(论文)粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟(2013年优秀毕业设计论文)

粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 摘要 在粮食颗粒气力输送中，通过研究粮食颗粒的流场分布，得到悬浮速度，对于 降低粮食颗粒气力输送中的动力消耗，提高输送的连续性和稳定性有重要意义。 从流体力学湍流理论以及颗粒动力学理论出发，考虑气固两相的相互影响、颗 粒与颗粒之间以及颗粒与输送管壁之间的相互作用，采用计算流体力学软件F l u e n t 建立二维气固两相湍动双流体模型。对垂直管内的气固两相流流场进行数值模拟， 获得颗粒浓度及气流流场的分布规律。通过与试验结果比较，表明模拟计算结果的 气流速度与试验结果基本吻合。在本模型的基础上，对影响流场的参数( 输送气流 速度、颗粒粒径、管径) 进行数值模拟研究。结果表明，输送气流速度越大，颗粒 运动越激烈，颗粒运动形式为中心处向上、近壁面处向下的内循环流动结构：达到 稳定输送时，颗粒粒径越小，悬浮速度越大；管径越大，悬浮速度越大。粮食颗粒 流动特性的研究，为粮食气力输送机械的设计、优化提供参考依据。 关键词：气固两相流；双流体模型；流动特性：数值模拟 E x p e r i m e n t a lS t u d ya n d o fF o o dP a r t i c l e s J N U m e r l c a lS i m u l a t i o n T 一 - C h a r a c t e r i s t i c s A b S t r a c t I np n e u m a t i cc o n v e ) r i n go ff o o dp a r t i c l e s ，t h es u s p e n s i o nv e l o c i t ya r ea b t a i n e db y s t u d y i n gt h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o no ff o o dp a n i c l e s T h es u s p e n s i o nv e l o c i t yh a st h e i m p o r t a n tm e a n i n gt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fp n e u m m i cc o n v e y i n go ff o o d p a r t i c l e sa n de n h a n c et h ec o n t i n u i t ya n ds t a b i l i t yo f t r a n s m i s s i o n B a s e do nt h et u r b u l e n c et h e o r yo ft h ef l u i dm e c h a n i c sa n dp a r t i c l ed y n a m i c st h e o l ) ； t h et w o - d i m e n s i o n a lG a s s o l i d 九1 ，o - p h a s e f l o u ，m o d e lo ft u r b u l e n c ea r ee s t a b l i s h e du s i n g t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f r a 7 a r eF l u e n ta n dc o n s i d e r i n gt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h e g a sa n ds o l i d ，t h ep a n i c l e sa n dp a n i c l e a n dt h ep a n i c l e sa n dt h e t r a n s p o r t a t i o np i p e 、a 1 1 T h e f l o wf i e l do ft h eg a s - p a r t i c l ei nt h ev e r t i c a lt u b ei s n u m e r i c a l l ) s i m u l a t e d a n do b t a i np a r t i c l ed e n s i B a n df 】o wd i s t r i b u t i o nr u l eo ff l o wf i e l d I ti n d i c a t e st h a tt h es t r e a mv e l o c i D o ft h ea n a l o gc o m p u t a t i o nr e s u l ta n dt h et e s tr e s u l t t a l l ) 7c o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l to ft h ea i rc u r r e n tf l o wf i e l d I nt h i sm o d e l Sf o u n d a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d ) 7f o rt h ep a r a m e t e r sa f f e c t i n gt h ef l o wf i e l d ( t r a n s p o r tg a s v e l o c i t ) , p a r t i c l es i z e 。