烟丝气力输送系统流动特性的分析

烟丝气力输送系统流动特性分析摘要................................................................................................................IABSTRACT.....................................................................................................II主要符号表.....................................................................................................IV第1章绪论...................................................................................................11.1课题的研究背景及研究意义..............................................................11.2国内外研究现状..................................................................................21.3气力输送系统的动力学特征..............................................................31.4本文的研究工作及创新点..................................................................6第2章烟丝在管道内流动特性理论分析...................................................82.1烟丝在管道内的流动形式..................................................................82.2烟丝流动数学模型和运动方程分析..................................................92.3烟丝群在系统中压降分析................................................................152.4本章小结............................................................................................20第3章烟丝群在时间、空间模式下流动稳定性分析.............................213.1时间模式的稳定性分析....................................................................213.2空间模式的稳定性分析....................................................................253.3烟丝群最终稳定速度分析................................................................283.4本章小结............................................................................................31第4章气固两相流数值模拟分析.............................................................324.1基本控制方程....................................................................................324.2物理模型建立与网格划分................................................................344.3数值模拟............................................................................................354.4模拟结果分析....................................................................................384.5本章小结............................................................................................43第5章风力送丝系统的实验分析.............................................................445.1实验原理............................................................................................445.2实验方法和仪器................................................................................455.3实验结果及分析................................................................................485.4本章小结............................................................................................50第6章结论与展望.....................................................................................516.1本文主要研究工作............................................................................516.2展望....................................................................................................51参考文献.........................................................................................................52作者在攻读硕士学位期间发表论文目录.....................................................55致谢.............................................................................................................56摘

要气力输送的研究涉及多个学科分支，对工业生产具有重要的现实意义。气力输送在卷烟工业中应用广泛，不仅用于输送烟叶、烟丝、烟梗等原料，还能实现松散、去杂、分叶干燥、冷却、除尘等工艺。烟丝气力输送由于布置灵活、管理方便、自动控制程度高等特点。本文运用理论分析、数值计算以及试验，对烟丝气力输送的流动特性等相关问题进行了分析研究。论文首先对本课题的研究背景和立项意义进行了论述，简要介绍了气力输送系统的组成结构。对气力输送系统的特点进行了总结，从气力输送实质、动力学特征方面等对气力输送系统进行了概述。对烟丝在管道内的流动特性进行理论分析。在建立悬浮烟丝群力作用模型和烟丝群加速区的运动方程的基础上，考虑管壁摩擦力影响的悬浮固粒群在不同初始条件下的运动入手，对烟丝群在不同形式管道内的运动方程进行推导简化，并分析了其在系统中的压降特性。推导求解了在时间、空间模式下各运动参数对烟丝群输送速度稳定性的影响，分析了影响烟丝群最终稳定速度的主要因素并得出影响规律。利用Fluent软件数值模拟了柱形颗粒在不同形式管道内的流态。通过建立物理模型，选择多相流计算模型，分析了不同初始条件下颗粒的运动规律。通过将数值模拟结果和文献中实验结果相对比，说明本文所建立的模型具有一定适用性，结果预报基本上是可行的。对风力送丝系统进行试验分析，对不同输送风速条件下的烟丝整丝率、碎丝率进行测量，分析了烟丝输送速度对其的影响，探讨风力送丝系统输送风速的最佳值。关键词：烟丝；气力输送；流动特性；数值计算；输送速度IAnalysisontheFlowPropertyofPneumaticCoveyingSystemofCutTobaccoABSTRACTThepneumaticconveyingwasrelatedtoseveralaspectsandmeaniningsintheindustry.Pneumaticconveyingtechnologyiswidelyappliedtocigarette-makingfactoriesbecauseoftheflexiblearrangement,convenientmanagementandhighautomaticcontrol.Itallowsnotonlytheconveyingofrawmaterialssuchastobaccoleaves,cuttobacco,tobacco

stems

and

so

on,but

also

has

functions

of

debonding,decontmainating,leafseparating,drying,coolinganddustremoving.Inthethesis,thetheoreticalanlysis,numericalsimulationandexperimentwereusedtostudytheflowpropertyinthecut-tobaccopneumaticsystem.First,thebackgroundandsignificanceaboutthethesiswasexplained.Thenthepropertyofpneumaticconveyingsystemwassummarized.Finally,theclassificationofpneumaticconveyingsystemwasmade.Theoreticalanlysisismadeonflowpropertyofcut-tobaccointhepipe.Themotionofsuspendeddensecut-tobaccowithdifferentinitialconditionsinpneumaticconveyingsystemisstudiedbyconsideringtheeffectoffrictionforceonthecut-tobacco,andpressuredropperpertyinthesystemisanalyzed.Theinfluenceonvelocitystablebilityofcut-tobaccoisgivenoutonspaceandtimepattern.TheflowstateofcylindricalparticlesindifferentpipeissimulatedviaFluentsoftware.Themotionlawofpaticlesindifferentinitialconditionswasanalyzedbysettingupphysicalmodel.Themodelestablishedinthepresentthesis,whichhasbeenvalidatedthroughcomparingtheresultswithcorrespondingexperimentalonesinexistingpublications,isreasonableandreliable.Basedonmeasuringthewholecutrateandbrokencutrateofcut-tobaccowithIIdifferentconveyingvelocity.Theeffectrelationisanalyzedbyexperimentmethods.Theoptimalvalueofpneumaticvelocityisalsogivenoutintheend.LingXiao(Heating,GasSupplying,VentilatingandAirConditioningEngineering)DirectedbyProf.YuanGuoanKeywords:cuttobacco;pneumaticconveying;flowproperty;numericalsimulation;conveyingvelocityIII主要符号表msusauaFDFmvavfGsFsρsScs

烟丝质量,kg烟丝流动速度,m/s空气比重,g/m3空气流动速度,m/s管道断面面积,m2管道直径,m固气速度比距离无量纲参数气流的运动速度m/s烟丝悬浮速度m/s物料流量,kg/s某断面上烟丝群所占面积,m2弯管的弯曲角度颗粒密度,kg/m3Schmidt数颗粒松弛时间，s

mdtgmFamTmDvssGψρaReShN

悬浮速度比时间,s重力加速度,m/s²烟丝群管路摩擦系数,Pa/m某断面上空气所占面积,m2烟丝群容重时间无量纲参数摩擦系数,Pa/m烟丝群的运动速度m/s烟丝群与弯管壁的摩擦数,Pa/m空气流量,kg/s气流收缩系数空气密度,kg/m3Reynolds数Sherwood数风机功率，kwIV第1章

绪论1.1课题的研究背景及研究意义在工业生产中，物料的输送无处不在，且原材料或产品的输送造成的动力损耗占整个生产过程中大部分。因此选择合理的输送方式成为是否提高生产效率，降低成本及实现自动控制的关键。物料输送的方式有多种，主要分为机械输送和流体输送。机械输送指由特定的机械装置来运载物料的输送方式；流体输送是指使用空气(或是其他气体)或水(或其他液体)在管道内的流动，将物料沿着指定的路线进行输送，气力输送是流体输送中重要的一种方式。气力输送在工业生产中起着越来越重要的作用。气力输送是利用空气(或惰性气体)流动作为输送动力，在管道中输送固体物料的方法。管道两端压力差推动的气体流动直接给管内物料提供了移动所需的能量[1]。随着工农业生产的发展物料的流动日趋频繁，迫切需要寻找一些合理的

