锂电生产中应用CFD技术优化研磨机结构

陈璟¹ 邓宁² 吴国勇³ 周金卿^4，5

（1 柳州职业技术学院 机电工程学院，广西 柳州 545005 ；2 柳州城市职业学院 机电与汽车工程系，广西 柳州 545036 ：3 广西科技师范学院 食品与生化工程学院，广西 来宾 546100 ： 4 柳州蓓蒂芬科技有限公司 技术中心， 广西 柳州 545000 ；5 柳州市豪杰特化工机械有限责任公司 技术中心，广西 柳州 545005）

摘 要：应用CFD技术一款新型研磨机结构进行优化，针对3种不同结构，设计了三个CFD方案：（1）项目1：中间大两侧小；（2）项目2：中取消两边大；（3）项目3：中间小两侧大。CFD分析的目的，是帮助工程师选择最佳结构，或从分析中获得结构优化的方向。研究结果表明：通过仿真计算，直观地获得了反应釜内研磨机周围的流体速度分布云图和流线轨迹；通过粒子示踪法，模拟了制胶原料在研磨机作用下的分布状态，以预测研磨机的分散效果，以便于在实际锂电浆料制造过程中选择最佳的研磨机核心部件。

关键词: 锂电浆料制备；研磨机；Flow Simulation；流体分析；CFD

Grinding Machine Structure Optimization via CFD Technology

¹ CHEN Jing, ²DENG Ning, ^3,4,5ZHOU Jinqing

( 1 LiuZhou Vocational & Technical College, Liuzhou，Guangxi 545006，China ; 2 Liuzhou City Vocational College, Liuzhou，Guangxi 545036，China ; 3 Guangxi Science & Technology Normal University, Laibin，Guangxi 546199，China ;  4 Liuzhou Beidifen  Technology Co.，Ltd, Liuzhou，Guangxi 546100，China ;

5 Liuzhou HUGEST Chemical Machinery Co., Ltd, Liuzhou, Guangxi 545005，China)

Abstract：CFD technology was employed to optimize a new type grinding machine. Three projects were designed to analyze three different structures: (1) Project 1: with a big middle sheared disc & two small side sheared discs; (2) Project 2: with no middle sheared disc & two big side sheared discs; (3) Project 3: with a small middle sheared disc & two big side sheared discs. The aim of CFD analysis is to help engineers to choose the optimal structure or to find out the direction of structure optimization. The results showed that with the simulation, the velocity flow contours and flow trajectories could be obtained to show the flow details inside the grinding machine. Particle studies were also run to predict adhesive particles dispersion effects of these 3 kinds of models, so that the best structure of the plate would be chosen.

Key Words： Lithium battery production；Grinder； Flow Simulation； Fluid Analysis；CFD

0前言

研磨机广泛应用于油漆、涂料、染料、油墨、塑料以及绝缘材料等化工行业原料的湿式研磨粉碎机械，具有粉碎、分散、乳化、均质等多种功能，广泛应用于科研、试验、配方及粉碎微量调试及生产中。为了在制胶过程中使物料混合得更均匀，备过程需要使用研磨机可将已初步混合的原料进一步均质。研磨机为非标准件，尤其是超细研磨要求高端设计，而研磨机结构设计是否合理，分散效果是否良好，在过去，都需要经过物理实验来验证，引入计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析可预测研磨机设计合理性，大大缩短产品开发周期。本文既是针对柳州豪杰特一款新型研磨机，进行研磨机内流场分析，为整机的改进设计提供参考。首先，对研磨机内部件大致结构定型，在此基础上，设计了三个CFD项目，预测并对比在三种不同结构的研磨机作用下的分散效果^[1-2]。

1 分析部分

1.1 分析软件及数模

本分析优化设计使用专业的CFD软件SolidWorks Flow Simulaiton，由广西新维力科技有限公司提供使用权；

为了高效且均匀地研磨锂电浆料原料及电池浆料原液，由柳州市豪杰特化工机械有限责任公司设计出一款高效研磨机本，因此本文涉及的研磨机模型由柳州市豪杰特化工机械有限责任公司提供。

