（材料学专业论文）空气旋流加速器的研制.pdf

摘要 铸造型砂吸送的管道磨损一直是阻碍行业发展的诟病。受到自然界龙卷风抽 吸现象的启发，本文探索了空气旋流集中吸送物料的新途径，提出一种新的铸造 吸砂装置方案空气旋流加速器。 本文基于惯性离心力、粘性阻力和压力梯度力的三力平衡力学模型，分析了 空气旋流在输料管道内的运动，对物料在喉管抽吸和高速旋流共同作用下实现旋 流集中吸送的可行性进行了定性分析，确定了保障旋流集中吸送物料时喉管入口 和旋风入口临界风速。利用皮托管测速原理，对空气旋流加速器在不同结构及操 作参数下入口和输料管道内静压、风速进行测试。试验研究发现，喉管长度对空 气旋流加速器的旋流集中吸送影响很大，即在本试验条件下存在某一最佳喉管长 度值6 0 0 r a m ，而这一最佳长度直接关系到输料管道过流断面的静压梯度变化和径向 压力梯度力的分布；旋风和喉管入口面积比对两入口风速的分配和输料管道静压 分布均有适量影响，在较低系统负压下入口面积比的增大有利于整个吸送系统的 旋流集中抽吸；在本试验条件下，适当地提高系统负压可增大旋流抽吸能力，物 料在管道内集中吸送的效果也表现得更为突出。 首次将计算流体动力学软件f l o w i z a r d 引入管道内三维强旋流的数值模拟研 究工作中，建立了合适的雷诺应力模型。数值模拟的计算结果与实验测试结果进 行比较，验证了本文试验模型的正确性。由此分析了喉管长度、入口风速和系统 负压对输料管道内静压分布、三维速度场变化的影响，以及管内旋流湍动能和湍 动能耗散率的分布规律，确定了旋流集中吸送的有效区域，推导出管内旋流径向 速度预测公式。并应用b p 网络对实验测试结果进行人工神经网络分析，得到了理 想的参数优化预测模型。 关键词：龙卷风；旋流吸送；数值模拟；人工神经网络 a b s t r a c t t h ep i p ew e a r i n gi ss t i l lap u z z l et ot h ef o u n d r ys a n dd e l i v e r i n g c y c l o n ea c c e l e r a t o r i sp u tf o r w a r d 弱an e wd i s p e n s e rb ym e a n so ft h ee x p l o r a t o r ya n a l y s i so fc e n t r a l c y c l o n es u c t i o n ，b a s e do nt h es u c t i o np h e n o m e n o no ft o r n a d o i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h em e c h a n i c a le q u i l i b r i u mc o n d i t i o no f c e n t r i f u g a lf o r c e ，v i s c o u sd r a ga n dp r e s s u r eg r a d i e n t f o r c e 1 1 l em o v e m e n to fc y c l o n e g a si np i p e ，t h ef e a s i b i l i t yo f c e n t r a lc y c l o n es u c t i o n ，a n dt h ei n l e t sc r i t i c a lv e l o c i t i e sa r e a n a l y z e d t h et e s td a t as u c h 勰s t a t i cp r e s s u r e sa n di n l e tv e l o c i t yi nv a r i o u sp a r a m e t e r s a r eg a t h e r e db yp i t o tm e a s u r ep r i n c i p l e i ti sf o u n dt h a tt h es i z eo ft h r o a tp i p ei sa n i m p o r t a n tf a c t o rt h a ta f f e c t st h ec e n t r a ls u c t i o np e r f o r m 知a c ew h i c hh e l p st oa c h i e v et h e o p t i m u mm a t e r i a lf l o wd e p e n d e do nt h eg r a d i e n td i s t r i b u t i o n so fs t a t i cp r e s s u r ea n d r a d i a l t h r u s ti nt h ew a t e r - c a r r y i n gs e c t i o n t h eb e s tl e n g t hi s6 0 0 