搬运方式。由于制造工艺的进展气力输送技术有了新的发展。近些年来不仅在工厂车间内部和建筑、铁路、船舶的运输作业中，对各种粉末状、颗粒状、纤维状和叶片状的物料，如面粉、水泥、谷物、煤、石灰、化肥、型砂、棉花、羊毛、烟丝、茶叶等，越来越广泛地采用了气力输送的方式；而且在邮局、商店、旅馆、图书馆等搬运频繁的场合，对于信件、票证、帐册、图书、药剂等也已有采用气力来输送的[2]。此外，滤嘴卷烟滤棒、小包卷烟、塑料瓶装食品、金属零件等成件货物，气力输送也已成为可供选用的搬运方式之一。因此气力输送系统对电力、食品、化工、钢铁、建筑材料、机械制造等行业的发展具有重要作用。特别在卷烟工业中对卷烟工艺及烟丝输送，气力输送必不可少[3][4]。气力输送系统在卷烟工业中应用广泛，主要包括风力送丝系统、风力清扫系统及梗签收集系统。但是系统在工程实际运行中存在一些问题，如烟丝破碎率偏大，管道磨损现象突出及系统耗能大等。因此对气固两相流的流动机理进行分析，结合工程应用，提出一些可实施的建议以提高系统的稳定性，经济性，具有实际意义。11.2国内外研究现状气力输送系统中的磨损主要存在于物料磨损和管道磨损。在稀相负压气力输送系统中，物料在管道内高速运动。物料间，物料和管道内壁不断发生碰撞造成物料的破损；在弯管部分，由于物料重复的在弯管某部位进行摩擦、冲击，使管道磨损严重甚至穿孔，影响生产运行。国内外学者对气力输送系统物料和管道的磨损机理，解决措施做了不少研究和实验。柳成文[5]等通过有限容积差分法，利用双流体模型对90°弯管内稀疏气固两相流固粒对壁面的磨损量进行了数值分析，结果指出固粒对壁面的磨损主要取决于壁面处的粒子分布、碰撞角度及浓度分布，并利用冲蚀模型对弯管外侧壁面上的磨损量进行计算。杨里华[6]等对烟丝气力输送过程中造碎的主要因素和面临的技术难题进行分析，提出降低烟丝造碎的可行性方案。姚军[7]等运用数值实验的方法对肋条弯管抗磨性进行分析，结果表明肋条弯管的磨损率为普通弯管的1/3，为管道磨损提供了新的解决方案。贺万华[8]对气力输送管道截面形状对烟草造碎的影响进行分析，通过理论分析和实验指出输送管道的截面形状对烟草的造碎具有相关性，圆形管道的造碎率小于方形管道，矩形管道长宽比越大，烟丝碎丝率越大。包福兵[9]等对气力输送系统管道磨损特性及耐磨性进行改进分析，提出利用T形盲管弯头的磨损小于长半径弯头，并利用双流体模型对T形盲管弯头的3维气固两相流场进行数值模拟，提出了优化的建议[10]。Lee[11]等采用欧拉方法对锅炉管道内固体颗粒的磨损进行了数值研究，计算结果与实验数据相吻合，并指出传统上模拟预测磨损采用欧拉方法的不足在于缺乏对各阶段适当边界条件的认识。Benedetto[12]等根据实验和电化学测量的数据采用CFD的方法对多相流的冲刷腐蚀进行了研究，计算了管道内流体的流动特性、颗粒的轨迹和碰撞速度等，得出颗粒对壁面的磨损率及材料表面的腐蚀速率。气力输送应用在卷烟工业中非常广泛，特别是与工艺过程相结合后，使卷烟厂的工艺和设备得到简化，目前已经成为国内外卷烟生产连续化、自动化不可缺少的装置[13]。气力输送系统按其装置形式可分为吸送式和压送式两种不同的形式，在烟丝气2力输送中，一般采用吸送式气力输送方式。这种输送方式可以有效地防止物料的散失和灰尘的飞扬，有利于降低车间的含尘浓度，并且加料口可以敞开，物料落入吸管时，不受加料地位限制，甚至可用料管直接取料。此外，采用吸气式送丝可以让烟丝在输送过程中进行松散、除尘等。烟丝气力输送技术最早出现在西欧，当时由于卷烟机械的比较落后，风机运行效率低等，采用的只是单管风力送丝技术，该系统由喂丝机，送丝管，调节阀，集丝箱和除尘器，风机等组成，每组可供十台以内卷烟机的用丝。由于一根料管同时供多台卷烟机，在最后的几台卷烟机处会出现供丝不足和烟丝造碎严重等缺陷，且噪音高粉尘大，目前基本被淘汰[13]。近些年来，随着高效率卷烟机械的出现，以及气力输送技术不断进步，从单管送丝发展到多管风力送丝，国内外对烟丝气力输送系统做了大量研究。吴磊[15]等对烟丝气力输送进行风洞实验，数据表明风洞实验系统的气流稳定性系数小于0.005时，该实验系统设计合理。实验中，烟丝的悬浮速度以概率分布曲线形式表现速度区间。丁伟[16]等利用高速摄像机对烟丝在水平管气力输送过程中的起动速度进行实测，结果表明，烟丝起动速度随烟丝密度、当量直径、输送管道直径的增加而增大,其规律可由烟丝物理性质、输送气体性质及管道特性等组成的雷诺数Re和弗鲁德数Fr之间的关系式进行表征。张雄[17]等对风力送丝系统管网工况进行模拟调节。用基本回路分析法对系统管网进行模拟调节，具有显著的优越性。干方建[18]等对烟草风力系统烟丝在气流中的受力进行了分析。席年生[19]等分析了烟丝含水率对卷制质量的影响，分析得出12.5%-13.5%的含水率比较理想。陈良元[20]对不同送丝方式与烟丝质量关系进行了分析，分别对不同送丝风速，弯头个数，风送距离和弯头曲率半径对烟丝质量的影响进行了研究。周晖[21]用有限元软件对送丝管道内不同风速的流态进行模拟，结果表明16m/s的风速下，气体流动的状态最好，可以减少烟丝的破碎。1.3气力输送系统的动力学特征近年来物料气力输送技术得到迅速的发展，但目前大部分系统仍然采用经验计3算方法进行设计。当输送物料或系统部件发生变化时，可能会使系统运行不能得到预先效果。气力输送是在一定的条件下进行的，根据物料的特性、生产工艺、输送效率和经济性等因素，正确选择气力输送类型是提高气力输送效率的关键。任何一种气力输送系统都不是通用的，都有它特定的适用范围。气力输送系统主要动力学特征如输送速度、固气比、压力损失等会对系统的稳定性、可靠性和经济性产生重要影响。1.3.1悬浮速度烟丝在管道内的沉降速度等于气流的上升速度时，烟丝就会悬浮在气流中，这是国内烟丝气力输送的主要流动形式[21]。这个气流的上升速度称为烟丝的悬浮速度[2]