d i a m e t e r ) i Sc a r r i e do n T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et r a n s p o r tg a s V e l o c i t yi st h el a r g e r , t h ep a r t i c l em o t i o na r em o r ei n t e n s e ，a n dt h ep a r t i c l e sm o v e m e n t f o r mi St h ei n n e rl o o pf l o v , m o v e m e n ts t r u c t u r ew h i c ht h ec e n t e ri Su p w a r da n dt l l en e a r p i p ew a l li sd o w n w a r d ；h e na c h i e v es t a b l et r a n s m i s s i o n t h ep a r t i c l es i z ei st h es m a l l e r , s u s p e n d e ds p e e di st h eg r e a t e r ；t h ed i a m e t e ri st h eg r e a t e r ? t h es u s p e n s i o ns p e e di st h e g e a t e r I tp r o v i d e s ar e f e r e n c ef o rt h e d e s i g na n do p t i m i z a t i o n o ft h ep n e u m a t i c c o n v e 3 ，i n go f f o o dm a c h i n e r y 。 K e yw o r d s ：G a s s o l Mt w o - p h a s ef l o ，；角，o - f l u i dm o d e l ；F l o wq u a l i t y ：? N u m e r i c a l s i m u l a t i o n D ir e c t e db y ：P r o f T a n a A p p Iic a n tf o rM a s t e rd e g r e e ：Z H A OH uiy o n g ( M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y ) ( C o l l e g eo f M a c h i n e t 3 a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t ) ：H o h h o t0 1 0 0 18 C h i n a ) 插图和附表清单 图1 试验装置简图7 图2 测试系统流程图1 0 图3 轴向测点分布图1 0 图4 径向测点分布图1 2 图5不同加载量的压降轴向分布1 3 图6 不同风速的压降轴向分布1 3 图7不同颗粒的压降轴向分布1 4 图8 不同风速的压降径向分布1 5 图9 不同高度的压降径向分布1 5 图1 0 结构简图1 6 图1 1 几何模型图1 6 图1 2F l u e n t 求解器1 8 图1 3多相流模型1 9 图1 4 湍流模型1 9 图1 5 材料属性2 0 图1 6 基本相设置2 1 图1 7 操作条件2 1 图1 8 入口边界条件2 2 图1 9出口边界条件2 2 图2 0 控制方程2 3 图2 1残差监视图2 4 图2 2 颗粒浓度分布图2 5 图2 3 轴向速度2 5 图2 4 不同风速的速度矢量图2 7 图2 5 不同管径的速度矢量图2 8 图2 6 不同粒径的速度矢量图2 9 表1 试验材料的物理特性8 表2 径向测点分布1 2 表3k s 模型中的系数2 0 表4 试验数据与计算结果比较表( 速度) 2 6 L 互 t 童 已 L & 吼 加 n 挖 坞 M 巧 埔 “ 墙 均 加 殂 毖 船 孔 筋 弱 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 引言 据中国国家统计局统计，2 0 0 8 年全年农业生产继续稳定发展，粮食实现连续五年 增产。全年粮食总产量达到5 2 8 5 0 万吨，比上年增产2 6 9 0 万吨，增长5 4 ，连续5 年增产。粮食产量的大幅增长有效解决了我国的粮食问题，但同时突出了粮食流通领 域的一些问题。实现粮食“四散”( 即粮食的散装、散运、散卸、散存) 流通技术， 可以解决我国粮食流通中存在的一些突出问题，推进我国粮食物流的现代化。