m mu n d e rt h i s c o n d i t i o n i ti so b s e r v e dt h a ta ni n c r e a s eo f c y c l o n e t h r o a ti n l e ta r e ar a t i oi sf a v o r a b l et o t h ec e n t r a ls u c t i o ns y s t e m ，a n da l s oi n f l u e n c e so nt h ea l l o c a t i o no fi n l e tv e l o c i t y , s t a t i c p r e s s u r ei np i p e i na d d i t i o n ，w i t h i nar e a s o n a b l es c o p eo fp a r a m e t e r s ，c a ni n c r e a s et h e s y s t e mp r e s s u r ea n di t i so u tp e r f o r m e di sm o r ea d v a n t a g e o u st h a ne n l a r g i n gt h e f r i c t i o n l e s sd e l i v e r i n g f l o w i z a r di sf i r s tu s e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h et h r e e d i m e n s i o n a l r o t a t i o n a lf l o wi np i p eb a s e do nt h er e y n o l d ss t r e s sm o d e l i ti sf o u n dt h a tt h er e s u r so f n u m e r i c a ls o l u t i o na r e i n s a t i s f a c t o r ya g r e e m e n t s 诵me x p e r i m e n t a ld a t a , w h i c h v a l i d a t e st h i sm o d e lt ob er e a s o n a b l e t h em o d e li sd e v e l o p e dt oa n a l y z et h e d i s t r i b u t i o no fs t a t i cp r e s s u r ea n dv e l o c i t ya n da l s ot h et u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g ya n d t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t e i to b t a i n e dt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o np r e d i c t i o nm o d e l b a s e do nt h eb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k k e yw o r d s ：c y c l o n e ；c y c l o n es u c t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：舡锐 日期 ：呼，年) 月伊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：如锯岳 e t 期a 。g i o e 指导教师签名：牢而娲 e t 期：j - o o 多。i 勺 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 空气旋流加速器取料机理研究意义 传统的铸造生产中原砂的输送是靠吸送式气力输送装置。它是采用风机从整 个管道系统中抽气，使管道内的气体压力低于大气压力而处于负压状态，从而使气 流和物料通过吸砂斗吸入输料管内【i 】。输送到卸料点时，物料由分离器卸出，含尘气 体则通过除尘器除尘后经风机排入大气中。吸送式气力输送装置具有物料容易被 吸入、无粉尘飞扬、吸砂斗简单、供料点可以敞开、工作条件要求低等优点，但是 最初抽吸物料比较困难，造成了固气混合比较低，导致耗气量较大、功率消耗较 高、管道易磨损、物料颗粒易破碎等一系列问题发生【2 】。吸砂斗是吸送系统的重要 部件之一，对系统的输送能力和工作效果有着很大的影响。然而，气体的湍流变 化、原砂的分布状态及二者间的相互作用决定了原砂吸送是一个复杂的气固二相 流现象【，】。因此，性能优良的吸砂斗的研制及相关取料机理的研究是降低铸造设备 成本的一个技术难题，它对提高原砂吸送效率，降低能耗，实现管道的少磨损或 无磨损吸送原砂具有重要的意义。 