。为了使烟丝在管道中运动，必须先使烟丝悬浮于气流中，因而悬浮速度是表明输送的难易程度，通常是决定输送速度的前提，也是进行系统设计计算的出发点[22]。实验指出[23][24]，受风面积的大小是影响悬浮速度值的主要原因，烟丝平均悬浮速度为3.3-3.8m/s。1.3.2固气输送比输送比是指单位时间内输送的物料量与同一时间内通过该管道的空气量之比，它是气力输送中较为主要的参数[27]。输送比可表示如下：

GSG

(1-1)式中Gs——物料流量，单位为kg/s；G——空气流量，单位为kg/s。由式1-1中可以看出固气比的物理意义是表征单位量空气所能输送物料的数量。在实际应用中，以输送比作为实际装置的设计依据。考察输送比与混合物运动时的工艺性能，以及与气力输送装置的能量损耗等关系很重要。有试验证明:输送比不仅有安全使用范围，在这范围内不会造成堵塞;而且还具有经济使用范围，在这范围内采用，运行最经济。因此，如何选择输送物料的安全和经济输送比，是复杂而4又十分有意义的问题。1.3.3输送气流速度输送气流速度也即输送风速，它是气力输送的一个重要参数。最有利的气流速度是指保证被输送的物料在所有的输送管道内均匀可靠地输送条件下、气力输送系统具有最经济的工作性能时所允许的最小气流速度。理论上在竖直管道内，输送风速只需大于物料的悬浮速度就可以实现物料的输送；在水平管道，由于物料受到各种方向力的作用，物料形状的不对称以及气流的的不稳定性等因素影响，输送风速不能以悬浮速度做依据。输送风速设计的过大，会造成物料的造碎增大，风机能耗增加；输送风速过小，物料可能沉积在管道低端，造成管道的堵塞和系统的不稳定。因此应该精确的确定合理输送气流速度，保证系统能够正常、合理的运行。在烟丝气力输送系统中，烟丝的造碎率是影响其成本的一个重要指标。实验证明，烟丝造碎率与输送气流速度呈正比例关系[18]如图1-1所示，因此如何保证烟丝能够正常输送并且使烟丝的造碎率降低是个亟待解决的问题。图1-1输送速度与烟丝造碎率关系图工程项目中，为了保证烟丝在水平管道中的输送可靠性，减少烟丝的造碎，一般垂直管道中输送风速取12-14m/s，水平管道14-16m/s。考虑装置漏风等因素，为安全起见，设计系统时一般输送风速取18-22m/s。51.3.4输送压力在卷烟工艺中，烟丝从集丝箱至吸丝带过程也是通过气力输送完成的。通过风机产生的负压，使烟丝从卷烟机的贮料区通过风分装置分离烟丝、梗签。输送负压过大，梗签受到的悬浮力大于自身重力向上运动进入吸丝带，这样会造成烟支物理参数的波动，影响质量；负压过小则会使烟丝跟梗签一起带入储梗箱，这样会增大烟丝消耗量，增加成本，还容易出现烟支空头的现象。因此输送压力在工艺气力输送过程中是一个重要的参数，论文第五章实验分析输送压力对卷制烟支物理参数的影响。1.4本文的研究工作及创新点第一章是绪论。对气力输送的发展现状进行归纳，对其分类，特点等进行论述。对烟丝气力输送的发展现状也进行了总结。不同类型的气力输送系统流动性差异很大，相互间的规律也不同。对烟丝气力输送系统的主要设计参数进行描述，为后文的分析奠定基础。第二章是烟丝在管道内流动特性理论分析。从烟丝在管道内的流动形式进行阐述，分析烟丝流动的数学模型和运动方程，得出其在水平、垂直（倾斜）和弯管内的无因次运动方程。对烟丝群在输送系统的压降进行分析，得出无因次运动方程和压降方程，为下文各参数对运行状态的影响作理论基础。第三章是烟丝群在时间、空间模式下流动稳定性分析。分析了影响烟丝群流动特性的主要设计参数如摩擦损失系数、悬浮速度比、输送气流速度等在时间、空间模式下的影响作用并得出规律。对水平、竖直管道内烟丝流动的最终稳定速度进行初步分析，通过运动方程理论分析得出结论。第四章是柱状颗粒两相流数值模拟分析。通过建立物理模型并进行网格划分，选择多相流模型中的欧拉模型，对颗粒弯管和水平、竖直直管段的流动进行模拟分析，得出管内压力分布图和颗粒体积分数分布图。第五章是风力送丝系统的实验分析。通过对不同系统管道内烟丝速度的测量，6同时测量在该速度下烟丝的整丝率和碎丝率，分析输送速度对其的影响关系，得出结论。第六章是总结与展望。本文工作的总结综述，明确今后的研究方向。文章创新点如下：(1)对风力送丝系统加速区的流动特性进行分析，建立了悬浮颗粒群力作用模型和颗粒群加速区的运动方程的基础上，对烟丝群从初始到稳定状态的全过程进行全面的探讨，得出各运动参数对其流动特性的影响规律。(2)对风力送丝系统进行试验分析，通过测量烟丝输送速度，同时测量在该风速输送前后整丝率、碎丝率的变化，定量分析了输送风速对其的影响关系并得出结论。7第2章烟丝在管道内流动特性理论分析2.1烟丝在管道内的流动形式管道内的空气速度是随半径位置变化的，在管道中心部分最大，接近管壁时迅速变小。因此烟丝在管道内位置的不同，其阻力在发生变化，流动状态也不相同。此外，烟丝在输送管道内与管壁碰撞产生跳动，烟丝之间也在不断地摩擦碰撞，这会使烟丝在输送过程中形成复杂的蛇形不规则运动。烟丝在竖直管道内运动时，其自身重力和空气悬浮力起主要作用，烟丝之间碰撞较少，只要空气流动速度大于烟丝悬浮速度，烟丝就可以顺畅的进行输送；在水平管运动时，烟丝受到气流各种力的作用影响，因此呈现出复杂的不规则运动。这些力随着烟丝物料的形状尺寸，输送管道直径，气流速度以及管道截面上的速度变化梯度的变化而发生改变。烟丝在水平管道内主要受到以下几个力的作用：1.紊流时气流的垂直方向分速度产生的力；2.输送管的截面中气流速度分布不均匀，存在速度梯度，流速大的地方动压大静压小，流速小则动压小静压大。在水平管底的烟丝会受到由于气流速度梯度而造成的静压差所产生的升力；3.由于烟丝物料粒径不同大小，长度也不相同，形状不对称，因此会受到不均匀的推力；同时由于烟丝相互之间或与管内壁的碰撞，会引起烟丝产生旋转运动。当烟丝在运动时旋转，由于空气的粘性，烟丝周围的空气被带动，从而形成与烟丝旋转方向一致的环流。在粒子上部，环流与管内气流运动方向一致，速度叠加使流速增大；在烟丝下部则相反，速度叠加使流速减小。这样，由于粒子周围的环流与气流合成造成的速度差和静压差，因此产生升力，这个力叫马格努斯力；4.由于烟丝相互之间及烟丝与输送管内壁碰撞而发生跳跃，或受到反作用力在垂直方向的分力。风力送丝系统如图2-1所示，整个系统主要部件由喂丝机、卷接机组、除尘器、风机、阀门以及控制系统组成。烟丝从喂丝机通过风机产生的负压进入卷烟机集丝8箱，起初烟丝的运动速度近视为零，系统初始管道内烟丝随时间的加速特性和随管道距离的流动特性对烟丝的输送和造碎率有直接的影响作用，对这方面的分析研究，了解烟丝在初始管道内的流动状态，对系统的优化设计和运行有着十分重要的意义。图2-1风力送丝系统简图2.2烟丝流动数学模型和运动方程分析2.2.1水平管道运动方程烟丝在水平管道内流动状况如图2-2所示，烟丝在管道内流动形式随空气速度和烟丝数量不断变化，对每个烟丝颗粒进行准确的计算几乎是不可能的，也没很大意义。图2-2管道内烟丝群受力模型我们在计算中假定烟丝群在输送管道内为均匀分布，并且将每片烟丝都看成是以同一速度运动。假定图中长度为dl管段内的力是平衡的，那么作用在烟丝群上的9阻力与管壁表面的摩擦力之差，便是使烟丝群加速的惯性力，其运动方程[27]为：ms

