（环境工程专业论文）气力输送气固两相的流动特性研究.pdf

摘要 摘要 气力输送是利用具有一定的压力和一定速度的气流在管道中输送粉粒状物料的一种方法。在输 送过程中体现循环利用资源、节能降耗，减少环境污染的宗旨。因此越来越受到备行各业的关注， 有着广泛的应用前景。 本文主要建立了悬浮气力输送中垂直管和水平管的气同两相流的流动数学模型在此基础上运 用f l 哪软件求解气力输送中气词两相的流动。此模型考虑了气同两相同相互作用、颗粒问碰撞作 用以及颗粒与壁面间相互作用。通过对不同浓度的物科颗粒在水平管和垂直管中输送的流动情况进 行数值模拟，得到了其中的压降损失、气同速度分布、浓度分布的初步数值模拟结果。在一定的输 送量下连续稳定的物料输送过程中，寻求能量消耗晟少的经济速度，并与相关的文献数据进行对比， 来证明简化的数学模璎和f l u e n t 模拟具有较好的适应性和准确性。 首先应用二维气岗两相湍流流动模型对悬浮气力输送中垂直管物料输送进行了研究可以发现 在垂直气力输送过程中，气同速度分布呈现对称分布。气体速度管中心较大，变化比较平坦，而管 壁面速度较低，速度梯度变化大；固相速度总体来说沿管径方向变化幅度较小，管中心崮相速度比 四周速度略微丈些。在垂直输送管道中入口管中心有一个较高的颗粒浓度区。在达到恒定输送的时 候，颗粒浓度维持着管中心浓度高，壁面低的非均匀分布。 另外采用所建立的三维模型对影响悬浮气力输送中水平管物料输送过程的主要因素进行了系统 研究，获同样也获得了不同输送条件下的压降一气速流态图、最佳经济速度、气阉两相速度分布、 颗粒浓度分布的数值模拟结果以及颗粒粒径和密度等因素对输送过程中的影响。发现在水平物科输 送过程中，因为受颗粒湍动和重力的影响，气同速度分布呈现非对称的速度分布，同相颗粒浓度分 布也是不均匀。在圣直方向上呈现逐渐增大。存在一个向管底偏移的高浓度区，水平方向上则是管 中心浓度较高，壁面浓度较小。最终得到在各种输送条件下，悬浮同相颗粒在水平管中的形成的分 布形态。 最后对所做工作进行了总结，井在此基础上，指出其中的不足，提出了今后的研究发展方向。 关键词：气力输送；气同两相流动；压降损失：数值模拟 查堕盔兰堡：兰兰堡丝塞 a b s t r a c t p l l e 啪t i cc o n v e y i n gi sak i n do fm e t h o dt h a tc o n v e y s 啮t e r i 8 1 sb y 田e a n so fp r e s s u r e 锄dv e l o c i t yo ! f 肚s i nc o n v e y i l l gi tc 卸m a l 【eu s eo fr e s o i l r c e s ，r 酣u c ee n e r g y 豫s t i n g 删 e n v i r o 加e n tp 0 1 1 u t i o i ls od i f f e r e n ti n d u s t r i e sp a y r ea t t e n t i t 0i t i i a t h e 哪t i c a l d e l so fg a s - l i df l o - sa b o u tv e r t i c a l 锄dh o r i z o n t a lp n e 啪a t i c c o n v e y i n gi ns u s p e n s i o ni ss e tu pt oc 伽p u t eb yf l u e n t t h em o d e lc o n s i d e r si n t e r t i o n b e t _ e e ng a s s o l i d ，s o l i dc o l l i s i 曲s 柚d l i d l a l lf r i c t i o nr e s i s t a n c e b y 电e a n so f s i 叫l a t i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r 8 t i o n s0 n 吡t e r i a l si nv e r t i c a l 锄dh o r i z o n t a lp n e 岫a t i c c o n v e y i n g ，p r e s s u r ed r o p ， t h em e 柚g a s s o l i dv e l o c i