1 2 国内外发展概况及研究动态 1 2 1 气力吸送技术 气力输送是利用气流作为载体，在管道中输送粉、粒状固体物料。空气( 或惰 性气体) 的流动由输送管两端的压力差来实现，直接给输送管内的物料颗粒提供移 动所需要的能量。气力输送系统要有气源、供料装置、输送管道以及从输送空气 中分离出被输送物料的分离设备等部件，合理地选择和布置对生产有重要意义【“l 。 气力输送技术在工业上应用始于1 9 世纪上半叶。第一次实际使用的气力输送 1 沈阳理工大学硕士学位论文 系统是真空系统，用于输送木屑和谷物。2 0 世纪初则更多地使用正压系统，其输 送速度比较高，被输送的颗粒物料悬浮于气体中，称为稀相输送。有记载的是 h o a s t c r s t a d t 于1 9 2 4 年公开发表的论文。他提出了描述空气流动及气一固混合物在 输送管中流动压降的理论规律。他的主要研究对象是颗粒体及谷物( 如小麦) 。至 今，当用在这类特性的物料时，他提出的经验公式仍是正确的【7 l 。 近年来，随着生产发展和生产过程日趋自动化，对节约能源和环境保护的要 求越来越高，气力输送技术凭借自身的特点得到了迅速的发展和应用。在不断地 探索和创新过程中，气力输送的对象从早期的谷物、面粉和信件迅速扩展到水泥、 砂料、化工原料、粉煤灰等物料。在铸造行业中，几乎所有物料都可以采用气力 输送，包括粉状物料( 粘土粉、煤粉等) ；粒状物料( 石英砂、铸造再生砂、铁丸、 钢丸等) ；粘性物料( 原砂、旧砂等) 。在气力输送过程中有如下特点： l 、实现多种工艺要求，在气力输送过程中可实现多种工艺要求，从而提高铸 造用砂的质量，如气力输送中可达到物料的混合、冷却、烘干、分级、除尘等作 用，达到铸造旧砂再生，喷丸、抛丸清理铸件后的铁丸和钢丸破碎效率高，采用 气力输送可达到分级、除尘多种效果。 2 、输送量大，一条高效静压造型生产线需造型材料的周转量达2 0 0n _ d v d , 时。 3 、输送距离较远，铸造厂内车间工部之间的物料输送十多米至数百米。 4 、良好的除尘效果，铸造行业粉尘浓度高、温度高、劳动强度高。采用气力 输送可以解决某些其它机械输送设备带来的环境污染，改善铸造业的生产环境。 目前铸造行业气力输送形式分为压送和吸送两种形式。压送系统是铸造行业 内普遍推广使用的气力输送原砂形式。吸送是以高压离心风机或水环式真空泵为 气源动力，物料经喉管( 或吸嘴) 吸入，经输料管提升至旋风( 或容积) 卸料器 卸料，含尘空气经除尘器净化后排出1 2 1 。虽然铸造原砂吸送系统的应用已有相当长 的时间，但在生产实践中仍存在不少难题，如气源动力能耗高、输料管道磨损严 重等，科研工作者们一直尝试妥善解决这些困难。 铸造行业最初选用稀相气力输送形式，稀相气力输送系统动力消耗大t d l ，一般 为斗式提升机的2 - 4 倍，为带式输送机的1 5 - 4 0 倍。对于短距离输送其动力消耗更 大。由于稀相气力输送存在上述问题，国内外有关科研人员已着手开发研究低速、 低压、连续、密相栓流新技术。从上世纪6 0 年代英国w a r r e n - - s p d n g 试验室成功研 一2 第1 章绪论 制第一台脉冲气刀式装置至今，日本、美国等相继引进该技术。国内上世纪7 0 年 代由浙江大学首先研究此类装置，现已应用于生产实践f l 】。德国h b r o w n 9 1 公司研 制了挤压式栓流气力输送装置，利用贮料罐内脉冲空气作周期性膨胀形成的气流 栓挤压物料，此装置极大地提高了能耗利用率。密相气力输送技术不仅具有稀相 气力输送的优点，而且能够输送粘性物料，空气和动力消耗大为降低【她一】。密相气 力输送技术成为改进原砂吸送方法的重要手段之叫- 习。 颗粒的机械损伤至今没有彻底解决陋1 9 。s e g l e r 、c h u n g 和g u s t f s o n 通过研究 发现：受气流速度、固气混和比、管路设计、物料特性等影响，物料在输送过程 中会产生机械损伤1 2 0 1 ，影响因素不同，损伤程度也不同。近年来洛阳工学院研制了 新型吸送式气力输送试验装置。在该试验装置的供料器内，经喷嘴引入压缩空气， 提高了供料器内的真空度，使物料能更加充足、均匀地进入供料器。而且，着重从 理论上论述了压缩空气喷嘴的流渗嘴射流抽引现象产生机理，分析了新型吸送式 气力输送的原理与可行性，并对其进行了试验。试验结果证明，不但新型吸送式气 力输送原理正确，而且比传统的吸送式气力输送，固气混合比大幅度提高【2 i j 。北京 航空航天大学研制了一种由导流叶片所形成的旋流吸送式气力输送装置，通过进 料螺旋输送器的作用，在一定的导流叶片角度条件下存在着双旋流，在环形旋流 流场条件下管路外环处形成轴向速度较大的气流层，而在截面中将形成径向压力 梯度场，目的是吸送物料的同时尽量减少与管壁的摩擦 2 2 1 。文献 2 3 中提出一种 气固二相流螺旋吸取料装置新方案，该螺旋吸料装置构思新颖，使物料与空气在 较为简单的装置内完成了复杂的进料、加速、分离、输送、卸料运动过程。