dusdt

FRFf

(2-1)式中

ms——烟丝质量，单位为kg；us——烟丝流动速度，单位为m/s；dt——时间，单位为s；FR——气流总阻力，单位为N；Ff——壁面摩擦力，单位为N。现在设烟丝群在该部分的阻力系数为Cm，烟丝群在与流动方向垂直的断面上投影面积总和为da㎡，其中：式中

FRCmdaa——空气比重，单位为g/m3；

a(uaus)22g

(2-2)g——重力加速度，单位为m/s²；ua——空气流动速度，单位为m/s。Ffm

D2g4

2

(2-3)式中

m——烟丝群管路摩擦系数，单位为Pa/m；D——管道直径，单位为m；m——烟丝群容重，单位为kg/m3。公式（2-1）惯性力项可以化成下式：10dlmusdlmusD2ms

dusdt

1GSggs

dl

dusdt

(2-4)将公式（2-2）、（2-3）、（2-4）分别代入（2-1）得到下烟丝群在管道内的运动方程：1GSggs

dl

dusdt

Cmdaaa2g

m

D2g4

2

(2-5)式中假设烟丝群在管内按比重m均匀分布时的悬浮运动速度为umg，这时的阻力系数为Cmg。根据阻力定律，Cm和Cmg可用下式表示：Cm

Rek

(2-6)Cmg

Reg

k

(2-7)根据雷诺数定义Re=（ua-us）d/va，Reg=umgd/va，将其代入（2-6）、（2-7）得到：cmcmg

(

RegkRe

umguaus

)k

(2-8)根据悬浮速度的定义，将公式（2-8）代入（2-5）化简可以得到：usdusgdl

(a)umg

2ms2gD

(2-9)11dlmusD2)(uus2dlmusD2)(uus2k1dusgdt

(a)umg

2ms2gD

(2-10)式中k为指数，按不同阻力法则在0~1之间变化。上述两公式分别表示以时间和距离为参考量的烟丝群在水平输送管内的运动方程式。为了简化公式，使其应用更具通用性，定义以下无量纲函数：

usua

Tm

gtumg

Fm

glumg

2m

umgua

D

mumg22gD

2mdg3CmDa将上述无量纲量代入（2-9）、（2-10）式得到烟丝群在水平管道内的无因次运动方程：ddTm

(1)2k1k

m

(2-11)ddFm

mk

(1)2kD

(2-12)2.2.2垂直（倾斜）管道内运动方程当输送管道与水平面保持一定角度时，管内烟丝在运动方向上增加或减少一个重力分力(Gad/us)sin，因次，管长为dl部分的基本运动方程可表示为：1GSggs

dl

dusdt

Cmdaaa2g

m

D2g4

2

Gus

(2-13)12uus2kD2dlmusD2sdluus2kD2dlmusD2sdlsin将无量纲函数代入（2-12）得到：ddTm

(1)2k1k

m

(2-14)ddFm

mk

2

(2-15)烟丝物料在气力输送系统中大部分管道为水平、垂直管道。在水平管道中，烟丝受到气流组织作用，在管道内壁呈跳跃性运动，烟丝之间不断撞击摩擦，这是造成烟丝破碎的主要原因；在垂直管道中，由于重力的作用，烟丝不会在管壁之间产生跳动，烟丝之间的摩擦也相对较少，因而在考虑烟丝在管道内流动特性时候重点分析水平管段上烟丝加速特性。当物料群流动时的雷诺数Re>103时，认为作用在物料上的阻力主要为牛顿力，这时候指数k为0；当雷诺数Re<10时，认为作用在物料上的阻力主要为斯托克斯力，这时候k取1。烟丝气力输送系统管道中的输送风速一般在18~22m/s之间，计算得雷诺数大于103,因此k取0。将k值代入（2-11）、（2-12）得到水平管道内烟丝群的运动方程：d(1)2dTmmm

(2-16)ddFm

1

(1)2D

(2-17)2.2.3弯管内运动方程分析上面分别对烟丝群在水平管道和竖直管道内的运动方程进行了分析。在实际工13D2msin(1D2msin(1)2kDmsinD2程应用中，弯管是经常可以见到的管段，因此分析烟丝群颗粒在弯管内的运动状态对物料的造碎和管壁磨损影响就显得尤为重要。烟丝经过弯管内运动时，由于受到离心力的影响，其运动轨迹很复杂。当管道内物料较少时，物料会与外管壁摩擦，因此对烟丝群在弯管内的流动方程进行分析时做以下简化和假设：1.假设烟丝颗粒群在弯管内运动时的曲率半径R等于弯管中心线的曲率半径。2.假设烟丝颗粒群仅与弯管外壁摩擦、碰擦。烟丝群在弯管内运动时受力分析如图2-3所示。图2-3烟丝群在弯管内的受力分析图弯管内烟丝群在运动过程中受到四个力的作用，重力dG，摩擦力df,空气推力dF以及向心力dN。这些力存在以下关系：dfsdN

(2-18)dFdG(

vvf

)