t ya n dt h ep a r t i c l ev 0 1 加ef r a c t i o n d i s t r i b u t i o n sc 卸b eg e t i nt h ec o n t i n u o u sa l l ds t e a d yt r 锄s p o r t a t i 伽， 1 0 0 kf o rt h e 站1 t a t i o n 阶sv e l o c i t yc o ”e g p o n d i n gt ot h el 佣e s te n e r 盱1 0 s s e si n t h ea c c u r a c ya n dt h e a p p l i c a b “i t yo fb o t h d e l 锄dt h es i 叫1 a t i u s i n gf l u e n ta r ed 伽s t r a t e d - i t ht h e e 置p e r i m e n tr e s u l t s f i r s tas i 皿p l i f i e dp l 鲫b r 蛆t h 鲫a t i c a lm o d e lf o rv e r t i c a lp n e 哪t i cc o n v e y i n g c y l i n d r i c a lp i p ei se s t a b l i s h e dt os t u d yb ys i 删1 8 t i f l g f i n d t t l a ti nc o n v e y i n gt h em e 柚 g a s s o l i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni ss y 岫e t r i c a l a 】【i a la v e r a g eg a sv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n i se v e mt h a ti st o 船y ，i ti sf a s t e ri nc e n t r a l8 r e a st h 蚰i nl a t e r a la r e a s ：g a s l r e l o c i t y g r a d sc h a n g e 口e a t ：b u ts 0 1 i d _ 、r e l o c i t yc h a n g e1 i t t l e ，i ti ss l ig l t l yf a s t e ri nc e n t r a la r e a g t h 锄i n1 a t e r a la r e a s ii ne n t r 柚c et h e r ei s8h i g hp a r t i c l ev 0 1 咖ef r a c t i o nd i s t r i b u t i a r e 8 - h e nr e a c hi n v b r i a b l et r a n 印o r t 8 t i o n ，a v e r a g ep b n i c l ev o l 伽ef r a c t i o n i s1 a r g e r i nc e n t r a la r e a st h a ni nl a t e r a la r e a s i na d d “i o nas i m p l i f i e dt l l r e e d i 皿e n s i o 舱1 帕t h 哪a t i c a l 帖d e lf o rh o r i z o n t a lp n e 岫a t i c c o n v e y i i l gc y l i n d r i c a lp i p ei se s t a b l i s h e 血 n 岫e r i c a ls i 叫l a t i o f 吐t e r i a l sh o r i z o n t a l p n e u t i cc o n v e y i n gi ns u s p e n s i o ni sd o n gb yf l u e n t 帅da n a l y z ez e n z t y p ep t i a s e d i a g m t h e 皿e a | l 髓sv e l o c i t y ，t h em e 柚l i dg b sv e l