农业 现代化的重要组成部分之一是粮食流通领域的现代化，而粮食“四散”流通技术是实 现粮食物流现代化的关键方法和技术。因此适合我国国情的散装瞳1 及散卸专用配套设 施的实现可以尽快且有效的解决粮食流通中的散运问题。 相关研究表明，输送的气流速度是影响粮食气力输送能耗的最主要因素。输送气 流速度越大，提升物料的压力损失就越高，从而能耗越高；同时，较高的气流速度也会 造成输料管的磨损和物料的破碎。但是气流速度过低时，粮食的输送出现输料管掉料、 堵塞现象，而且输送会变得不稳定。气流速度与能耗呈平方关系，气流速度的增加引 起能耗的迅速增加。在生产实践中，选择合理的输送气流速度成为气力输送过程中的 重点和难点。 气力输送设备的广泛应用，已在我国的国民经济建设中占有十分重要的地位。目 前气力输送技术已朝着气流斜槽输送、柱塞流静压输送、高压吸送等方向发展。随着 气力输送设备的广泛使用，也促成了气力输送理论的产生和发展，而气力输送理论研 究，则又是以气固两相颗粒动力学和流体动力学的基本原理为基础。但由于气力输送 设备本身具有噪声大、磨损大、动力消耗大等缺点，也限制了它的进一步的应用。为 了避免和克服这些不足，在流体力学中两相流被作为一门已有高度发展的分支学科来 研究。 随着计算机的快速发展，计算流体力学在多相流中的应用越来越受到人们的关注， 研究人员对这类反应器中多相流动过程己经进行了大量的试验和模型化研究。计算流 体力学模型基于流场中质量、动量和能量守恒规律，建立反映气固两相流动的基本流 体力学方程组，加上与具体过程相关的反应过程，最终构成对整个反应器的理论描述。 经过试验检验的计算流体力学模型，有利于对反应器更详细的了解，进而指导反应器 的设计、优化操作和放大。 早在十九世纪，气力输送提供了原始的理论基础。前人采用欧拉坐标和拉格朗日 坐标，提出了气固两相流流动状态的公式和方程。进入二十世纪中叶以来，随着颗粒 动力学和流体动力学的出现和快速发展，又产生了多种基于湍流动能方程、能量守恒 方程、动量守恒方程、连续性方程等守恒定律。这些方程是用以更精确描述气固两相 流流动状态的数学模型。在计算流体力学和计算机技术出现后，气力输送理论的发展 进入了一个新的阶段。 2 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 1 1研究现状 气力输送技术是一项综合技术学科，涉及流体力学、材料科学、自动化技术、制 造技术等领域，属高新技术项目。其广泛应用于铸造、电力、石油、化工、冶金、建 材、。粮食等部门，是一种适合于散粒状物料输送的先进的运输设备。气力输送是全封 闭型管道输送系统、布置灵活、无二次污染、高效节能、便于物料输送和回收、为无 泄漏输送、气力输送系统以强大的优势，将取代传统的各种机械输送。 气固两相流的普遍性和复杂性使它成为一门前沿科学。国内外的气固两相流的相 关计算和研究工作较多，其中有化学反应堆研究、流化床技术船1 、气固两相流风机H 3 设计和气力输送佰 7 3 等，气固两相流在工农业中得到广泛应用，但人们对气固两相流 运动规律的认识仍处于不成熟阶段。 随着计算机技术的发展，数值模拟在颗粒流动的研究方面得到广泛地应用，目前 所采用的方法主要分为两种：一种是连续介质模型，另一种是非连续介质模型。 1 1 1国外研究现状 国外众多科学家对于颗粒流动特性的研究相对较早，他们在试验测试的基础上进 行建模分析，有的还考虑了流动中颗粒的旋转、碰撞等问题，取得了较大成就。 N i e u w l a n d 等阳3 、S a m u e l s b e r g 等睁j 用颗粒动力学双流体模型对循环流化床提升管 内的两相流动进行了二维数值模拟，得到了固体体积分数分布、颗粒速度、浓度的径 向分布。 B o e m e r 等n 町采用同样的模型对二维流化床进行了模拟，得到了固体分数沿床层 变化、气泡长大等详细信息，其预测结果和试验结果相符。 G e r a 等n 幻用模型和离散单元法对大颗粒流化床的气泡行为进行了模拟，模拟所得 到的气泡形成、长大、运动及在床层表面的破碎等情况与试验结果定性地一致。 长期以来，用轨道模型研究流体一固体两相流动主要集中在假定颗粒间无相互碰 撞的稀相流动方面。在稠密颗粒流体一固体两相流中，颗粒间、颗粒与管壁间的相互作 用不能忽视。M a r b l e 口3 3 和C r o w e n 钔讨论了颗粒间碰撞的机理及其重要性。O e s t e r 和 P e t i t j e a nC 1 5 J 根据局部M a x w e l l i a n 分布而推导出的碰撞概率引入了假设环境粒子的串 行轨道跟踪法来模拟研究水平管内非稀相流中颗粒间的碰撞。但应用得较多的还是 L u n 矛g B e n t n 叼提出的黏接一滑移碰撞模型，由冲量来计算碰撞后颗粒的速度。H o o m a s 刀 等对气相采用七一s 双方程模型，并对颗粒相采用描述颗粒间相互作用的硬球碰撞模 型，模拟了流化床内气泡的长大、聚并、破碎等现象。L u n n 8 1 用同样的模型对水平管 中的气固两相流动特性进行了研究，得到了两相在管中的平均速度分布规律。B o l i o 等”对气相采用改进的 氐R e y n o l d s 数七一s 模型，考虑颗粒间的碰撞，用双向耦合真实 地模拟了循环流化床上升管中气固两相流动的过程。