(2-19)式中

va——气流的运动速度，单位为m/s；vs——烟丝群的运动速度，单位为m/s；14vas2vas2k[31]vf——烟丝悬浮速度，单位为m/s；s——烟丝群与弯管壁的摩擦系数；K——同（式2-10）中定义。根据牛顿运动定律有：dNdGcos

dGvs2gR

(2-20)dFdfdGsin

dGdvsgdt

(2-21)由vsR

ddt

得到：

(2-22)因此由式（2-17）到（2-21）可以得到水平转垂直向上弯管内烟丝群的运动方程为：(()

vsvf

sinscos)svs

(2-23)其他四种不同的弯管布置形式（垂直向上转水平弯管、水平转垂直向下弯管、垂直向下转水平弯管、水平转水平弯管）内烟丝群的运动方程与上述建立过程完全类似，此处不再一一推导。2.3烟丝群在系统中压降分析流体流动时，在管壁中产生压力损失，这是由于流体运动时主要在管壁附近的流体中引起内部摩擦，为了克服这种摩擦而使流体继续前进，就需要消耗能量。这15dvsdvsdvsdvsdtddtRddvsdvsdvsdvsdtddtRddvsRgvavs2kd种能量损失要靠流体的压力来补偿，所以流体的压力沿着管路逐渐降低。在烟丝风力送丝系统中，由于采用负压系统，所以流体的压力沿流体运动方向是逐渐升高的。与纯流体不同，风送系统管道内输送烟丝，烟丝在管道内呈跳跃性蛇形流动，空气带动着烟丝从喂丝机输送到卷烟机组中。由于烟丝之间不断碰撞，烟丝与管壁之间也发生摩擦和碰撞滑移而损失大量的动能，降低了烟丝的运动速度，为了恢复物料的运动速度，也需要付出一定的压力损失。因此，输送烟丝时的管道压损要比纯空气大。国内外对这方面也作了较多研究。赵军[29]等对气力输送管路系统的流动特性进行研究，指出在在一定固气质量比和流速下,气固两相流的阻力损失随管径的增大而减小。在小角度范围内,上升管气力输送的阻力损失随倾斜角的增加而增大,且大于水平输送时的管道阻力；下降管中的流动阻力损失随倾角的增大而减小,并且小于水平输送管道阻力[30]。段广彬[31]等利用小米为实验材料对气力输送系统中Y形分支管的阻力特性进行分析，主管与支管夹角和气流速度是影响分支管长度压损的主要原因。T.kaull[32]等对充二氧化碳管道内的颗粒气力输送系统压降进行分析和模拟，文章分析了压力传输系数的影响系数，得出颗粒参数、管道直径和输送条件对其的影响作用。Huangyuandong[33]等对竖直管道面粉正压气力输送的压降模型进行分析，分别对6种不同的输送条件对压降进行实验分析并得出结论。D.mcglinchey[34]等利用双欧拉模型对密相气力输送的压降进行了模拟。K.Hettiaratchi[35]等对水平管道和竖直管道内的压损进行了实验比较。DavidJ.Mason[36]等对气力输送系统压降进行了模拟分析，分析了影响系统压降的各个因素。KunnHadinoto[37]利用数值模拟的方法分析了雷诺数对气固两相流在紊流状态时的影响。2.3.1烟丝运动压降方程在烟丝输送管内，空气和烟丝消耗的各种能量，都是由空气的压力能量来补偿的。在悬浮输送情况下，空气和烟丝的速度不同，产生的动能和摩擦损失也不相同，因此，消耗的能量必须分别进行计算。混合物在管道中运动时单位管段长压损为hm，纯空气压损为h，烟丝群在单位16管段长压损为hs，那么hmhhs

v2D2g

ssvs2D2g

(2-24)h(1

ssvs2v2

)

(2-25)根据输送比的定义可以知道，

G

，可以推出：s

FsFvvFvF

(2-26)式中Fs——某断面上烟丝群所占面积；Fa——某断面上空气所占面积；F——管道断面面积；=

11

FsF——气流收缩系数。FaF将式（2-26）代入（2-25）得到：hmh(1

svsv

)h(1k)

(2-27)式中k=

svsv

，物料的压损系数，烟丝k1.4~2.2[13]。式（4-4）表明，烟丝群空气混合物运动时的管道压损为纯空气运动时的（1k）倍。17GssQSsFvs11avGssQSsFvs11avaa2.3.2烟丝群通过弯管时的压损烟丝流过弯管时，纯空气压损为Pb，烟丝产生的附加压损为Pzb，那么烟丝通过弯管时的压损PPPzb。2.3.2.1纯空气压损纯空气压损计算公式为Pb

v22

，对于光滑弯管，空气的压损系数与雷诺数Re、弯曲角以及曲率半径有关。可用下式求得：DR0R0D

0.9DR0R0D

0.84式中

0——弯管的弯曲角度；b——附加系数，按弯曲角定，当弯曲角为90°时；R0D

R0DR0D

>9.85，b=1。2.3.2.2烟丝通过弯管时产生的压损烟丝通过弯管的受力图如图2-4所示。4

3u

u

FdHGsin

u

GGcosF2guv图2-4烟丝通过弯管受力示图18

D

1b当Re()2<364时，b当Re()2<364时，0.00515b0Re0.2当Re()2>36时，0.00431b0Re0.17<9.85,b=0.95+4.42()1.96；烟丝通过弯管产生的压损有以下几方面组成：(1)补偿颗粒的动能损失的压损，即加速压损Psa[2]Psa

1GsQ2g

22

(2-28)将

GsG

代入上式简化得到：Psa

2

2

(2-29)式中

umax、umin——烟丝颗粒在管道内稳定流动时的最大和最小速度，单位为m/s；K——弯管中烟丝最小和最大速度之比。(2)烟丝对管壁冲击和摩擦压损Psf由于烟丝对管壁冲击和米擦所消耗的能量，对不同弯管转向具有不同的数值。在由铅垂转向水平的弯管中，烟丝对管壁冲击和摩擦上所消耗的能量应等于空气阻力所做的功，可写为：Psfs

R02D

v22

(2-30)式中，s

2Fr2

r2Frt其中，Ro——弯管的弯曲半径，单位为m；——平均速度比。(3)克服颗粒重力所需的压损PgPgg

R02D

v22

(2-31)19umaxmin2uGGs2umaxmin2uumaxmin2uGGs2umaxmin2uumax(1k2)2F2221sin211其中，在由水平转为铅垂或在水平面内转向的弯管中，g

4FrgFr3在铅垂向上转为水平的弯管中，g

41Fr2因此，烟丝通过弯管时产生的附加压损为Psa、Psf、Pg三者之和。烟丝通过弯管时的总压损为PPPsaPsfP。2.4本章小结本章对烟丝在管道内的流动形式进行分析，分析了烟丝群在水平、竖直和弯管中的运动方程。对系统中压降进行分析，特别是烟丝群通过弯管时的压损计算进行分析，为后面章节的分析提供理论基础。20bgbg第3章烟丝群在时间、空间模式下流动稳定性分析在烟丝气力输送系统中，烟丝从喂丝机出来通过管道输送到卷烟机中进行卷接。烟丝初始入口速度近似为零，进入管道后进行加速过程，加速区的烟丝群运动影响着物料的质量和系统的运行效率。因此，分析加速区烟丝群的的流动特性是很重要的，这种特性主要表现在烟丝群运动随时间变化和输送距离变化时出现的流动状态。加速区烟丝群运动的时间度量、空间度量的确定能够更清楚的分析内部运动情况，为实际工程设计提供参考数据，对系统的优化和运行有着十分重要的意义。系统实际运行时，烟丝群在管道内成无规则蛇形运动，烟丝与管壁不断碰撞摩擦，烟丝之间也在不断的撞击，因此其运动状况是相当复杂的。目前对烟丝群在管道内的流动状态不能做到精确的分析，对其运动方程的推导也是经过简化和假设而成的，但是上述计算推导能够了解烟丝群运动加速区的运动趋势，掌握各个参数对系统运行的影响，这对本课题的进一步工作和实际工程设计运行有深远的意义。对于风力送丝系统各运动方程的推导主要使用了一下假定：（1）对于烟丝群和空气的运动，认为雷诺数Re是固定不变的。（2）对于运动方程中k、m和umg等参数，认为是恒定的，与料气比、输送速度无关。（3）对于烟丝群在水平管道运动没有考虑空气浮力因素。3.1时间模式的稳定性分析对于烟丝群在管道内在时间模式下的稳定性分析是基于上章中运动方程的简化，在入口速度为零的条件下进行分析。水平管道内烟丝群的运动方程（2-15）变形得到：d(