o c i t y ，t h ed a r t i c l ev 0 1 岫e f r a c t i o n d i s t r i b u t i o n s 卸di n f l u e n c eo fd i 硼e t e r 柚dd e n s i t n f i n dt t l a ti nc o n v e y i n gt h em e 锄 g a s s 0 1 i dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni su n s y 哪e t r i c a l ：p a r t i c l ev 0 1 呻ef r a c t i o nd i s ”i b u t i 彻 i su n e q u a l i t y i nv e r t i c a ld i r e c t i o nt h e r ei sah i 曲触r t i c l ev o l 岫ef r a c t i o nd i s ”i b u t i o n a r e a i nh o r i z 佣t a ld i r e c t i o na v e r a g ep a r t i c l ev o l 肌ef r a c t i o ni sl a r g e ri nc e n t r a la r e a s t h 卸i nl a t e r a la r e a s s 0p a r t i c l ed i s t r i b u t i u n d e rd i f f e r e n tc d i t i o n si nc o | i v e y i n g c a r ib es i 删1 a t e d i nt h ee n do ft h i sp a p e r ，as u 脚a 玎i sm a d e ，f i n d i n gs h o r t c 伽i n g s 彻dp o s s i b l ed i r e c t i o n o ff u r t h e r 柏r ki sd r o p o s e d 1 【e y 们r d s ： p n e u a t i cc o n v e y j n g ：g a s s 0 1 i df l 佣s ：p r e s s t l r ed r o p ：n 岫e r i c a ls i 删l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：勉堂壅， 日期：鱼丑型1 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：扬疆蓝。导师签名： 姻期：纽射， 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今社会提倡环境保护，节能降耗是人类社会的一个热点。保护环境己成为人们的共识。随着 社会生产力的发展，科学技术的飞快提高，人类在创造了大量财富的同时，工业生产也造成了严重 的环境污染，威胁着人类和其他生物的生存。为了能够给子孙后代留下一个干净舒心的生活环境 人们想办法采取各种措施节能降耗，保护环境以减小环境污染给我们的生活带来的危害。气力输送 就是体现了这一思想的一个有力措施。 气力输送是利用具有一定压力和一定速度的气流在管道中输送耪粒状物科的一种方法由于 在输送的全过程中，粉状物科完全在密闭的管道和容器内传送不暴露在空气中，不会造成环境污 染，因此气力输送符合是清洁化生产、循环利用资源、节能环保的可持续发展道路，越来越为各行 各业所接受有着广泛的应用前景，目前已在以下领域获得重要应用。 1 气力输灰技术 气力输灰包括正压和负压气力输送两种，灰气比高，输送距离长，是全环保、全密闭的散料输 送方式。一般应用在火力发电厂输送粉爆灰，炼铁工业输送除尘灰等方面。气力输灰技术利用全封 闭式的输送管道依靠气流输送灰分，减少了工作环境的粉尘飞扬。避免了二次扬尘和污水，防止了 被输送物料受到潮湿和污损。有利于实现灰分的无污染输送，改善了工作条件，提高了工作效率” 日 2 管道气力废物输送 近年来，管道气力输送开拓了一个新的应用领域管道气力废物输送，把气力管道输送技术 扩展到城市卫生和公用事业领域尤其是城市垃圾的收运领域。气力管道城市垃圾收集是指通过预 先铺设好的管道系统，利用负压技术将生活垃圾抽送至中央垃圾收集站再由压缩车运送至垃圾处置 场。