该装 置具有优良的连续取料性能，有效降低了吸送过程中的高磨损。由此不难发现， 为了解决管壁磨损问题科研人员的研究方向正朝着通过相对简单的结构引入一种 能够起到保护作用的旋流技术，这也是本文在原砂吸送技术研究的出发点。 1 2 2 龙卷风抽吸原理 自然界中的龙卷风具有十分强劲的抽吸能力，若能通过人工方法产生一个类 似于龙卷风的抽吸旋流场，无疑会大大提高原砂吸送系统的抽吸能力和抽吸距离。 受到这种自然现象的启发，本文从自然界龙卷风的形成机理入手逐步探析人工控 制龙卷风抽吸的原理，进而分析原砂吸送系统应用此项技术的可行性、必要条件 3 沈阳理工大学硕士学位论文 及方式方法。 龙卷风是大气中威力强大、破坏力极大的一种小尺度系统 7 , 4 - 7 6 1 。关于龙卷风的 发生原因与机制，各国气象学家已提出了若干种理论、假说，但这些理论和假说 尚不能与观测事实很好地相符f 2 7 - j 2 1 。文献 3 3 提出雷暴云是龙卷风形成的根本原因。 因为雷暴云中积累的大量正负电荷受上升气流和下沉气流的作用，当大量积累的 雷暴云中的正负电荷不断地随上升气流和下沉气流交互运动时旋转扰动导致“旋 转磁场 普遍情形的电场( 静电场和感应电场即涡旋电场的叠加) 与磁场相互紧密 地联系在一起，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，由此受到电磁扰动 影响气流也会相应发生有规律的旋转流动。在积聚到足够多的能量后，龙卷风就 可能会在顷刻之间迅速生成。但这种电磁叠加理论并不被外界广泛接受，更受人 推崇的则是相变理论，即在龙卷风中心不断被高速吸送的空气发生的相变过程是 维持龙卷风继续存在的能量源 j 4 - 2 6 - 1 。 文献 3 7 中利用气压梯度力、惯性离心力、黏性力三力平衡的柱坐标( ，乡，z ) 下的大气动力和热力学方程组，求龙卷风的三维速度场( v r ，吃) ，从理论上绘制出 龙卷风的三维漏斗型结构。充分说明龙卷风由涡旋流和急流这两种流叠加而成， 涡旋流是由惯性离心力造成，急流是由水平辐合辐散而引起的强对流。中国矿业 大学的张景松【，& 瑚认为龙卷风的纵长涡接近于三维点涡，在三维点涡的底部，流动 接近于二维点涡，提出了人造龙卷风控制抽吸的设想。通过大量的定性观察和定 量测量，结果表明，成龙卷风的必要条件：有诱导旋流；在流场中能形成一个称 为旋涡生成区的流动区域。该区域的特征是流体具有向内汇集流动的趋势，即 o r 0 ：诱旋射流的持续旋转运动。这样通过人工方法可诱导出稳定的人造龙卷风。 加拿大工程师l o u i sm i c h a u d t o 用类似龙卷风的旋转空气涡旋在一座直径2 0 0 米、高1 0 0 米的巨大柱形墙内产生。地面的热空气通过一些围绕墙基的入口沿切线 方向进入。要启动涡旋还需注入蒸汽。一旦启动，地面空气中的热量足以使旋风继 续。随着空气上升、膨胀、冷却，水蒸气凝结，释放出更多的热能。当空气急速通 过时，底部的上升旋风带动涡轮机就发出电来。上个世纪8 0 年代西班牙就有一座 小型太阳能烟囱成功运转，澳大利亚一家名为e n v i r om i s s i o n 的工厂正计划在新南 威尔士建造一个1 0 0 0 米高的太阳能烟囱样板。以上都是基于龙卷风发生的相变理 第1 章绪论 论，但都规模庞大，实际操作性差。为此，有科研人员开始关注能否通过机械送 风的方式来实现龙卷风的抽吸效果，应用在旋流吸送、通风除尘、旋涡气流光整 加工等方面 4 1 删。 从各方面的研究成果来看，利用人造龙卷风的形成及控制理论，得到高速旋 流吸送技术的发展方向是一条既有创新性又具挑战性的道路。本文将通过机械送 风的方式，由龙卷风的三维漏斗型结构理论应用到原砂吸送中，使其输料管道内 有高速旋流、中心负压及湍流稳定三个必要条件，从而达到旋流集中吸送原砂的 目的。 1 2 3 吸砂斗的设计 铸造行业内传统吸送系统的吸砂斗f 1 2 0 世纪7 0 年代以来得到广泛发展】。美国 c y c l o n a i r e 公司开发的c y c l o n a i r e 装置将文丘里喷嘴与充气罐组合在一起，利用同一 罐进行吸压操作，取得良好经济效益习。瑞典c a r l s e n 公司开发的d r 装置采用交替装 料和压送，螺杆空压机作吸压操作，其输送量和输送距离已达至u 8 0 0 t h 和5 0 0 m 脚l 。 此外较为著名的是美国f u l e e r 散料处理公司的d o c k s i d e r ! 嶷置m 和b m h 公司的d o c k m a s t e r 装置【删。 国内，由于管壁的磨损是铸造生产中原砂吸送系统中的一个重要制约因素， 近年来也日益重视原砂吸砂斗的开发与研制，出现了众多类型的原砂吸砂斗。吸 砂斗多采用喉管结构，主要分为动力形喉管和l 型喉管1 4 9 4 0 。 现有的吸砂斗显然无法消除管壁磨损严重的弊病。本文的研究对象是原砂气 力式吸送系统。以负压、密相吸送方式为前提，引入人造龙卷风的抽吸原理设计 空气旋流加速器( 吸砂斗) ，并研究相关结构参数及操作参数对旋流吸送性能的影 响。