(1)2m

D2m

(3-1)两边积分得到：21Tm

m2D

(1D)1log()

(3-2)式中，D1。对式（3-2）进行反函数变换得到烟丝群速度与时间变量的关系方程：1e(2Tm/m)/

DD

))1

(3-3)烟丝在管道内悬浮运动的摩擦损失系数D约为1.4~2.2[13]，烟丝悬浮速度约为3.3~3.8m/s，根据工程经验，风力送丝系统水平管道内气流速度在18~22m/s之间。故m=umg/ua0.15~0.21。3.1.1摩擦损失系数对烟丝群输送速度的影响根据式（3-3），有已知取值范围的摩擦损失系数D和m，可以确定烟丝群输送速度与这两个系数随时间量Tm的变化关系，可以作出其变化规律曲线。当m取定值为0.15时，摩擦损失系数D在1.4~2.2取值时，烟丝群输送速度与摩擦损失系数D随时间变量的变化曲线如图3-1所示。(a)

D=1.4

(b)

D=1.622(1D)11e(2Tmm)(1D)11e(2Tmm)(c)

D=2.0

(d)

D=2.2图3-1时间模式烟丝群在管道内速度随摩擦系数变化图图3-2时间模式烟丝群在管道内速度变化图（m=0.15D=1.4~2.2）图3-2中所示不同形状的B~G方块表示烟丝群摩擦系数分别为1.4、1.5、1.6、1.7、2.0、2.2时烟丝群流动速度随时间的变化关系。图中可以看到烟丝群从喂丝机出来到管道口时，初始速度近似为零，随着流动时间的增加，其速度在短时间内迅速增大，达到一定速度后，加速度变小并趋于零，烟丝群流动速度趋于一稳定值。从加速的过程看，烟丝群起始加速过程为一个变加速过程，加速度变化是个非线性过程，起始加速度很大，但短时间内迅速减小直到零。图中还可以看出烟丝群在管道内流动时运动速度与摩擦系数D的关系。烟丝群稳定速度与摩擦系数D呈负相关关系，D越大，烟丝群稳定速度变小。随着摩擦23系数D的增大，加速所需的时间变短。因此，摩擦系数的影响对烟丝气力输送系统的影响是明显的，减少烟丝与管道内壁的摩擦，能够提高输送效率，降低输送能耗。3.1.2悬浮速度比对烟丝群输送速度的影响上述分析了摩擦系数D对烟丝群输送速度的影响，现在分析悬浮速度比m对烟丝群输送速度的影响。前面已经知道m的取值范围为0.15~0.22，那么可以作出烟丝群输送速度与悬浮速度比m随时间变量的变化关系如图3-3所示。(a)

m

=0.15

(b)

m

=0.17(c)

m

=0.19

(d)

m

=0.21图3-3时间模式烟丝群在管道内速度随悬浮速度比变化图24图3-4中标注B~H表示悬浮速度比分别为0.15、0.16、0.17、0.18、0.19、0.20、0.21时烟丝群速度随时间的变化关系曲线。如图所示，悬浮速度比m的大小对烟丝群稳定速度的影响不大，但是对烟丝群的加速过程有较大影响。烟丝群在管道内初始状态呈加速运动，悬浮速度比越大，加速度越小，烟丝群达到稳定速度的时间变长。对于不同尺寸大小的烟丝，其悬浮速度也不同，悬浮速度对烟丝群加速运动状态的影响表征了烟丝尺寸对加速区运动状态的影响。图3-4时间模式烟丝群在管道内速度变化图（D=1.4m=0.15~0.21）3.2空间模式的稳定性分析上述分析了烟丝群运动状态与摩擦系数D和悬浮速度比m随时间变量的变化，并得出结论。在风力送丝系统实际运行中，烟丝群加速段的流动状态和加速段长度对系统的设计运行也起着重要作用。因此，分析烟丝群初始加速区的运动状态与加速段各因素影响的关系显的尤为重要，具有显著意义。由式（2-16）得到：25d(

1

(1)2D)dFm

(3-4)两边积分得到：Fm

12D

(

1D1D

)

(3-5)对（3-5）式进行反函数变换得到烟丝群速度与距离变量的关系方程：式中，Xe

2D(1D)Fm1D

X1X1DXD

(3-6)由式（3-6）可以看出，烟丝群速度与悬浮速度比m在输送距离上无关，只跟摩擦系数有关。当摩擦损失系数D在1.4~2.2取值时，烟丝群输送速度与摩擦损失系数D随距离变量上的变化曲线如图3-5所示。(a)

D=1.4

(b)

D=1.626log(1(1D))log(1(1D))log(1(1D))log(1(1D))(c)

D=2

(d)

D=2.2图3-5空间模式烟丝群在管道内速度随摩擦系数变化图烟丝群在管道内速度随管道距离的变化关系如图3-6所示，不同形状的B~G方块表示烟丝群摩擦系数分别为1.4、1.5、1.6、1.7、2.0、2.2。由图3-5到图3-6可以看出，烟丝群在入口管处的运动特性与摩擦系数D随距离长度的变化，这种变化与时间尺度的变化规律是相似的。在入口段加速区，烟丝群的加速度迅速增大，在很短的距离内烟丝群速度达到最大值并稳定下来，从加速的过程来看，是一个变加速的过程，加速度的变化是非线性的，初段加速度大，越接近稳定速度，加速度越小，最终趋于零。与时间尺度的变化关系一样，图中还可以看出烟丝群在管道内流动时运动速度与摩擦系数D的关系。烟丝群稳定速度与摩擦系数D呈负相关关系，D越大，烟丝群稳定速度变小。但是和时间模式不同的是，烟丝群初始加速度的变化与摩擦系数D的大小几乎没有关系，随着摩擦系数D的增大，加速所需的距离变化却不明显，空间模式下烟丝群加速到稳定状态所需的时间也与摩擦系数D没有很大关系。27图3-6空间模式烟丝群在管道内速度变化图（D=1.4~2.2）3.3烟丝群最终稳定速度分析在输送管道内的烟丝群，如前面所述，若经过一定时间，加速度就接近于零。作用与烟丝群的空气阻力就等于烟丝群在管道内的摩擦力与其自重在运动方向上的分力之和。当烟丝群在管道内运动稳定时，烟丝群受惯性作用便以这个瞬间的速度作等速运动，这就是烟丝群在管道内的最终速度。如果用x表示，假设前述各运动方程式的惯性项为零时，便可以求出最终速度。将d=0代入式（2-14）、2-15）：(1x)2Dx2m2sin0

