梗签二次分离装置内气固两相流的数值模拟研究及结构设计

论文摘要

烟草专卖局在2013年印发的《国家烟草专卖局关于推进企业精益管理的意见》中提出“精益管理,控本增效”的要求,然而在卷烟生产中为保证卷制质量达到工艺要求,原卷接机组分离出的梗签混合物中通常含有20%以上的成品烟丝,这部分烟丝直接由除梗系统送入除尘房,造成烟丝浪费。为解决梗中含丝率高这一问题,国内外学者进行了大量研究,虽然一定程度上降低了卷接机组的梗中含丝率,但仍然存在一些缺陷与不足,如改进后对卷接机组的整体性能造成一定的影响、改造费用高、安装维护不方便、装置尺寸偏大影响安装布局、因风选路径过长造成烟丝造碎率增大、烟丝水分散失严重等。本文针对上述研究存在的不足,综合运用真空悬浮分离技术、离心分离技术等多种分离方法,设计了一种外置式梗签二次分离装置,其结构简单,保养、维修方便,不需额外动力源,不改变原卷接机组外观结构。本文的具体研究内容如下:（1）分析原ZJ17卷接机组分离烟丝的工作机理,找出导致梗中含丝率高的原因,提出改进方案。用Solidworks软件对梗签二次分离装置的重要部件进行三维建模,包括真空悬浮腔、离心分离腔、梗签收集器等。（2）用ANSYS Workbench对不加入烟丝颗粒下悬浮腔腔体内的气流进行仿真,分析有无弹丝松散机构、弹丝松散机构的位置、挡风块的个数、矩形腔体下端收口的宽度以及上端收口到矩形腔体的高度等参数的改变对真空悬浮腔内气流的影响。（3）通过研究气固两相流理论,结合项目实际情况,选择确定性颗粒轨道模型对真空悬浮腔体内烟丝颗粒的运动轨迹进行仿真分析。用FLUENT软件来分析连续的气相流,EDEM软件分析离散的颗粒流,充分考虑烟丝、梗签、壁面之间的碰撞,用CFD-EDEM耦合的方法,考虑离散颗粒相与连续气相流之间的相互作用。设计3因素3水平的正交试验,分析影响悬浮腔分离烟丝效果的主次因素,并获得一组最优的数据,实现悬浮腔的结构优化。（4）在最优结构下对悬浮腔内烟丝颗粒的运动进行仿真分析,分析烟丝梗签的运动状态,并计算出梗中含丝率。安装试验样机进行试验,检测梗签二次分离装置分离烟丝的效率,对比分析仿真结果与试验结果,检测安装梗签二次分离装置之后是否对卷接机的卷制质量产生影响。加装本文设计的梗签二次分离装置后,试验测得ZJ17卷接机组平均梗中含丝率下降到1.80%,仿真测得平均梗中含丝率为2.79%,仿真结果与试验结果平均偏差为23.03%。结果表明:（1）仿真结果与试验结果基本吻合;（2）本文设计的梗签二次分离装置分离烟丝效果显著。

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Abstract

第一章绪论

1.1 课题来源及研究背景

1.1.1 烟草的起源及我国烟草行业的发展

1.1.2 问题的提出

1.2 烟草行业专业术语介绍

1.3 国内外研究现状

1.3.1 改变卷接机组的工艺参数来降低梗中含丝率

1.3.2 改变原卷接机内部结构来降低梗中含丝率

1.3.3 加装外置式梗丝分离装置来降低梗中含丝率

1.4 气力输送及其在烟厂中的应用

1.4.1 气力输送的发展及研究现状

1.4.2 气力输送的分类

1.4.3 气力输送的特点

1.4.4 气力输送在卷烟工业中的应用

1.5 现存在的问题

1.6 研究的技术方案

1.7 课题主要研究的内容

第二章基本理论与方法

2.1 计算流体力学概述

2.2 计算流体力学基本理论

2.2.1 控制方程

2.2.2 湍流模型及数值模拟方法

2.2.3 控制方程的离散化

2.2.4 初始条件和边界条件

2.3 气固两相流基本理论

2.3.1 真空悬浮腔内颗粒的受力

2.3.2 气力输送中气固两相流的主要研究方法

2.3.3 气力输送中气固两相流常用的湍流模型

2.4 CFD-EDEM耦合理论

2.5 本章小结

第三章梗签二次分离装置的设计及三维模型的建立

3.1 梗签二次分离装置的工作原理

3.2 计算机辅助设计概论及主要三维建模软件的介绍

3.3 真空悬浮腔的设计

3.4 离心分离腔的设计

3.5 其它重要部件的设计

3.6 本章小结

第四章真空悬浮腔内气相流的仿真分析

4.1 仿真软件的介绍

4.2 仿真计算过程介绍

4.2.1 建立仿真环境

4.2.2 流体域建模及参数设置

4.2.3 求解器选择及边界条件的设置

4.3 弹丝松散机构对真空悬浮腔气流的影响

4.4 挡风块对真空悬浮腔气流的影响

4.5 矩形腔体下端收口宽度对真空悬浮腔气流的影响

4.6 上端收口到矩形腔体的高度对真空悬浮腔气流的影响

4.7 本章小结

第五章真空悬浮腔内颗粒流的仿真分析及结构优化

5.1 CFD-EDEM耦合仿真

5.2 正交试验设计

5.3 正交试验数据分析

5.4 最优结果仿真验证

5.5 最优结构下颗粒的运动特性分析

5.6 本章小结

第六章梗签二次分离装置烟丝分离效率实验及结果分析

6.1 实验材料及仪器

6.1.1 实验材料

6.1.2 实验仪器

6.2 测试方法

6.3 实验测试结果及分析

6.3.1 实验测试结果

6.3.2 实验结果分析

6.3.3 实验结果与仿真结果对比分析

6.4 本章小结

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张皓天

导师: 李浙昆

关键词: 梗签二次分离装置,梗中含丝率,气固两相流,耦合

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,轻工业手工业

单位: 昆明理工大学

分类号: TS43;O359

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.000061

总页数: 96

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