空气旋流加速器的特点就是突出由高速旋流形成的强势负压抽吸物料，目的 是旋流集中吸送物料于管道中心区域，达到物料与管壁间无摩擦。 1 3 课题研究的内容及方法 为更深入地研究在负压、密相吸送条件下工作的空气旋流加速器输送特性， 本文内容主要包括试验室研究和数值模拟研究两方面，并结合流体力学的数学推 5 沈阳理工大学硕士学位论文 导和人工神经网络预测技术，完成以下几方面的工作： 一、空气旋流加速器模型的设计与制作 应用龙卷风抽吸原理设计空气旋流加速器，进行流体速度场数学分析，喉管 和旋风入口的受力、临界速度分析。并制作空气旋流加速器的试验模型。 二、空气旋流加速器的结构参数及操作参数对原砂吸送特性影响的试验研究 选用合适的气源动力装置和数据检测系统，制作空气旋流加速器模拟原砂吸 送试验。在此基础上，调整空气旋流加速器结构参数和操作参数条件下观察其吸 送物料的效果，监测喉管、旋风入口和吸送管道内的速度、压强值，并分析其分 布状况对吸送特性的影响。 1 物料吸送管长度对喉管入口、旋风入口风速及输料管道过流断面的静压分 布等吸送特性的影响。 2 物料和旋风入口面积比对喉管入口、旋风入口风速及输料管道过流断面的 静压分布等吸送特性的影响。 3 系统负压对喉管入口、旋风入口风速及输料管道过流断面的静压分布等吸 送特性的影响。 三、数值模拟研究及试验验证 利用数值模拟方法对输料管道内复杂的三维流场进行计算、分析： 1 输料管内过流断面轴向速度的模拟计算与试验验证。 2 输料管内过流断面切向速度的模拟计算与试验验证。 3 输料管内过流断面径向速度的数学预测模型与c f d 模拟结果验证。 4 输料管内过流断面静压的模拟计算与试验验证。 5 输料管内过流断面湍动能的模拟计算。 四、人工神经网络预测 基于人工神经网络方法，利用m a t l a b 软件对本文试验及数值模拟结果进行分 析整理，预测空气旋流加速器在不同工况下的相应依据。 6 第2 单空气旋流加速器的设计及制作 第2 章空气旋流加速器的设计及制作 21 空气旋流加速器的设计 空气旋流加速器的设计思路是基于负压、密相吸送为前提，利用人造龙卷风 抽i 吸原理，针对铸造行业设计原砂吸砂斗窀气旋流加速器。空气旋流加速器 主要由蜗壳、拉法尔管、喉管、旋风入口四部分构成，整体设计见图21 ( p r o e 实体设计图) 所示。 剀2 1 空气旋流加速器设计幽 211 蜗壳和旋风入口结构的设计 这部分的主要功用是从旋风入口切向进入的气流经过蜗壳( 外壳迹线遵循阿 基米德螺线方程附k0 ) 得到收缩加速，增强了旋风的旋转能力。其中蜗壳中心 内筒尺寸为中2 0 0 x 2 0 0 m m 壁厚2 m m 。 沈刚理下大学硕士学位论文 圈2 2 空气旋流加速器蜗壳示意剧 212 拉法尔管和喉管入口的设计 拉法尔管的卜沿紧接蜗壳的下沿，在系统负压较低时拉法尔管的收缩段起到 压缩空气增速效用，扩展段则是在物料出门处起到稳流作用；在高系统负压下经 过收缩增速，达到音速，再经过扩展段后气流速度增大到超音速范围。物料从喉 管进入在拉法尔管旋流负压条件下瞬间完成吸送过程，管道内的高速旋转气流足 以保证物料的集中吸送。 喉管是空气旋流加速器的重要结构，本文设计的喉管外径为5 0 m m ，壁厚2 n m l ， 长度共三种分别为5 7 5 n u n 、6 0 0 r a m 、6 9 5 m m ，超出蜗壳外缘长度均是5 0 m m 。 本文空气旋流加速器吸送试验装置主要结构尺寸见图2 3 所示： 图2 3 空气旋流加速器吸送试验装置土要结构及尺寸 第2 章空气旋流加速器的设计及制作 2 2 受力分析 在喉管内由于没有旋转气流，故原砂受力主要由气压梯度力、重力、摩擦阻 力和粘性阻力组成。然而，在输料管道内由于引入了旋风口的旋转气流的三维旋 流场，受力情况相对复杂【钔j ，1 。所以，有必要对其受力情况进行仔细分析，简化对 流场变化、原砂吸送影响较小的力。 重力；在流体力学分析中总是一个不可忽视的因素，然而在高速旋流场作用 下，相比气压梯度力来讲，重力作用范围多集中在输料管道的轴向方向，对旋流 场影响甚微【5 叼。为此，本文在力学、数学分析时忽略被吸送颗粒的重力。 粘性阻力，在两相流动中，颗粒所受到的粘性阻力大小受到许多因素的影响， 它不但和两相流的雷诺数，而且还和流体的湍流运动、流体的可压缩性、流体与 颗粒温度的不同、颗粒的形状、壁面的存在和颗粒群的浓度等因素有关。因此，。 颗粒的阻力很难用统一的形式表达。为了研究方便，引入阻力系数的概念【5 q ，其定 义为： 这样颗粒的阻力可表示为： 耻赢 c = 孚叫。训2 式中：c d 阻力系数： c 粘性阻力 ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) 咋颗粒速度 肌s 一： 0 颗粒半径聊。 压力梯度力，颗粒在有气压梯度的流场中运动时，除受粘性阻力外，还受到 由压力梯度引起的作用力，其计算公式为： 2 尝肌以 协3 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 式中：c 压力梯度力 ； p g 气流密度 堙m 。