(3-7)3.3.1水平管烟丝群最终稳定速度分析当水平管输送烟丝时，式（3-7）中sin为零，将初始条件x<1代入上式，那么可化成：28（（x

11D

(3-8)那么可以作出水平管颗粒最终稳定速度与摩擦系数的关系图如图3-7所示。图3-7水平管道颗粒最终稳定速度与摩擦系数关系图由图3-7中可以知道，随着摩擦系数的增大，颗粒在水平管道内的最终稳定速度逐渐减小，摩擦系数在0~0.5之间稳定速度降低较快；摩擦系数增大，最终稳定速度趋于一定值。3.3.2竖直管烟丝群最终稳定速度分析当烟丝群在竖直管道内流动时，式（3-7）中sin=1，代入其中得到：(1x)2Dx2m20将初始条件D1代入上式得到：

(3-9)x

1D(1m2)m2|1D|

(3-10)当D=1时，x=（1-m2）/2。29由式（3-10）可以知道影响竖直管道颗粒群最终稳定速度的参数有悬浮速度比和摩擦系数。下面分析这两个参数对其影响。竖直管道内颗粒最终稳定速度与摩擦系数及悬浮速度比关系图见图3-8和图3-9。图3-8竖直管道颗粒最终稳定速度与摩擦系数关系图图3-9竖直管道颗粒最终稳定速度与悬浮速度比关系图从图中可以看到摩擦系数对其稳定速度的影响和水平速度相近，摩擦系数在0-0.5之间稳定速度随摩擦系数的增大而降低较快，随后逐渐降至一稳定值。图3-9中，最终稳定速度随着悬浮速度比的增大而减小，这一趋势一直保持着。303.4本章小结本章主要分析了烟丝群在时间、空间模式下流动稳定性，对烟丝群在时间模式下摩擦系数和悬浮速度比对其稳定性的影响以及空间模式下摩擦系数对烟丝群加速特性的影响进行分析对比；还对烟丝群最终稳定速度进行预估，得到初始条件下的稳定速度表示方程。通过分析对比可以看出，烟丝群初始运动时是变加速运动的，加速度逐渐变小，运动速度随时间和距离的变化趋于稳定；摩擦系数大小对于烟丝群在时间模式和空间模式下的影响相似，摩擦系数越大，烟丝群最终稳定速度越小，加速时间和加速距离也越小。悬浮速度比的大小对烟丝群时间模式下最终稳定速度的大小并无很大关系；在空间模式下，悬浮速度比对最终稳定速度没有影响，意味着烟丝尺寸大小对水平管道内烟丝群的运动没有影响。本章中只分析了水平管道内烟丝群的流动稳定性，对于竖直管道和弯管没有进行具体的分析，这需要进行下一步工作。31第4章气固两相流数值模拟分析随着计算机技术的发展，CFD技术运用的产生，为多相流的研究提供了新的研究手段。利用数值模拟技术可以避免实际试验中各种因素而导致的不良影响，同时还可以不受实验条件的限制进行模拟分析。本章采用CFD软件对气力输送系统水平、竖直和弯管中柱状颗粒的流动状态进行模拟，得出结论。烟丝在系统中呈悬浮输送状态，气体和烟丝的雷诺数都比较高，属于湍流气固两相流。目前对气体-固体两相流的数值模拟包括两种方法，一种称为Lagrange方法，也称颗粒轨道法，另一种是Euler方法或称双流体法[41]。Lagrange方法是把连续相（气体）当作连续介质，而将分散相（颗粒）当作离散体系，这种模型用完全弹性碰撞模型或颗粒离散单元法处理颗粒间的相互作用，多是针对较少大颗粒在短管中的输送，实际应用较少。Euler方法把颗粒作为拟流体，两相同在Euler坐标系下处理，离散的颗粒认为是连续分布于计算空间，存在着与流体运动方程相似的质量、动量守恒方程。4.1基本控制方程求解风力送丝系统管道中二维不可压稳态湍流流动问题，基本控制方程包括两相连续性方程、动量守恒方程。（1）连续性方程为了简化计算，在数值计算中假定流动为定常二维流动，流动状态为湍流；气固两相间没有传热、传质，气相不可压；烟丝颗粒视为等直径为0.003m，长度为0.03m，密度与烟丝相等的柱状粒子，不考虑Magnus升力作用，并忽略烟丝颗粒的应力张量。采用双流体模型，气固两相视为互相作用的连续相。空气、颗粒的连续方程为：i相的连续方程[42]为：iivi032

(4-1)式中，i相指输送系统中的气相或固相，vi是i相的速度，i有下式成立：ni1

i

1

(4-2)（2）动量守恒方程i相的动量方程为：[iivivi](iP)iigMi

(4-3)设颗粒密度不变，气相为理想气体，则气相的压力和密度关系可以表示为：PggRTg式中M——相间的动量交换相，可以有下式表示：Mik(vijvi)Pi当固相浓度大于0.2时，相间的摩擦系数k可用下式来表示：

(4-4)(4-5)k150

rgdsds

21.75rsgvgvs

(4-6)当固相浓度小于0.2时，相间的摩擦系数k可用下式来表示：k(CDgr2.66)(

3rs1)rgggs2ds2

(4-7)式中

CD——单个颗粒的阻力系数，可有下式给出：24Re

10.14Re0.687,0.44

(4-8)颗粒的相对雷诺数从（4-9）获得：Re

gds(rgvgvs)33

(4-9)iirs21CDmaxiirs21CDmax4.2物理模型建立与网格划分4.2.1物理模型的建立模拟的物理模型如图4-1所示。(a)(b)

直管道物理模型弯管物理模型图4-1物理模型为了更好的对柱状颗粒在系统中的流态进行分析，文章中分别对水平直管、竖直直管和弯管进行不同条件的模拟分析。管道直径取工程中实际尺寸为125mm，直管段计算长度为1m，对直管段采用不同的入口速度（分别取15m/s和20m/s）和初始体积分数对其进行模拟分析；弯管取不同的曲率半径（分别取500mm和750mm）用同样的入口边界进行模拟，分析曲率半径对其压力分布和浓度分布的影响。344.2.2网格划分网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精确度和计算效率有重要影响。网格分为结构网格和非结构网格两大类，结构网格中节点排列有序、邻点间的关系明确；非结构网格中，结点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名，这种网格生成过程比较复杂，但却有良好的适应性。在水平和竖直管道中选用四边形结构网格进行划分，网格单元数为25600；弯管选用三角形非结构网格进行划分，网格单元数分别为38454和41088，在管道入、出口和弯管处进行加密。4.3数值模拟4.3.1选择控制模型4.3.1.1湍流模型的选择目前湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法（DNS）和非直接数值模拟方法。DNS方法是直接用瞬时的Navier-Stokes方程对湍流进行计算，非直接模拟包括大涡模拟方法（LES）、Reynolds平均法和统计平均法三种方法进行数值模拟[40]。本章采用Reynolds平均法中的湍流粘性系数法进行数值模拟，根据求解湍流粘性系数所需的微分方程的个数，又可将该方法细分为零方程模型、一方程模型和两方程模型。文章选用应用范围最广的标准k两方程模型。标准k模型需要求解湍动能k及其耗散率两个方程，其中耗散率定义如下：