它是国外麓达国家近年来发展的一种高效、卫生的垃圾收集方法。它主要适用于高层公寓楼房、 现代化住宅以及对环境要求比较高的地区。利用此方法把垃圾流密封，隐蔽和人流完全隔离，有效 地杜绝了收集过程中的二次污染：显著降低了垃圾收集劳动强度，提高了收集效率 基本避免了垃 圾运输车辆穿行于居住区减轻交通压力和环境污染；垃圾收集全天自动运行- 不受雨季影响。可 利用一套公共管道收集系统自动分别收集可回收和不可回收垃圾。所以该方法能够不受气候和天气 的影响，实现污染物零捧放、对环境无污染，且没有噪声污染。形成高效、智能化、无中断的物流 运输，对城市可持续发展、城市环境改善与城市生活质量提高有着积极的意义”1 3 清洁生产上的气力输科技术 i 东南人学硕 学位论文 由于在工业生产中某些原料可能会危害人身健康，而且在搬运途中可能会发生物料损耗，物料 浪费，不断地清扫这些泄漏物也会带来浪费和污染。因此输送和装卸各种物料的改进方法应运而生。 而气力输科技术正是适应此理念的首选输送方式。 填充料的要求，已针对物料的特点和用户的要求， 送系统。 为了达到日益严格的环保准则和法规对运送粉剂 研究开发出多种贫相、中相、实相类型的气力输 迄今为j e 气力输送的研究大多为实验研究，还没有成为一门学科。许多气力输送理论只能应用 于特殊系统中少数有选择的物料输送。由此可见大部分气力输送的系统设计仍是以实践经验和设计 经验公式或者曲线为基础的。下面就对国内外气力输送的研究作简要的介绍和评述。 1 2 气力输送的研究综述 1 2 1 气力输送分类 1 稀相输送与密相输送 二十世纪五十年代前绝人部分气力输送系统的特点都是输送气流速度i 自i ，被输送的粒子旱低浓 度悬浮于气体中，在垂直管中呈现均匀分布，在水平管中呈e 翔状态，空隙率很大，通常料、气重 量( 或质颦) 输送比( 简称输送比) 很低，大约为卜5 ；这种物料的输送主要依靠由较高速度的空气 所形成的动能，囡而称为稀相动压输送，简称稀相输送。经过数十年的发展，稀相气力输送在设计 技术方面己渐成体系，但稀相输送存在着能耗大、管道磨损严重、被输送物料易破碎、分离除尘困 难等缺点。研究者们针对稀相气力输送的缺点，研制出了能降低输送风速提高固气比，以达到节 能降耗。减少颗粒破碎和管道磨损的目标的密相输送系统。在该输送系统中，物科在管道内己不再 均匀分布，而呈密集状态，但管道并未被物料堵塞，因而仍然依靠空气的动能米输送，称之为密相 动压输送，简称密相输送。这类流动状态的气送装置有：高压压送、高真空吸送和流态化输送。输送 比的范围很大，高压压送与商真空吸送的输送比大致在1 旷5 0k g k g 范围，流动状态警脉动集团流。 而对于易充气的粉料，输送比可高达2 0 0k g k g 以上。然而在实际运用过程中，发现该技术虽然在 大容量和长距离的输送中很有利，但在短距离输送时。效果不太好。从上世纪六十年代中期开始， 相继出现了利用有压气体的静压为主来推送物料的密相静压气力输送系统，它可以分为栓流和柱流 两种：柱流气力输送的特点是密集状物料连绵不断地充塞管内而形成料柱，移动速度较低，一般仅为 o 2 2 m s ，仅适用于3 0 m 以内的短管输送；梭流输送的特点是人为地把料桂预先切割成较短的科栓， 输送时气栓与料栓相间分开。从而可以提高料栓速度降低输送压力，减少动力消耗，增加输送距 离，这是目前较好的中等距离输送方法。检流输送系统能克服稀相输送的缺点，引起了气力输送技 2 第一章绪论 术上的一次质的b 跃，成为环保、劳卫条件好的新一代粉粒料输送设备，使得散装物料的气力输送 技术进入了一个崭新的阶段。但栓流输送系统设备投资较大，大管径气嗣栓流不能应用，在输送过 程中存在的并栓、崩栓、堵塞等不稳定输送现象，以及不能连续送料等缺点，使得栓流输送的推广 受剑限制1 。 根据_ y p y c h h e 和p a n 的分类“1 ，气力输送的物料颗粒可分为3 类：a 类粒子包括飞灰，石灰和煤粉， 特点是平均粒径和松散堆积密度都小，可以平稳地从稀相悬浮流动过渡剑密相流动状态；b 类粒子包 括塑料珠，小麦粒以及谷物特点是粒径较大但松散密度较小，通常流动性好，适于采用栓塞流动，c 类粒子包括精选沙等特点是松散堆积密度和粒径很大。只能采用稀相悬浮流动方式进行输送。 2 垂直管道气力输送与水平管气力输送 对于垂直管输料，气流对颗粒的气动力与颗粒重力在同一直线上，由于紊流的脉动速度，涡流 影响以及颗粒间的摩擦碰撞和气动力不均匀等用素，使颗粒受水平方向豹力，从而引起水平方向的 运动结果导致颗粒群形成不规则的相互交错上升的螺旋线形运动，因而使颗粒群在垂直输料中， 形成接近均匀的定常流。