1.2 项目设计及前处理

为了方便对模型进行前处理，加快计算速度，减小计算机的资源消耗，需要对研磨机简化处理，详见图1研磨机内部结构。本研磨机主要有旋转主轴1、分散棒2、中间分散盘3、研磨篮4、研磨珠5、侧旋转轴6、侧分散盘7几个主要零部件组装在反应釜内。该研磨工作原理是：研磨篮4固定，旋转主轴1与分散棒2及中间分散盘3联接，大量研磨珠5散置于研磨篮4内，当旋转主轴1旋转时，带动分散棒2及中间分散盘3旋转，同时研磨珠5也间接被带动旋转，研磨珠尺寸大于研磨篮网间隙，因此只能在篮内运动，大量研磨珠之间相互碰撞摩擦更有助于研磨。此外，在研磨篮4外，还设计了两个侧分散盘7，有利于带动反应釜内整体流体流动。

1.2.1 数值模拟假设

研磨机内简化后，使用SolidWorks Flow Simulation软件进行流体网格划分。本数值模拟基于开放状态下的CFD湍流模型，分析对象是计算域内的流体设为水。为了简化问题，设置选用标准κ-ε两方程模式计算，并对计算对象作如下假设：（1）固体区与流体区物性参数均设为常数；（2）流动设湍流；（3）将桶从上剪短，以节约计算域大小及网格数量；（4）忽略流体温度的影响（5）因研磨珠量大，且仅在研磨篮内运动，本文仅流体在整个反应釜内的运动轨迹，因此将分析时将研磨珠去掉^[1,3-7]。

1.2.2初始设置及边界条件

初始设置：长度单位为mm，分析类型为内部流动，选用基于压力的求解器；选用隐式迭代算法；选用κ-ε模型作为湍流模型；选用一阶离散格式；压力-速度耦合算法选用SIMPLE算法。

边界条件设置：分散盘区设定为旋转区域，转速为1150 rpm(从上往下看，顺时针方向)，釜内壁和底面设置为固定的壁面边界，液面设为大气压(环境压力)默认初始条件。三个CFD项目明细详见表1，各项目除所列的结构不同，其他设置完全相同，流体设为水（对于比较研磨效果，流体高粘度或与水区别不大，详请参见笔者发表的多篇运用CFD技术文章）。

1.2.3网格划分条件

因研磨篮上有间隙，启用狭长通道细化，狭长通道中的网格数设为4，细化级别为2。

全局在采用自动设置下，“初始网格的级别”设为5级精度即可，因研磨机板厚度为2mm，则“最小壁厚”可设为1mm，滤板附近网格可细化，选择“优化薄壁面求解”，盘1和盘2周围的旋转区域设定了局部细化网格，以获得关键部位的更细小的网格。经网格划分后，得到80多万个流体网格和50多万个部分网格（即固体与流体边界的网格），网格总数大致为150多万，详见表2。

1.3 CFD后处理表征

求解收敛后，采用粒子示踪法、速度云图、流线轨迹等后处理方法来模拟胶体溶液中悬浊液及物料粒子随气流的运动状况。

2结果分析

2.1 速度分布云图

图2是3个项目取前视图得到的速度云图，图3是3个项目取前视图得到的速度矢量云图，对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）研磨篮内，项目3流体运动最剧烈，项目1和项目2区别不大；（2）在研磨篮下方，由于项目2没有中间分散盘，流体运动最不剧烈，项目1和项目3区别不大；     （3）对比流体从研磨篮内流向篮外的区域，项目1不稳定，项目2范围小，项目3范围大而均匀。

图4是3个项目取右视图得到的速度云图，图5是3个项目取右视图得到的速度矢量云图，对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）研磨篮内，项目3流体运动最剧烈，项目1和项目2区别不大；（2）在研磨篮下方，由于项目2没有中间分散盘，流体运动最不剧烈，项目1和项目3区别不大；（3）对比流体从研磨篮内流向篮外的区域，项目1不稳定，项目2范围小，项目3范围大而均匀；（4）从整个反应釜的釜底流体运行情况来看，项目3流动范围最广。

2.2研磨机内流线图

图6是初始设20条轨迹线的3个项目在反应釜内前视流线图，对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）反应釜内，项目1流体运动最不剧烈，项目2和项目3区别不大；（2）从这个视角观察，认为项目2和项目3的侧分散盘釜内下方的流体运动有积极影响，而项目1不明显。图7是初始设10条轨迹线的3个项目釜内前视流线图，轨迹线少，有助于观察研磨篮内的流体状况。对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）在研磨篮内，项目3流体运动最剧烈，项目1次之，项目2流体运动并不剧烈；（2）从这个视角观察，认为项目2和项目3的侧分散盘釜内下方的流体运动有积极影响，而项目1不明显，这与图6的结论一致。