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 1 2 国内研究现状 我国的散料颗粒学及气力输送技术的研究起步较晚，8 0 年代在中科院化冶所郭 慕孙院士的倡议下，我国成立了“中国颗粒学会”，我国从此开始研究散料颗粒学及 气力输送技术。西安交通大学、同济大学、大连理工大学、浙江大学、中科院化冶所、 清华大学等单位在散料颗粒学及气力输送技术方面作了大量的工作啪一L 明。 谢灼利等研究了颗粒粒径和密度对悬浮颗粒的浓度分布的影响心3 1 。主要论述对气 体相湍动能采用修正的k s 方程模型，建立了水平气力输送的数学模型和相应的计 算方法。 陆慧林等泓3 用理论预测得到循环流化床内的“环一核”流动结构，速度的模拟计 算结果和颗粒相浓度与试验结果基本吻合。其方法是采用气固两相流动模型，运用气 相湍流S G S 模型和颗粒湍流模型，模拟计算管内气固两相流动。 李晓光等对影响颗粒运动无规则性的主要因素进行了分析幢舶。主要研究在密相大 颗粒流化床气固两相流的数值模拟中，借助数值模拟手段，将气相当作连续介质，颗 粒相作为离散体系通过提取不同操作条件下大颗粒流化床内颗粒受力的瞬间信息。 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，周力行等心6 3 研究了湍流两相燃烧的双流体模型。双流 体模型的优点是易于给出三维空间颗粒的速度、浓度和温度分布，可以用统一的数值 方法求解气固两相方程组，处理颗粒进入和离开回流区没有困难。为了解决用双流体 模型模拟颗粒反应经历的问题，周力行等卫提出了湍流两相燃烧的双流体一轨道模型 ( 或颗粒相的连续介质一轨道模型，( c o n t i n u m t r a j e c t o r ym o d e l ，CT mo d e l of p a r t i c l e pb a s e ) ) 和全双流体模型( p u r et w o f l u i dm o d e l ，P T Fm o d e l ) 。两者都用同 样的气相欧拉方程组、颗粒相欧拉连续方程和动量方程，包括同样的两相湍流模型。 在用双流体一轨道模型模拟多相湍流反应流动时，周力行等妲提出了气相欧拉和颗粒 的欧拉一拉氏( E - E - L ) 模型算法，称为L E A G A P 算法。在这个算法中，除了气相内部的迭 代之外，还有气相欧拉计算一颗粒欧拉计算一颗粒拉氏计算三者之间的相互藕合和相互 迭代。 1 2 存在问题分析 粮食颗粒的流动特性分析属于气固两相流问题。多年来，针对气固流化系统的基 本现象，围绕着了解颗粒流体系统的内在规律，许多研究者开展了大量的研究工作。 但由于颗粒流体两相流的复杂结构，使得没有统一的理论或模型能对其流动特性进行 完全的描述。实际的颗粒流问题看似简单，但许多机理问题至今还不清楚。颗粒材料 范围很广，物理性质差别较大，运动方式不同，其机理也各不相同，虽然对气力输送的 研究取得了很大的进展，但是研究气力输送的基础理论等很多方面时，常常会遇到下 面这些问题： ( 1 ) 气力输送过程是一个非常复杂的物理过程，管内流场会受到许多不确定性 4 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 因素的干扰和影响，管内流场分布需进一步研究。同时，因为其中许多状态量之间存 在极为繁琐的非线性关系，所以目前整个气力输送过程的完整运动状态还无法用一个 数学上解析的模型来描述和实现。 ( 2 ) 国内外众多学者就气固两相流建立起了许多数学模型，并将这些模型应用于 输送对象十分广泛的气力输送中，但是就具有一定的局限性。尤其是对其流动状态醮 大量研究表明这些模型大都是对应于直径在微米级，或更小范围内的颗粒所建立的。 因此有必要对直径在微米级或更大范围的颗粒迸一步研究。 3 选题意义及研究署的 气力输送技术是符合现代物料输送和物流工程要求的输送方式之一，与其他机械 输送方式螺旋式、刮板式、如斗式输送相比具有许多独特的优点，如结构简单，管路 布置灵活方便，造价低，能保证良好的工作环境，连续性好，易于实现自动化等，因 此在工农业许多部门得到广泛使目，然而粮食气力输送还存在着一些制约其进一步推 广及应用的因素，其中最主要的因素是动力消耗大。 长期以来人们已在气力输送领域进行了大量的研究，但仍有许多问题没有得到很 好解决。从应用基础研究方面来看，气力输送是一个复杂的多相流动过程，输送管道 内粮食颗粒1 j , O J g 动状态既有悬浮又有滚动，同时还发生粮食颗粒与壁面、粮食颗粒之 间的碰撞，粮食颗粒的旋转还产生举力，完全考虑这些问题是相当复杂的。 气力输送越来越多地应用于工农业生产中，同时作为各种散装物料的一种连续输 送方式，在整个物料输运中占有很大的比重。对输送风速、不同物种、风压相互关系 以及管道压力损失未能进行深入研究，以至无法合理确定气力输送的主要参数。为了 有效的控制粮食颗粒气力输送系统，根据生产要求而得到适当的设计参数并制定合理 的输送工艺是十分必要的。 因此，在粮食颗粒气力输送中，研究粮食颗粒的流动特性，了解流场分布，得到 其悬浮速度，对于降低粮食颗粒气力输送中的动力消耗，提高输送的连续性和稳定性 有重要意义。研究粮食颗粒的流动特性，不仅可为气力输送装置的设计和粮食颗粒加 工过程中干燥提供参考依据；而且，有助于粮食颗粒加工、储存、运输设备向精密化、 自动化、大型化的方向发展，所以有必要对粮食颗粒流动特性进行深入的研究。 