'

(4-10)湍流粘度t可表示成k和的函数，即：tC35

k2

(4-11)其中

C——经验常数。在标准k模型中，k和是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为[41]：x

tk

k

(4-12)xixj

t

C1

2kk

(4-13)式中

Gk——平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；C1、C2、C3——经验常数；k、——与湍动能和耗散率对应的Prandtl数。4.3.1.2计算模型的选择在Fluent中，共有三种多相流模型，即VOF（VolumeOfFluid）模型、混合物（Mixture）模型和欧拉（Eulerian）模型[45]。（1）VOF模型VOF模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。当需要得到一种或多种互不相融流体间的交界面时，可以采用这种模型。在VOF模型中，不同的流体组分共用着一套动量方程，计算时在整个流场的每个单元内，都记录下整个流体组分所占有的体积率。其典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动以及求得任意液-气分界面的稳态或瞬时分界面等。（2）混合物模型混合物模型可用于各相有不同速度的两相流或多相流（液体或颗粒）。这种模型假定了在短空间尺度上局部的平衡。该模型主要用于低负载的粒子负载流、气泡流、沉降和旋风分离器的两相流模拟。（3）Eulerian模型该模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是液体、气体、固体。它建立了一套包含有n个动量方程和连续方程来求解每一相。压力相和各界面交换系数是耦合在一起的。欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床等。36kuixkuixijGkxjuixjGkC2烟丝在系统管道中呈悬浮式输送，在选择计算模型时选用多相流模型中的Eulerian模型。Fluent中对于欧拉模型解基于以下假设[38]：1.单一的压力被各相共享。2.动量和连续性方程对每一相求解。4.3.2确定边界条件边界条件指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律，只有给定了合理的边界条件才能得出流场的解。数值模拟边界条件见表4-1。表4-1边界条件设置算例

管道类型

入口边界速

出口边界

颗粒初始

曲率

是否考虑度入口（m/s）

体积分数

半径比

重力case1case2case3case4case5case6case7case8

水平管道水平管道水平管道竖直管道竖直管道竖直管道90°弯管90°弯管

1520201520202020

outflowoutflowoutflowoutflowoutflowoutflowoutflowoutflow

0.150.150.10.150.150.10.150.15

——————46

是是是是是是是是4.3.3离散求解控制方程连续性方程、动量方程、湍流方程等均采用一阶迎风差分离散格式，对于体积分数（volumefraction）采用QUIK离散格式，对压力速度进行两相耦合的SIMPLE计算方法。选择稳态分离求解方法，各变量的亚松弛因子设定见表4-2。37表4-2变量的亚松弛因子表变量

VolumeFraction

TurbulenceDissipationRate

TurbulentViscosity

TurbulengceKineticenergy亚松弛因子变量

0.2Pressure

0.8Density

1Body

0.8MomentumFroces亚松弛因子

0.3

1

1

0.74.4模拟结果分析4.4.1水平直管段模拟结果分析水平直管颗粒体积分数分布图如图4-2所示。图4-2水平直管颗粒体积分数分布图从图中可以看出，颗粒入口分布比较均匀，随着输送距离的增大，颗粒由于受到重力的作用向管道下部运动，导致管底部颗粒体积分数变大，管道上部颗粒较少，但是大部分颗粒受到拽力作用在管道中心附近运动。水平直管静压分布图如图4-3所示。图4-3水平直管静压分布图可以很明显的看到，管道上下两侧压力分布呈不对称分布，上端静压小于下端。38由于颗粒在管道底部浓度大于上部，颗粒的运动速度小于空气流动速度，导致颗粒浓度大的部位动压较小，静压大。不同入口边界管道中心压降变化如图4-4所示。(a)不同入口速度

(b)不同体积分数图4-4不同入口边界条件管道中心压降变化图分别对入口速度为15m/s、20m/s的颗粒两相流进行模拟，管道中心压降数据如图4-4(a)所示。从图中可以看出入口速度为20m/s时的压降明显大于入口速度为15m/s的压降，入口速度越大，系统压力损失越大，而且压降变化率越快。对入口时不同的颗粒体积分数也进行了模拟分析，结果如图4-4(b)，管道入口至0.4m左右，颗粒体积分数为0.1和0.15时的管道中心静压差近似相同，随着颗粒在管道中输送距离的增加，颗粒体积分数越大，其压降损失增大。4.4.2竖直管段模拟结果分析竖直管道模拟流态如图4-5所示。(a)竖直管道内颗粒体积分布图

(b)竖直管道内静压云图图4-5竖直管道模拟流态39图4-6颗粒在竖直管近壁区域的团聚从图4-5可以看出颗粒在竖直管内分布比较均匀，但是在管壁附近出现体积分数增大的现象，管中心静压较管壁附近小，导致管中心气流速度较大，颗粒在管壁附近速度小，出现颗粒在管壁附近区域的团聚现象。这和工程试验结果相吻合[43],如图4-6所示，说明用该模型对颗粒两相流进行模拟是可行的，具有一定的参考价值。图4-5(b)是竖直管道颗粒输送静压云图，可以看出静压分布在管中心呈对称分布，压降分布比较明显。下面就不同入口边界对其竖直管道压降的影响进行分析。(a)不同入口速度

(b)不同体积分数图4-7不同入口边界条件管道中心压降图对竖直管道不同入口边界进行模拟，得出影响其压降的主要因素，如图4-7所示。图4-7(a)为两相入口速度为15m/s、20m/s时，管道中心的压降数据图，图中显示入口速度为20m/s时，系统静压从16Pa降至0Pa左右，入口速度越大，系统压力损失越大。图4-7(b)为不同初始体积分数对管道内压降的影响，图中显示不同初40始颗粒体积分数对竖直管道压降影响不大，两条曲线基本重合。4.4.3弯管段模拟结果分析在气力输送系统的弯管中存在严重的磨损问题，对弯管内部的流场分析可以预测那些部位是容易磨损的，文章对不同曲率半径的弯管颗粒两相流进行模拟分析。为减少物料磨损和管道磨损提供参考。空气-颗粒在弯管内的压力分布云图如图4-8所示。从图中可以看出，弯管外侧压力大于内侧压力，外侧为正压，内侧出现较大的负压，在内侧压力沿流动方向先降后升，在外侧则相反，呈先升后降的趋势。对于不同的曲率半径，其压力变化也不同，曲率半径比为4时压力分布见图4-8(a)，在弯管外侧最大静压力达132Pa，曲率半径比为6时，弯管外侧最大静压为30Pa左右，不同曲率半径时弯管内侧压力相近。说明曲率半径越大，管内外侧压差越小，气流和颗粒的湍流度越小，这有利于颗粒物料的输送，减少物料与管壁的摩擦和撞击，减少物料由于摩擦和撞击产生破碎。(a)R/d=4

(b)R/d=6图4-8不同曲率半径弯管内压力分布图不同曲率半径弯管内颗粒体积分数分布如图4-9