气力输送系统流动特性CFD模拟分析

气力输送系统流动特性CFD模拟分析摘要管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。粉体的气力输送是利用气体为载体,在管道或容器中输送粉体物料的一种方法,在气力输送中,混合介质是气体和粉粒体,一般使用的气体是空气,当要求输送的物料不能被氧化时,使用氮气或惰性气体,因而属于气固两相流。本课题采用以实验为主，以理论分析和数值模拟为辅的方法，系统研究T型分支管道气固两相流输送系统中，整体升扬管道高度对管道内流体变化的流动特性的影响。后来为了模型更接近实际，本文绘制的T管道模型接近实验管道，主要是模拟分支管道内部流体情况，模拟输送过程中的一种情况并与实验结果对比。本文主要对气固两相流管网输送的产生历史、国内外发展状况、基本原理和应用等内容进行了较详细的介绍，同时对本课题的研究意义及前景进行详细论述。在水平T型分支管道中，用压缩空气作为输送介质，在保持气体流量分别为60m3/h和0.22Mpa，分别改变发送压力和流量，对流体流动特性的变化情况进行分析和研究。关键词：气固两相流；管网分流；压降；流体流动特性AbstractPneumaticconveyingpipeisanewdiscipline'sburgeoningandtheedgediscipline,itisusedasacarriergaspressureintheclosedpipelinetotransportbulkormoldingitems.Powderpneumaticconveyingistheuseofgasasthecarrier,inapipeorcontainerconveyingofpowdermaterialisakindofmethod,inthepneumaticconveying,mixedmediumisgasandpowdergranule,thegeneraluseofthegasisair,whenthematerialsrequestcan'tbeoxidation,usingnitrogengasorinertgas,whichbelongstothegas-solidtwophaseflow.Thistopicbasedontheexperimentisgivenpriorityto,withtheoreticalanalysisandnumericalsimulationiscomplementarymethod,systemresearchTbranchpipegas-solidtwophaseflowconveyingsystem,theoverallrallyinpipeheightchangestheflowcharacteristicoffluidinsidethepipeline.Inthispaper,themainofgas-solidtwophaseflowpipelinetransportationhistory,developmentsituationathomeandabroad,thebasicprincipleandapplication,etcwasintroducedindetail,atthesametime,researchsignificanceandtheprospectofthisprojectarediscussedindetails.InthelevelofTbranchpipe,usingcompressedairasmedium,inkeepingthegasflowis60m3/hand0.22Mpa,respectively,respectivelysendpressureandflowchange,thechangesinthecharacteristicsofthefluidflowanalysisandresearch.Keywords：Gas-solidtwo-phaseflows；Pipenetworksystem；pressuredrop;Resistancecharacteristic1绪论管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压缩气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。这种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。直到现在,不管是在理论方面还是在实际应用方面,许多问题远未得得到很好地解决。粉体的气力输送是利用气体为载体,在管道或容器中输送粉体物料的一种方法,在气力输送中,混合介质是气体和粉粒体,一般使用的气体是空气,当要求输送的物料不能被氧化时,使用氮气或惰性气体,因而属于气固两相流。1.1课题的研究背景气力输送因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小、管网布置灵活、生产率高，结构简单，可升可降，操作方便，长距离输送不受地域影响的特点，而且在输送过程中可以汇合、分流、混合、粉碎、分级、干燥、冷却除尘、化学反应等工艺操作，过程封闭既保证物品不受潮、污损或混入异物，又能满足环境保护的要求等优点，已成为普遍适用的利用有压管流输送粉粒状物体的新兴的输送技术。气力输送技术发展至今已有100多年的历史,在化工、发电、制药、食品、机械制造、饲料、建筑、冶金等领域广泛应用[i]。气力输送技术己有一百多年的发展历史。早在1810年Uedhu-rst就提出了邮件气力输送方案,1824年Vallanse最先建立了气力输送实验装置。1853年欧洲出现第一个气力输送装置,但由于当时科学技术和工艺水平的限制,气力输送技术在较长的时间内没能得到广泛的应用。只局限于某些大码头上的装卸。1924年Gasterstaedt研究过气固悬浮体管内流动。但是许多经验和研究成果分布在各个部门,交流不多。有意识的总结归纳所遇到的各种现象,用气固两相流的统一观点系统地分析和研究,则是1940年后才开始。两相流(two-phaseflow)的名词在1949年才见诸文献。五十年代以后论文数量显著增加,内容包括两项流边界层、流态化技术、激波在两相流混合介质中的传播、空化理论、喷管理论等。1956年Ingebo研究了颗粒群阻力系数试验公式[2]。1961年Streeter主编的流体力学手册有专门的一节介绍两相流。六十年代后,越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。