3 ； 岛颗粒密度 k g - m ； m ，颗粒质量 姆； 口g 气流加速度 堙一 压力梯度力是旋流场中气流集中原砂吸送的重要因素。 惯性离心力，在高速旋流场中由气流的旋转速度引起的惯性离心力对物料形 成了由内向外的张力作用，迫使其有向外运动的趋势，而且旋流运动的气流场还 在中心轴向区域衍生出轴向速度场，加速轴向吸送物料嗍。惯性离心力在很大程度 上支撑了整个旋流吸送过程，是原砂力学分析中不可或缺的重要影响因素。 f 。= m p 等( 2 - 4 ) 式中：c _ 惯性离心力 n ； m ，颗粒密度 堙； d p 颗粒速度 m s 一： 厂颗粒距管道中心距离 m 。 虽然，在高速旋流场中肯定会有温度梯度存在，然而根据试验现象的观察分 析发现，本试验装置运行过程中旋流速度产生的温度差很有限，即由温度梯度引 起的热泳力在数值上较压力梯度力、粘性阻力等小得很多，在此情况下可以忽略 不计。 综上所述，原砂在吸送管道内的旋流场受力简化为惯性离心力、粘性阻力和 压力梯度力三力平衡力学模型，成为数学分析及计算机数值模拟的基础。 2 3 空气旋流加速器旋流吸送过程的数学分析 空气旋流加速器的一端接引风机，通过负压吸送方式提供能量。由旋风入口 吸入的空气在蜗壳形成旋转气流，经拉法尔管，速度不断增大，并与由喉管吸入 1 0 第2 章空气旋流加速器的设计及制作 的物料在拉法尔管扩张段汇集。两相流稳定后，高速旋转气流的向心压力梯度力 将物料集中在涡核负压区域，物料处于无旋( 或旋度很小) 有势状态下在输料管 道中集中吸送。 以下将以气流作为介质相( 第一相) ，固体物料作为颗粒相( 第二相) ，利用 流体力学的n a v e l s t o c k s t 绷3 方程导出旋转流动的基本方程。 由连续方程1 6 2 - 酗! v d = 0 式中，d 是流体的速度矢量 将动量守恒方程和牛顿第二定律应用到一个流体微元上， 于作用在其上面的总力。即： p 尝一跏可什昭 ( 2 5 ) 质量乘以加速度等 式中，夕是流体密度；p 是流体压力：g 是重力加速度；f 偏应力张量。 ( 2 6 ) 上式在柱坐标系( ，0 ，z ) 中表不如f ，兵中z 轴是旋转加速模型的轴向方向， 且垂直于水平面。 p c 等+ v r 等+ 争等警一争= 一考一t l ，l 防( ，+ 吾品”。2 引 昙。一叠】+ 店， p ( 鲁+ u ，等+ 等等+ 吃警+ 芋) - - ! r 鱼o g 一7 1 矿o - 2 小吾品f 引。2 剐 昙+ 盟】+ 昭口 从等+ 啡等+ 争等+ 争= 一考一哆昙c ，+ 吾刍气+ 昙乞j + 昭：c 2 引 物料随气流进入喉管时，在入口处有段明显的瞬间加速过程，稳定后两相流 体基本是匀速运动。因此，在不计颗粒与气体之间的拽力相互作用情况下，通 z - t 式2 - 7 、式2 - 8 、式2 - 9 简化得到的喉管处气流数学模型为： o：望(2-10) o - 詈 ( 2 - a 9 沈阳理工大学硕士学位论文 ：罢：一罢- i - p g ： (212),or 1 2 ：_ = 一毒 ： k z 0 2亿 由式2 1 0 、式2 1 l 、式2 1 2 可知，喉管内的气流方程集中表现在轴向部分，而气 体的重力又很小，所以颗粒被抽吸到输料管道的动力主要由喉管内外的气压差来 提供。 与此同时，从蜗壳侧面的旋风口切向进入的气流沿着阿基米德螺线轨迹形成 旋转气流，并在拉法尔管收缩加速。假设在喉管与拉法尔管之间的气流处于稳态、 轴对称，有径向速度( 常数) 的情况下，对上述旋流运动方程式2 7 、式2 8 、式 2 - 9 简化为： 一d 坚：一塑 一p 等一宴o r， p ( 坼孕+ v , v o ) ：o d r r ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ：擎：一宅+ ： (215)pvp g 21 5 ：- = 二2 一+ ： l o z陇 式2 1 3 表示在径向方向，惯性离心力和压力梯度力平衡，此时旋流中的压力 沿径向向外增加。式2 1 4 中，由于u ，和p 为常数，所以 堕+ 堕：0 ( 2 1 6 ) 咖， 式2 - 1 6 解得= 一c ，( c 为常数) 即切向速度随径向增大而降低。实际上气旋速 度并不是沿径向严格递减，这是由于管壁带来的不可避免的粘性阻力造成的，但 作用范围很小仅限于喉管外壁附近。 式2 1 5 中，由于气旋的密度夕很小( 可忽略) ，所以拉法尔管的结构变化带来 的气压差使得气流在轴向上不断加速。 即丝：一望 p i 一言院o z ( 2 - 1 7 ) 经过拉法尔管收缩加速的旋转气流与喉管出来的两相流体汇合，二者经拉法 尔管扩张段后，湍流相对平稳，共同进入输料管道形成兰金组合涡1 6 4 1 ，即由涡核区 域的准强制涡和外层的准自由涡组成。