1 4 课题研究内容 本文以试验为基础，对垂直管道中粮食颗粒的流动特性进行研究，利用F l u e n r 。 软件对垂直管道中粮食颗粒的流动特性进行模拟。试验和数值模拟相辅相成，成为研 究气固两相流动的重要手段。 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 1 4 1 试验研究的主要内容 ( 1 ) 测量所研究物料的物理性质。包括粮食颗粒的散粒体密度、千粒重、真密 度，以及测量单颗粒的三轴尺寸用以计算颗粒的体积当量直径。 ( 2 ) 通过试验来研究不同加载量、不同风速、不同物料的情况下，压降在轴向 分布，分析得出一般的变化规律；研究不同风速、不同截面的情况下，压降的径向分 布，分析得出般的变化规律。 1 4 2 数值模拟研究的主要内容 随着计算机的发展，数值模拟研究得到了广泛的应用，为研究者带来了极大的方 便。本文将在F l u e n t 6 3 的平台上，选择欧拉双流体模型，对垂直管内的粮食颗粒进 行简单的气固两相流动模拟试验，通过模拟试验来研究管内气固两相的流动规律及流 场特性，其主要内容： ( 1 ) 建立以双流体模型为基础，运用F l u e n t 软件气固两相流进行数值模拟。试 验数据与模拟结果进行对比，确定模型的准确性。 ( 2 ) 分析不同参数对粮食颗粒流动特性的影响。 2 两相流和F I u e n t 软件的介绍 2 1 两相流 两相流是两相物质( 至少一相为流体) 所组成的流动系统。若流动系统中物质的相 态多于两个，则称为多相流。两相或多相流是化工生产中为完成相与相传质和反应过 程所涉及的最普遍的粘性流体流动。自然界和其他工程领域中两相流也广泛存在，如 雨、雪、云、雾的飘流，生物体中的血液循环，水利工程中的泥沙运动和高速掺气水 流，环境工程中烟尘对空气的污染等。 两相流的流动形态有多种。除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依 据两相相对含量( 常称为相比) 、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件( 管 内、多孔板上、沿壁面等) 划分流动形态。对于管内气液或固系统，随两相速度的变 化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对 于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。 两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变，流动形态不同，则热 量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。两相流研究的另一个基本课题，是关于 分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。当分散相液滴或气泡 时，有很多特点。例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面 上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。这些都会影响传质通量，进而影 响设备的性能。两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定 性等。 6 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 两相流的实验研究，是掌握两相流规律的基本方法。目前广泛应用光学法( 包括 光吸收、散射、干涉、折射等) ，其他辐射吸收和散射法，示踪法，以及电容和电导 法等测定两相流中的重要参数，如压力、空隙率、平均膜厚、液滴直径、运动速度等。 在某种意义上说，对两相流规律更深入的了解，有赖于实验技术的进步。 试验研究、理论分析和数值模拟是当前研究流体运动规律的三种基本方法。试验 研究以试验为研究手段，耗费巨大；理论分析是利用简单流动模型假设，给出某些问 题的解析解，但对于复杂的非线性流动现象目前还有些无能为力。数值模拟以计算流 体力学为基础，采用数值计算方法，通过计算机求解流体流动的数学方程，对具体问 题进行数值求解，己经成为研究流体流动的一个重要研究方向和方法。这方面，已经 开发出了计算准确、界面友好、使用简单叉能解决问题的大型商业软件，目前比较著 名的有F l u e n t ，C F X ，S T A R C D 等。本课题将借助于常用的计算流体力学软件一F 1 u e n t 来进行多种工况的数值模拟试验，以此来研究各种因素对粮食颗粒流动特性的影响规 律。 2 2FIu e n t 软件简介 1 9 8 3 年，美国的流体技术服务公司C r e a r e 公司的C F D 软件部( F l u e n $ 公司的前 身) ，推出了第一个商用C F D 软件包F l u e n t 。自F l u e n t 软件面世以来，以其丰富的 物理模型、先进的数值方法及技术人员高质量的技术支持和服务，F l u e n t 软件很快 成为C F D 市场的领先者。1 9 8 8 年F l u e n t 公司正式成立。