图8是初始设20条轨迹线的3个项目在反应釜内右视流线图，对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）反应釜内，项目1流体运动最不剧烈，项目2和项目3区别不大；（2）从这个视角观察，认为项目2和项目3的侧分散盘釜内下方的流体运动有积极影响，而项目1不明显。图9是初始设10条轨迹线的3个项目釜内右视流线图，轨迹线少，有助于观察研磨篮内的流体状况。对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）在研磨篮内，项目3流体运动较均匀，项目1和2区别不大；（2）从这个视角观察，认为项目2和项目3的侧分散盘釜内下方的流体运动有积极影响，而项目1不明显，这与图9的结论一致。

2.3 研磨篮内的粒子示踪

图10是初始设500粒子的3个项目在反应釜内粒子示踪图，对比（a）、（b）、（c）三个图，能清楚观察到：（1）反应釜内，项目1粒子运动最不剧烈，项目2和项目3都比较剧烈；（2）从这个视角观察，认为项目2和项目3釜内下方的粒子运动比较剧烈，项目1不明显。图11和图12分别是初始设20条轨迹线的3个项目在反应釜内粒子示踪的前视图和右视图。能观察到的现象与图10是一致的。另外，经分析，本文还初始设1000粒子进行了对比分析，所观察的现象也与图10是一致的，因篇幅有限，在此不再赘述。

3 结语

本文通过对比（1）项目1：中间大；（2）项目2：中取消两边大；（3）项目3：中间小两侧大三个CFD项目，得出以下结论：

（1）从速度分布云图来看，项目3无论是在整个釜内还是在研磨篮内，流体运动速度都是最剧烈的，项目2其次，项目1最不剧烈。

（2）从流线图分析来看，釜内项目1的流体运动最不剧烈，项目2和项目3区别不大，但在研磨篮内，项目3的流体运动最剧烈。

（3）粒子示踪分析可知，釜内项目1的流体运动最不剧烈，项目2和项目3区别不大。

综上所述，项目3的分散混合效果最佳，项目2次之，项目1最弱。但是，从经济成本来看，相对于项目3，项目2中间少了一个分散盘，而分散效果仅比项目3差一点，却节约了成本。此外，为提高混合效果，两侧的分散盘尽量选择大号。

（4）遗憾的是，研磨篮内研磨珠的互相摩擦对研磨的影响目前尚无法模拟，也望各技术专家来信研讨。

作者简介：陈璟（1984—），女，汉族，广西柳州人，材料加工工程专业硕士，讲师，主要从事流体分析CFD、模具优化设计等研究；

通讯作者：吴国勇（1967-），男，壮族，广西柳州人，高级工程师，主要从事高分子材料和可再生资源高值化处理技术研究。

[基金项目] 2016年广西中青年教师基础能力提升项目（KY2016Y640）、2015年教育部人文社会科学研究青年基金项目（15YJC880058），2015年广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能15122001-2-8），2015广西职业教育教学改革（桂教职成[2015]22号）等项目资助。

参考文献

[1] 陈璟，谢帮灵，吴国勇，等. 基于CFD分析汽车三元催化器[J]. 环境工程, 2015, (12): 90-94.

[2] 陈璟，邓宁，邱伟华，等. 应用CFD技术优化进料球阀[J]. 中国锂电浆料, 2016, (2): 16-20.

[3] 陈璟，谢帮灵，周金卿，等. 应用SolidWorks Flow Simulation优化定子结构[J]. 中国锂电浆料, 2014, (11): 7-10, 32.

[4] 陈璟，余恒建，韦建敏，等. 基于SolidWorks Flow Simulation乳化头效果分析[J]. 粘接, 2014, (2): 52-56.

[5] 陈璟,阮月丽,余恒建,等. 基于CFD技术优化乳化头转子结构[J]. 粘接, 2014, (10): 77-82.

[6] 陈龙，陈璟，李志海，等. 基于SolidWorks Flow Simulation优化球阀结构[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2014, (9): 60-63.

[7] 陈璟，周金卿，李行可，等. 基于“SolidWorks”软件的“Flow Simulation”插件选择分散盘[J]. 中国锂电浆料, 2013, (12): 13-16.