涡核区域的准强制涡中气流无径向速度， 1 2 第2 章空气旋流加速器的设计及制作 稳态流动，则式2 - 8 可简化为呈( ，：f 印) ：o o r 得出r 印= 罟，根据文献 5 5 ，假定牛顿流体动力黏度系数为常数，即 ( 2 1 8 ) = 叫 ，导( 孚) + 吾等】 ( 2 舶) 因为在秒方向的梯度为零，可略去式2 1 9 中等式右边的第二项，然后将其带 入式2 1 8 得出： ：c l ，+ 鱼 ， ( 2 2 0 ) 在r = o 时，无穷大是不可能的，因而可知常数c 2 = 0 ，即涡核区域满足强 制涡方程 = c 1 ，= 伢 ( 2 - 2 1 ) 反之，当，一o o ，也不可能为无穷大，此时c l = 0 ，即涡旋外层区域满足自 由涡方程 e o o2 二 ， ( 2 2 2 ) 上述为两相流中气流的流动状态方程。据动量定理可知在喉管颗粒与旋转气 流接触后，相互作用使得颗粒也得到相应的切向速度。 p s v o = ( p g + 砟) ( 2 2 3 ) 式中：& 气流密度k g m 4 ； 砟颡粒密度k g m 。3 ； 气体切向速度m s ； ， 颗粒切向速度肌s 一。 考虑在高速旋转流场情况下重力场作用很小，在径向方向上，同时忽略气体 浮力、气流阻力对物料的拽力影响，只有惯性离心力和压力梯度力。 跳舢力c 喁等2 喁等t 2 码c 老广芋 协2 4 ， 压力梯度力 = 尝加以巩万p g 等2 1 3 ( 2 2 5 ) 沈阳理工大学硕士学位论文 曼：丝：垒： f pl p s + p 了 ( 2 2 6 ) 因为气体密度远小于物料的密度，所以鱼 1 男v z , ，式2 2 6 中譬 1 。 p p t 9 由上式2 2 6 可知，输料管内三维旋流速度场在径向上物料颗粒的惯性离心力 小于压力梯度力。从理论上证明了被吸送物料足以在向心压力梯度力的作用下团 聚在涡核中心不会溢出到输料管壁上，避免物料与输料管壁间接触摩擦。实际上， 由于物料的吸送属密相吸送，物料颗粒间的相互碰撞会使得他们获得的旋度更小， 保证了在压力梯度力作用范围内使得物料在涡核中心区域沿轴向方向被吸送。 当然，要完成旋流集中吸送物料不可获缺的前提就是高速旋流场的速度值， 它直接关系到旋流场弱化物料重力的作用，以及旋流场压力梯度力的大小。 2 4 临界吸送速度预测 2 4 1 喉管入口临界速度 原砂在喉管入口的最小临界速度大小，决定着能否有效控制其在输料管道内 的吸送效率。根据文献 6 5 中输送气流的经验数据，利用下式进行估算： = 0 0 k z 拓+ e l ( 2 2 7 ) 式中 喉管入口最小临界速度( 朋s - 1 ) ： 口与被输送物料粒度有关的系数( 本文取口= 1 6 ) ； 以物料重度( n m 3 ) ； 与被输送物料特性有关的系数( 一般取_ 2 5 x 1 0 5 ) ： 三输送距离( m ) ，对于三不足1 0 0 m 的装置，上式右边第二项很小，可 以忽略不计。 但考虑到本文研究的原砂吸送属于密相栓流输送形式，故要在最小速度计算 时加2 0 的系统漏风。根据式2 2 7 及涉及的相关条件约束关系计算出喉管入口最 1 4 鲁再砟 一o 第2 章空气旋流加速器的设计及制作 小速度为3 0 n d s 。 2 4 2 旋风入口临界速度 旋风入口临界速度是空气旋流加速器一个很重要的操作参数，它的大小将直 接影响到输料管道内能否形成高速旋流场，进而满足消除重力场作用影响，旋流 集中物料，实现无摩擦输送。 根据流体力学中流体微元运动方程在柱坐标系下7 方向的分量为： 以等+ 坼警+ 等等+ 叱警一争一害一号昙c ，+ 吾品+ 。2 猫) 昙。一鱼】+ 偌， 对上式旋流运动方程进行简化。在不可压缩、稳态( 昙= o ) ，轴对称 ( 三= 0 ) ，切向速度只与r 有关= v o ( r ) 。由此，式2 - 2 8 可化简为 。移 一p 坠：一拿+ p g ， ( 2 2 9 ) 为了能够在输料管道内的旋流场消除重力场影响，那么原砂的重力在数值上 要比压力梯度力小很多，故可以进行以下估算： 啷r 怯嘞gr b 虼雩武、 哂 式中p r 砂= 2 4 0 0 k g m 3腔气= 1 2k g m 3 r = o 0 4 m ( 吸送管道内径) 计算得出输料管道旋流场的最小旋转速度值是8 9m s 。 根据以上对空气旋流加速器的结构尺寸设计，推算旋风口的最小临界速度： 2 3 u 蔗船2 蕊 = 1 0 m s( 2 3 1 ) 对本课题的试验用吸送原砂的风机来说，要达到这样的旋风口风速要求有些 困难。而小米的粒径与原砂相近均为l m m 左右，密度仅是原砂的一半( 约1 3 0 0 k g m 3 ) ，而且吸送物料为小米时相应的旋风口最小风速为7 4 m s 就可以达到要求。 所以，考虑到具体试验条件本文吸送试验选用小米替代原砂作被吸送物料。 1 5 沈阳理1 人羊硕十学位论史 叫确了要保证旋流集中吸送物料最重要的两个必要条件喉管和旋风入口 临界速度( ”r * = 3 0 m st ”h = 7 4 n 1 s ) ，为适应不同工乩条件的空气旋流加速 器结构参数的设计提供了量化依据。 25 空气旋流加速器试验模型的制作 空气旋流加速器内部流场的运动变化牛h 当复杂，运动现象也不便观察。为解 决这困难，h 】有机玻璃材料制作空气旋流力速器试验模掣设备。