1 9 9 5 年，F l u e n t 公司并入 了在数字和能源电子等领域具有主导地位的A a v i dT h e r m a lT e c h n o l o g i e s 公司。 F l u e n t 的软件设计基于C F D 软件群的思想，采用不同的离散格式和数值方法， 从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，在特定的领域内使稳定性、精 度和计算速度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问 题。F l u e n t 基于上述思想开发了适用于各个领域的流动模拟软件，软件之间采用了 统一的共同的图形界面及网格生成技术，这些软件能够模拟传热传质、流体流动、化 学反应和其它复杂的物理现象。由于应用的工业背景不同使各软件之间有所区别因 此大大方便了用户。 C F D 软件是计算流体力学( C o m p u t a t i o n a lf l u i dD y n a m i c s ) 软件的简称，是专 门用来进行流场预测、流场计算、流场分析的软件。C F D 的使用方法是：首先建立装 置的计算模型：然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型；最后C F D 软件将 输出流体动力特性。C F D 是一种高级的分析技术软件，它不仅可以预测流体的行为， 同时还可以得到相变( 如凝固和沸腾) 、化学反应( 如燃烧) 、机械运动( 涡轮机) 、 传质( 如分离和溶解) 、传热，以及相关结构的变形( 如风中桅杆的弯曲) 和压力等 的性质。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 3 试验方法与数据处理 3 1 试验装置 4 图1 试验装置简图 F i g 1 O u t l i n eo f e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 本研究采用的试验装置如图1 所示。气流经布风板进入垂直管道，粮食颗粒由加 料装置倒入，气流作用到颗粒床层产生气固两相流，对粮食颗粒流动特性进行信号采 集，空气排入大气，粮食颗粒由回收器收回。以1 5 k w 的风机作为风力源，电动机型 号Y 9 0 S - 2 ( B 3 5 ) 。 布风板的设计、安装有助于更真实、准确的认识管道中颗粒的流动特性。布风板 使作用在颗粒上的气流均匀稳定，它放置在风机出口处，与管道相连，可有效改善气 流在管道径向的均匀性，滤除输入管道中气流自身所携带的波动。 为了使风机的振动不会影响到所研究颗粒的流动，风机和管道使用帆布连接，帆 布连接是一种柔式连接方式，它可将风机的振动与管道相隔离，通过帆布连接还可以 防止接口处气流的泄漏。 为了使承载粮食颗粒的物料网有较高的强度和刚度，在颗粒放置较多或风速较大 时不会产生明显变形，选用了钢丝网( 2 4 目) 作为物料网，物料网夹置在法兰之间， 安装时用法兰将其夹紧。 为避免颗粒从管口顶部飞出，7 。在管道的顶端安装了挡料装置。 8 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 3 2 管径的选择 工程上输送流体的管道，大多为圆管，设圆管的内径为d ， ( 4 ) d ：( 除特别指明之外，均指内径) ，流速为： 口 “= 七 蒯二 4 式中：d 一- 一管道内径，m ： q 流体体积流量，m 3 s ： u 流体在管道内的流速，m s ； 拈、匿：糕0 7 8 5 u 叫等。 则管道的截面积为A = ( 2 ) 根据流量和流速，可用式( 2 ) 算得管道内径，其中流量通常是为生产任务所决定， 所以关键在于选择合适的流速。由式( 2 ) 可知，当流量q 一定时，流速u 越大，管 径d 越小，设备费用可减小，但此时流体流速相应增大，其在管道中流动阻力也越大， 使操作费用( 动力消耗) 增加。反之，流速减小，阻力降低，操作费用减少，但管径 增大，设备费用增加。设计管道时，尤其是输送距离较长时，需要综合考虑这两个相 互矛盾的因素，确定适宜的流速，使操作费用与设备费用之和为最低。在管径的选择 时，先根据情况选定流速u ，再经式( 2 ) 算出d 后，从而选用标准管的规格。本试 验管径取d 为0 1 2 m 来逆行试验。 3 3 试验介质 气体：空气，取室温2 0 。C ，空气的密度为1 2 2 5 k g m 3 运动粘度为1 7 8 9 4 e 一0 5 k g m s 颗粒：大豆、黑豆、绿豆，颗粒物理特性参数如表2 所示。 表1试验材料的物理特性 T a b l e 1 P h ，s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fe x p e r i m e n t a lm a t e r i a l s 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 3 3 1 当量直径的测量 对绿豆、大豆、黑豆进行随机取样，对每一百粒用电子天平称其重量、称十组得 其千粒重。并随机在每一百粒中取十粒用游标卡尺测量其三个垂直方向的尺寸长( a ) 、 宽( b ) 、厚( C ) ，通常a b c ；每一种粮食颗粒测量1 0 组( 即1 0 0 粒) 。 