早期的工作有Marble，Murray，Pabton等[3]。20世纪60年代,英国Bardford大学的Dr.Williams建立了粉粒技术研究院,并创刊了PowderTechnology杂志。Cambridge大学的J.F.Davidson和D.Harrison1971年出版了Fluidization.Klinzing在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究,Tsuji,Y在气力输送气固两相流动的数值计算方面作了大量的工作。Zenz就气一固流动特性进行了广泛的研究,提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式,前苏联学者克列因、高尔得什琴、李克洛夫斯基等对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础,进行了散粒体结构力学的基本问题研究,包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。井尹固赫、俊腾获得了在水平输送线上固体和气体的速度分布,Wen对水平中曳力和压降进行了实验研究,提出了气固存在滑动。1970年,日本学者久保辉一郎、水渡英二,对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。1985年,近尺正敏、金棒孝文针对颗粒间作用力进行了深入地研究。上憧具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法,建立管道颗粒流动的运动模型,试图得到一种解析解,建立了许多不合理的假设,分析了可利用的理论速度,但与实际情况相差很大,其方法不适用于非均匀悬浮流管流[4]。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动,以及考察含有颗粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息,如探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等,关于这方面的研究成果,有1965年Einstein的有效粘性理论,1975年Tchen提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论。颗粒流的研究得到了迅速的发展,这方面Savage、Lun等都做出了相应的论述。VonKarman学院的Lourenco等人所进行的气固两相紊流运动模型的研究有独特的地方。将固相与稀薄气体分子运动相比拟,用方程描述,而气相用连续介质模型描述。对稀相管道紊动两相流,所应用的运动模型的数值计算结果与实验能够很好符合。两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观和宏观描述两相流动。1.2气力输送系统的分类在气固两相流中，当输送空气表观气速较高时，物料处于悬浮状态，在气流输送中呈均匀分布；当输送气速降低，物料开始积聚，部分物料在管道中开始大量积聚，呈集团脉动状态输送；当输送风速降低到一定程度，物料堵塞界面，形成不稳定的料栓；再降低输送风速，不稳定的料栓将成为稳定的料栓，有空气的压力推动输送。基于物料的运动状态的不同气力输送系统一般可以分为一下四类：（1）稀相气力输送稀相输送是最传统的气力输送方式，气流速度12～40m/s之间，料气比在1～5之间，最大可达15，输送效率在10～20t/h之间。被输送物料的质量流量与输送气体的质量流量之比较小，物料颗粒之间的间距较大，气体的输送压力较低，输送速度较大，系统磨损较大，输送效率低，能耗大。（2）密相气力输送在气力输送密相输送时，物料在管道内已不再均匀分布，呈密集状态，但管道并未被物料堵塞。气流速度在8～15m/s之间。料气比的变化范围很大,高压输送与高真空吸送的料气比大致在15～50之间，而对于易吸气的粉料，料气比可高达200以上,流态化输送。输送效率一般在20～50t/h。（3）栓流气力输送这种输送是目前气力输送中一种较好的中等距离的输送方法。它是人为地把料栓预先以气力切割程较短的料栓，气栓把料栓相间的分开，以静压推动料栓连续前进，这样就提高了料栓速度，降低了输送压力，减少了功率消耗，并增加了输送距离。此外，尚有将密集状物料连续不断地充塞管内而形成料柱作短距离输送。（4）集装容器式气力输送按装料容器的不同分为无轮的传输筒和有轮的集装容器车两类。它类似于栓料气力输送，是利用空气的压力使传输筒或集装容器车在管道内快速输送【5】。1.3气力输送系统的特点从气力输送的输送机理和相关实践可以看出它的一系列优点：输送效率较高、设备构造简单、维护简单方便、易于实现自动化以及有利于环境保护等。概括起来气力输送主要有以下的优点：（1）与其他散状固体物料的输送设备相比,气力输送系统是小颗粒固体物料连续输送最合适的输送设备,同样也适于间断地将大量的颗粒物料从罐车、铁路车辆和货船输送至贮仓。（2）可充分利用空间。带式输送机、螺旋输送机、埋刮板输送机等输送机械实质上是朝一个方向输送,而气力输送系统可以向上、向下或围绕建筑物、大的设备及其他障碍物输送物料,其输送管可高出或避开其他装置或设备所占用的空间。（3）所采用的各种固体物料输送泵、流量分配器以及接受器的操作非常类似于流体设备的操作,因此大多数气力输送关系很容易实现自动控制,由一个中心控制台操作。（4）与其他散状固体物料的输送设备相比,其着火和爆炸的危险性小。（5）设计比较好的气力输送系统常常是干净的,并且消除了对环境的污染。在负压输送时,任何一处的空气泄漏都是向内的,因此物料的污染就可限制到最小。（6）输送物料可以散装,操作效率高,包装和装卸费用低。（7）设备简单,占地面积小,可充分利用空间,设备的投资和维修费用少。（8）可以实现由数点集中送往一处,或由一处分散送往数点的远。（9）对于化学性能不稳定的物料,可以采用惰性气体输送。（10）利于安全生产,改善车间卫生条件,防止灰尘、粉尘的外扬,有利于环境保护。但在实践过程中还存在以下缺点：（1）与其他散状固体物料输送设备相比,气力输送系统动力消耗较大,特别是稀相气力输送系统。（2）使用受到限制。气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还需要能自由流动的物料。如果成品不允许破碎,则脆性的、易于碎裂