以机玻璃粉末 ( 什能参数_ i 见表21 所示) 结合三翅甲烷混合溶液作为枯合荆粘接有机玻璃板 制作空气旋流加速器有机玻璃试验模型，见图2 4 所示 表2i 有机玻璃的性能参数 26 本章小结 嘲24 空气旋流加述器有机玻璃试验模型 本章在负压、密相吸送为i j i 提下，利用人造龙卷风抽吸原理，设训卒气旌流 加速器。分析得到惯性离心力，粘性阻力和向心压力梯度力组成的三力平衡的力 学模型。确立了保障旋流集中吸送下，喉管和旋风入u 的】| i i ；界风速。并采用有机 玻璃制作出宅气旋流加速器试验模型。 雷 第3 章空气旋流加速器的结构参数及操作参数对吸迸特性影响的试验研究 第3 章空气旋流加速器的结构参数及操作参数对吸送 特性影晌的试验研究 在本章中设计了模拟原砂吸送系统的试验装置，并对其工作特性进行研究 31 试验系统、方法和条件 311 试验系统 3111 试验装置 图3 1 吸送试验装置示意圉 本试验系统由空气旋流加速器、输料管道、分离器、卸料器、引风机等组成， 整个试验系统见上图31 所示。引风机为c z r - 1 0 0 离心式引风机，输出功率 07 5 k w ，最高压力l8 k p a ，风量2 0 m 3 m i n 。分离器密闭性良好，分离效率9 5 。 输料管道尺寸为中8 0 x 2 0 0 0m r f l ，壁厚2 r a m 。空气旋流加速器喉管入口直径中5 0 ， 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 长度有三种5 7 5 衄、6 0 0m m 、6 9 5 哪，旋风入口尺寸也有三种1 9 0 x 1 0 5 衄、1 9 0 x 7 0 咖、1 9 0 x 3 5f i l m 。还在空气旋流加速器和输料管道上设立了5 个数据测量位置。 3 1 1 2 测量系统 用于流体速度测量的方式、方法很多，本试验采用了传统的皮托管流速测试 仪。皮托管结构简单，使用方便，在一定的测量范围内可达到很高的精度。在皮 托管头部的顶端，迎着来流，开设一个小孔，此孔用来接受流体的总压。在离头 部约为三倍管径处，环绕管壁开设若干个小孔。这些小孔应与壁面垂直，使用中， 用来接受流体的静压。头部小孔和侧壁小孔分别与两条互不相通的管路相连，并 分别接到压差计的两端，根据压差计读数和利用相关公式计算，即可获得被测点 的流速。 皮托管( 见图3 2 ) 测速原理是依据不可压缩液体的伯努力方程明。在同一流 线上，流体参数有如下关系p o = p + 去p u 2 ( 3 1 ) 从而 。= 1 巫2 ( p ；- p ) 式中：p 。、p 分别流体的总压和静压p a ； ( 3 - 2 ) 户流体的密度堙m 3 ； 0 硫体的速度m s 。 利用差压计可直接测出p 。一p 之差，流体密度p 通常为已知或可测。那么利 用式( 3 2 ) 可计算出流体的流动速度。 ，静压+ 动压( ，) 3 1 2 试验方法和条件 、 静压( p ) 图3 2 皮托管测速原理示意图 本试验主要研究空气旋流加速器的结构参数、系统负压对吸送性能的影响， 1 8 第3 章空气旋流加速器的结构参数及操作参数对吸送特性影响的试验研究 静压的压差测量位置见图3 3 所示。其中，监测位置1 、2 分别为喉管和旋风入口 风速监测点，监测位置3 、4 、5 距离喉管入口的距离分别为7 0 0 m m 、1 2 0 0 m m 、 1 7 0 0 r a m ，主要负责输料管道内风速、风压值的监测。 枞t l 芒 l 1 7ji i l 一 三_ 哥一 _ 弋弋 喉管撇擅法jlc蕾 曩迸蕾蓬 图3 3 静压j 压差测量点位置示意图 试验中，各数据检测位置保持不变，通过调整表3 1 中的各项参数值进行空气 旋流加速器吸送特性的分析、研究。 表3 1空气旋流加速器结构参数 3 2 试验结果与讨论 3 2 1 喉管长度对吸送特性的影晌 在本文研制的空气旋流加速器的喉管的长度是影响吸送效果的一个重要结构 参数。首先，按照传统的方案设计喉管，旋转空气流与物料在拉法尔管的收缩段 接触，不仅没有达到较高速度旋流的吸送能力，而且物料易受到气流转动惯量的 冲击，成为一个个带有旋转速度的悬浮颗粒，那么拉法尔管成了旋风分离器将物 料无一例外地甩至管壁。再者，喉管直延伸到输料管道里，错过了拉法尔管喉 管部分( 负压最低) 失去通过结构调整提升输送效率的意义。因此，研究喉管长 度对吸送特性的影响，优化结构配置很有必要。 1 9 沈阳理工大学硕士学位论文 3 2 1 1 喉管长度对两入口风速的影响 本文为空气旋流加速器试验模型的喉管共设计了三种管道长度( 5 7 5 m m 、 6 0 0 m m 、6 9 5 m m ) ，在旋风和喉管入口面积比为1 2 ，其他条件不变的情况下分别在 不同系统负压( 1 2 0 0p a 、1 8 0 0p a 、2 2 0 0 p a ) 下测试喉管入口和旋风入口的风速 见表3 2 ，表3 3 所示，分别为旋风入口和喉管入口用皮托管测量风速各五次。 表3 2 喉管入口风速试验测量值单位：m s 喉管长度 5 7 5 m m 6 0 0 m m 6 9 5