Technology，2020，26（6）：11-24.

［2］PUKKELLA A，CILLIERS J，HADLER K.A comprehensive review and recent advances in dry mineral classification［J］.Minerals Engineering，2023，201：108208.

［3］付敏，曹眾，陳效慶，等.空氣分級技術及設備研究進展［J］.化學工業(yè)與工程，2024，41（4）：117-130.

FU M，CAO Z，CHEN X Q，et al.Research progress of air classification technology and equipment［J］.Chemical Industry and Engineering，2024，41（4）：117-130.

［4］HUI C X，LI Q，PENG J X，et al.CFD simulation and performance study of a three-separation combined air classifier［J］.Thermal Science，2024，28（2）：1589-1603.

［5］ESMAEILPOUR M，MOHEBBI A，GHALANDARI V.CFD simulation and optimization of an industrial cement gas-solid air classifier［J］.Particuology，2024，89：172-184.

［6］CURTIS R，LI X D，GENG X，et al.Manufacture of defatted canola meal with enhanced nutritive composition by air classi-fication on an industrial scale［J］.Science of Food and Agriculture，2019，100（2）：764-774.

［7］ALTUN O.Air classification performances of the components within the varied feed blends［J］.Powder Technology，2022，399：117092.

［8］POLITIEK R，HE S，WILMS P，et al.Effect of relative humidity on milling and air classification explained by particle dis-persion and flowability［J］.Journal of Food Engineering，2023，358：111663.

［9］HUANG L，YUAN J，MIAO P，et al.CFD simulation and parameter optimization of the internal flow field of a disturbed air cyclone centrifugal classifier［J］.Separation and Purification Technology，2023，307：122760.

［10］ISMAIL F，Al-MUHSEN N，HASINI H，et al.Computational fluid dynamics（CFD）investigation on associated effect of classifier blades lengths and opening angles on coal classification efficiency in coal pulverizer［J］.Case Studies in Chemi?cal and Environmental Engineering，2022，6：100266.

［11］WANG Z，YANG H，SUN Z，et al.Structure optimization of rotor cage blades for turbo air classifier based on entropy pro?duction analysis［J］.Advanced Powder Technology，2023，34（8）：104103.

［12］GUO L，LIU J，LIU S，et al.Velocity measurements and flow field characteristic analyses in a turbo air classifier［J］.Pow?der Technology，2007，178（1）：10-6.

［13］YU Y，KONG X，REN C，et al.Effect of the rotor cage chassis on inner flow field of a turbo air classifier［J］.Materials Scienceamp;Engineering Technology，2021，52（7）：772-780.

［14］BETZ M，GLEISS M，NIRSCHL H.Effects of flow baffles on flow profile，pressure drop and classification performance in classifiers［J］.Processes，2021，9（7）：1213.

［15］YU Y，LI X S，REN J S，et al.Influence of guide vane on dispersion of aggregates near the guide vane in a turbo air classi?fier［J］.Powder Technology，2024，434：119344.

［16］LI Q，MOU X，F(xiàn)ANG Y.Effects of a guide cone on the flow field and performance of a new dynamic air classifier［J］.Pro?cesses，2022，10（5）：874.

［17］GUIZANI R，MHIRI H，BOURNOT P.Effects of the geometry of fine powder outlet on pressure drop and separation perfor?mances for dynamic separators［J］.Powder Technology，2017，314：599-607.

［18］張宇.渦流空氣分級機流場模擬分析及其進氣布局優(yōu)化研究［D］.北京：北京化工大學，2022.

ZHANG Y.Flow field simulation analysis and air inlet structure layout optimization of turbo air classifier［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2022.

［19］胡壽高.粉體分級機氣固兩相流數(shù)值模擬機結(jié)構設計研究［D］.昆明：昆明理工大學，2022.

HU S G.Numerical simulation and structural design of gas-solid two phase flow in powder classifier［D］.Kunming：Kunming University of Science and Technology，2022.

［20］熊攀，鄢曙光.基于Rosin-Rammler函數(shù)的數(shù)值模擬對旋風除塵器粒徑分布規(guī)律的研究［J］.粉末冶金工業(yè)，2019，29（2）：29-32.

XIONG P，YAN S G.Research on particle size distribution of cyclone dust collector based on Rosin-Rammler function numerical simulation［J］.Powder Metallurgy Industry，2019，29（2）：29-32.

Air supply structure design and flow field simulation of turbo air classifier

GU Yinan，WU Yongze，YUJianfeng，QIAN Chenhao，HUA Chunjian，JIANG Yi

School of Mechanical Engineering，Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipmentamp;Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China

Abstract

Objective To address the poor performance of turbo air classifier，five different air supply structures were designed to find the optimal scheme to improve its classification efficiency.

Method The accuracy of the calculation model was verified through grid independence analysis and eddy current classification experiments using rice flour.The flow field of the turbo air classifier was simulated using Fluent software to explore the influence of different air supply structures on air retention capacity，uniformity，and dispersion.A discrete phase model（DPM）was used to simulate the motion trajectory of rice flour particles.The cumulative distribution of particle size at the discharge of the classi?fier was analyzed to determine the influence of different air supply structures on rice flour classification.

Results and Discussion Simulation results revealed that adding a windshield ring structure above the cone fairing in Model 2，based on Model 1，effectively reduced direct air loss from the cone shell wall，significantly increased the residence time of the replenished air in the cone shell，and reduced d50 by 0.62μm compared with Model 1.Model 3，which added a flow guide blade to the air outlet plane of the air supply structure on the basis of Model 2，weakened air impact and increased air disper?sion.The fluctuation in axial velocity value in Model 3 became smaller，and the d50 was 2.88μm lower than that of Model 2.

However，insufficient space in the air supply structure reduced airflow retention time and affected air replenishment.Acom?pletely different air supply structure was adopted in Models 4 and 5 from Model 3，with staggered inlet and outlet areas in the ver?tical direction to ensure sufficient retention space for airflow，thereby improving the residence time.The d50 of Model 4 was 30.22μm，which was 2.92μm higher than Model 3，indicating suboptimal air-replenishment performance.In contrast，Model 5 adopted a downsetting scheme for the air outlet area of the air supply structure，using the conical shell as an air flow guide.Model 5 showed less fluctuation in axial velocity，a more reasonable distribution，and the best air flow dispersion and unifor?mity.Although the d50 of Model 5 was slightly increased by 0.62μm compared with Model 3，its cumulative particle sizedistri?bution curve was below that of Model 3 in 0 to 20μm particle size range，indicating better particle classification efficiency for rice flour.

Conclusion Among the five air supply structures，the baffle structure in Model 1 had the worst air flow retention effect，with the largest d50 of 30.8μm.The windshield ring structure in Model 2 effectively reduced air loss，significantly improving airreplen?ishment，with ad50 approximately 0.62μm lower than Model 1.The guiding vane structure in Model 3 effectively weakened air impact and improved air dispersion，demonstrating the most noticeable air replenishment effect，with ad50 2.88μmlower than Model 2.Model 4，which adopted the upper scheme for the air supply structure outlet area，performed poorly，while Model 5，adopting the lower scheme，performed better.Although the d50 of Model 5 was 28.5μm，slightly larger than 27.3μmin Model 3，the cumulative particle size distribution curve was below that of Model 3，showing a better classification efficiency for rice flour particles.Overall，Model 5 performed the best in the particle size range of 0 to 100μm.

Keywords：turbo air classifier；air supply structure；air retention capacity；uniformity；dispersion

（責任編輯：吳敬濤）