体积当量直径是指如物体体积与某个球体的体积相等，则这个球体的直径就称为 该物体的体积当量直径。 将粮食颗粒看作椭球形计算其体积，则： z a b c ：竺 ( 3 ) 66 体积当量直径： d ：拓瓦( 4 ) 3 3 2 密度的测量 粮食颗粒在贮存、加工、输送、流动等过程中，它的流动性、摩擦特性、贮存 特性都与密度有密切关系。因此，密度是物料的一个重要物理量，在很多研究过程中 都与其有关。 + 。 由于研究的对象和研究过程的不同，表示密度的方法也不同： ( 1 ) 研究单个颗粒时，其密度可由其质量和占有的体积之比求得，称为颗粒密 度。 ( 2 ) 研究散粒体群体时，用其所占的容积以及其质量，计算出的密度称为散粒 体密度。 - ( 3 ) 真密度P ，：颗粒或散粒体的质量除以其固体部分的体积。 ( 4 ) 表观密度P 。：颗粒或散粒体的质量除以除去表面开口，缝隙后固体部分的 体积。 ( 5 ) 有效密度p 。：颗粒或散粒体的质量除以包括表面开E l ，缝隙和内部空洞后 固体部分的体积。 显然，真密度 表观密度 有效密度。 散粒体密度的测量：采用的1 0 0 c m 3 环刀量取颗粒，然后用电子天平称其重量， 多次测量取平均值( 本试验中测量5 次) ，即可得物料的散粒体密度。 真密度的测量：采用浸液法测量物料的真密度，首先在量程为2 5 0 m l 的量筒中加 入约1 5 0 m l 的水，读取水的精确体积L 。：然后，称取0 1 k g 的颗粒物料，将其倒入量 筒中，再次读取量筒中液面处的刻度L ：，则L ：一L ，即为0 1 k g 物料的体积。重复上述 操作，多次测量取平均值，通过计算便可得出颗粒物料的真密度。 1 0 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 3 4 试验仪器 ( 1 ) 直径为0 0 0 3 m 的L 型皮托管( D w y e r 公司，1 6 6 6 ) ： ( 2 ) S Y T - 2 0 0 0 V 微电脑数字压力计( 压力范围：卜2 0 0 0 P a ，分辩率：0 1P a 、lP a 预热时间：1 5 m i n ) 测静压和风速； ( 3 ) 微差压变送器( B E S T A C E 公司7 6 1 系列，量程：O 一5 0 0 p a ) ： ( 4 ) 数据采集卡( P C I - M I O - 1 6 E - 4 ，分辨率1 2 位，多通道采样频率2 5 0 k S s ) 。 ( 5 ) O D F - 3 热球式风速仪( 量程：0 3 0 m s ) 由以上仪器构成测试系统，系统流程如图2 所示：通过L 型皮托管( D w y e r 公司， 16 6 6 ) 获取压力波动信号，由L a b V I E W 数据采集平台进行数据显示、分析、记录。 3 5 试验的测量点分布 3 5 1 垂直管轴向测点分布 圈2 测试系统流程图 F i g 2F l o wc h a r to ft e s t 舄s t e m 图3 轴向测点分布图 F i g 3 A x i sd i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 在管壁1 m 高度上布测7 个点，原则上布测点越多越精确，但布测点太多，可能 会使玻璃破裂或造成裂纹，而且管道漏风更多导致误差增大。因此，考虑有机玻璃管 的强度及试验精度根据实际情况，以物料网为参考面，布置7 个测量点( 1 ，2 ，3 7 ) 。 布测点的高度分别为O 2 ，0 3 ，0 4 ，0 5 ，0 6 ，0 7 ，0 8 ，单位为米( 如图3 所示) 。 3 5 2 截面测量选择原理及测点分布 由于管道内壁附近附面层的形成和风机的结构，将导致管中风速的分布的不均 匀。应用在工程实践中测量平均风速的方法来布置测量点。对于圆形管道，通常采用 等环面积法( 中华人民共和国机械行业标准G B T 1 2 3 6 2 0 0 0 ) 。这就是将圆形断面分 成m 个面积相等的同心圆环，再将每个圆环分为两个面积相等的部分，测点就放在这 两部分的分界线上。测点所在圆中的半径分别为，乃，则根据等面积划分的原 则可求得： 罢吲2 ，例怯 一z R “ ：生，。一= R ，陲 ( e ， 丛：立，：R 型 ( 7 ) 2 m2 m 一1 7 2 m 其中：R 一垂直管道半径，卜一圆环圈数：m 一分割圆环数； f 一第f 测量点所在的同心环中心圆半径。 根据以上方法，确定本试验垂直管某截面的测点，将截面分成4 个等面积的环形， I l l 取为4 从而计算得到测点的位置如图4 所示和表2 所示，表数据的负值代表方向， 负值说明在零点左侧。 12 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 图4 径向测点分布图 F i g 4 R a d i a ld i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t 表2 径向测点分布 T a b l e 2R a d i a ld i s t H b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t 表3 ( 续)径向测点分布 T a b l e 2R a d i a ld i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t 3 6 试验结果与分析 3 6 1 轴向压力分布 ( 1 ) 试验颗粒：绿豆，风速：1 1 8 8 m s ，加载量分别为0 6 k g ，0 8 k g 、l k g 轴向 压力分布如图5 所示。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 一 一 生 量 醛 避 床层商度【m ) 图5 不同加载量的压降轴向分布 F i g 5 T h ea x i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tf i l l i n ga m o u n tp r e s s u r ed r o p 通过图5 可以看出当把风速固定在1 1 8 8 m s ，在同一高度，压降是随加载量的增 大而增大的。分析原因，风速固定，加载量增加，颗粒被流化的几率就增加，曳力就 增加，所以压降也增加。无论何种加载量，压降都随高度的增加而减小。由于主直管 下半部分颗粒浓度比较大，上半部分浓度逐渐减小，压降也减小。压降在下半部分变 化率剧烈，而在下半部分则较平缓。 ( 2 ) 试验颗粒：绿豆，加载量：0 6 k g ，风速分别为9 1 i m s 、1 1 8 8 m s 、1 4 8 0 m s 。 轴向测试结果如图6 所示。 床层高度( m 图6 不同风速的压降轴向分布 F i g 6 T h ea x i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tw i n ds p e e dp r e s s u r ed r o p 由图6 可知，当加载量不变，风速从9 1 I m s 增加到1 1 8 8 m s f l 勺过程中，同一高度 截面上的压降是增加的，而增加到1 4 8 m s f l 9 过程压降反而减小。原因是随着风速增 加流化床处于由鼓泡流态化向湍流流态化转变过程中，流化的颗粒量增加，同一截面 14 粮食颗粒流动特性的试验研究与数值模拟 上的颗粒重量增加，所托起颗粒的曳力也加增加，压降就会增加。风速增大到1 4 8 m s 时，流化床转化为快速流态化，颗粒的速度也会增加，颗粒变稀浓度变小，所托起的 颗粒曳力也减小，所以压降也减小。无论何种风速，压降都随高度的增加而减小。颗 粒在垂直管下半部分压降变化率剧烈，上半部分比较平缓。 ( 3 ) 将大豆，黑豆，绿豆分别为0 6 k g 在同一风速( 1 1 8 8 m s ) 下轴向压降分布 测试的结果如图7 所示。 床层高度( m ) 图7 不同颗粒的压隆轴向分布 F i g 7 T h ea ：x i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tp a r t i c l e sp r e s s u r ed r o p 通过图7 可知，压降都随着床层高度的增大而减小。在同一截面上，颗粒密度越 大，压降也增加。在同样加载量下，在较小气流速度下，密度越大，其颗粒数密度越 低，因此颗粒与壁面、颗粒与气体及颗粒之间的摩擦减弱，从而消耗的能量越低，导 致压降降低。在较大气流速度( 1 1 8 8 m s ) 下，压降增加的原因可能是颗粒重力引起 压降的显著增大，颗粒密度越大，其惯性越大。 粒径增加，压降减小。在悬浮输送情况下，对同样加载量的情况下，颗粒粒径减 小，颗粒数密度将增加，因此颗粒与气体相互作用强烈，消耗能量增多，压降自然增 大：颗粒粒径减小，颗粒数密度增大，颗粒与壁面之间以及颗粒之间的相互作用随之 增大，从而引起阻力增加。 3 6 2 径向压力分布 径向测试点由等面积同心圆环法( 中华人民共和国机械行业标准G B T 1 2 3 6 2 0 0 0 ) 选取，垂直管半径R = O 0 6 m ，测量r 。= O 0 2 1 2 1 m ，r 2 = 0 0 3 6 7 4 m ，r a = O 0 4 7 4 3 m ，r 4 = O 0 5 6 1 2 m ， 测点r 与管径R 之比为径向相对距离。 内蒙古农业大学硕士学位论文 15 颗粒：绿豆，加载量：0 6 k g ，截面：0 4 m 高度处，风速分别为9 1 l m s ， 1 1 8 8 m s ，1 4 8 m s 。径向测试结果如图8 所示。 颗粒：绿豆，加载量：0 6 k g ，在同一风速( 1 1 8 8 m s ) 、不同高度径向测试的 结果如图9 所示 蹙向唁对琵盈限 图8 不同风速的压降径向分布 F i g 8 T h er a d i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n t w i n ds p e e dp r e s s u r ed r o p 营；甸糟对距高限 图9 不同高度的压降径向分布 F i g 9 T h er a d i a ld i s t r i b u t i o no fd i f f e r e 1 - h e i e - h tp r e s s u r ed r o p 在不同的风速下，颗粒在垂直管某一高度截面( 0 4 m ) 径向分布如图8 所示，管 中心压降略高于管壁处，风机出口气体风速并不均匀，经整流装置改善了气流分布。 由于在壁面处颗粒浓