在物料上升输送中颗粒浓度分布是以管道轴线为对称的，形成管中心颗粒 浓度增赢，壁面浓度较低的现象。l e e 和d u r s t 在垂直管稀相气蒯砖相流中发现在壁面附近的颗 粒浓度下降，管中心浓度偏丈，其管壁面出现了无颗粒区。b 0 l i o ”1 在数值模拟中考虑了颗粒碰撞力 和颗粒的湍流运动，发现管肇的颗粒浓度低于管中心。l o u g e ”1 则认为垂直管气流输送中颗粒一颗粒， 颗粒一壁面之间的碰撞力是引起气周速度产生脉动的主要原因，提出与t s u j i 试验相符舍的数值计算 的控制方程。s h i g e r ul i a t s t o “”利刚光学方法测量了垂直气尉悬浮流体显示气同滑移速度在低 气速时小于单颗粒的悬浮速度，高气速时大于单颗粒的悬浮速度。r t i a i n e n 1 研究了小颗粒物料 的季直输送过程，结果表明气嗣滑移速度随气速的减小而增大。 对于水平管输料，气流对颗粒的气动力与颗粒重力呈现直角，此过程中受到紊流的脉动速度， 颗粒间的摩擦碰撞，颗粒壁面序擦阻力等作用，并且在重力的垂直作用f ，在物料的水平输送中， 气周的速度分布呈现作对称分布，同相浓度布则形成水平方向上管中心颗粒浓度高，壁面浓度较低， 垂直方向上同相浓度则逐渐变人的分布。1 9 5 9 年- e n 和s i m o n “”在光滑透明玻璃管( 内径1 2 7 m ， 2 0 1 m ，2 5 4 m ) 和钢管( 内径6 4 衄) 中进行短距离输送玻璃珠( 平均粒径0 0 7 1 m ，0 1 4 7 ，0 2 7 9 咖) 和煤粉( 平均粒径0 1 1 2 o 5 ，0 7 5 4 ) 两种物科，混合比为8 0 7 8 0 k g k g ，同门出了稳定段的输 送阻力公式。1 9 9 1 年洪江“”“采用平均粒径为8 3 岫的钝化石灰粉和4 2 0 的砂粒作物料，在水平管中 压( 1 5 一1 5 0 k p a ) 下气力输送系统上测定了同气比为3 0 2 0 0 k g k g 表观气速为5 一1 6 s 的分层流 动阻力特性，确定了高混合比下水平输送过程中的加速段、稳定段压降以及同体物料的平均浓度和 平均速度，并通过力平衡法建立了相应的阻力公式，同时通过分析水平管气崮分层流动时悬浮层与 ， 滑动床层的相互作用，建立了分层流动模型来研究高浓度连续输送的机理。1 9 9 7 年吴慧英“”在东南 3 东南大学硕1 ：学位论文 大学磁流体发电试验台上进j j 静压式管内煤粉高浓度气力输送试验。试验中发现煤粉气力输送警层 流态，根据可压缩流体基本方程，流化床拖曳体积力概念及士力学颗粒剪切力理论，运i j 相似理论 由试验数据拟合得到浓度范围是8 5 5 1 6 3 5 4 2 4 6k g k g 煤粉高浓度气力输送水平管阻力系数的准 则关联式，其中同归公式中提出了s t - 数对阻力的影响。2 0 0 0 年h e r b r e t e a u 针对悬浮水平气力输送 不同物料的过程，改变物料颗粒的粒径、密度、形状等因素，提出了在压降最低点处的f r 数的经验 方程，以便更好地了解不同因素对压降损失的影响。 上述学者的研究，采用不同的物料，利用不同结构的试验台、不同的输送管径及材质，改变不 周的工况，获得了大量的经验、半经验公式。其中有扭当数量的试验是在不透明管中进行，无法获 知具体的流态，对试验结果的适用场合很难判断。有关学者对上述试验数据的综合对比研究表明， 作为高浓度输送的可靠设计准则，上述结果还明显不足。试验获得的各种经验公式、半经验公式适 用面窄，而且精度不高，有些试验条件摺近的试验会出现相悖的规律。这说明一方面试验的可靠性 不高，另方面仍有相当的朱知冈素未被发现，这些未知因素影响着不同研究者的结果需要进一步 的深入探讨。 1 2 2 压降模型 管道压降是气力输送设计晟重要的参数之一，是气力输送理论的基础。对管道内气同两相流动 阻力的研究大致分为两类“”：一类是通过对作用在粒子上的力的分析而导出理论公式，再以囡次 分析及特定条件下的实验结果来求得关联式中的未知数，进而得出摩擦阻力系数公式，并把总的阻 力系数分解为纯空气引起流阻的阻力系数和由颗粒引起的流阻的阻力系数。另一类是采用管道模化 实验方法，由于当r e 数进入自模化区，直管道的阻力系数与r e 无关，从而减少实验条件和阻力系数 公式。通过实验把气尉两相流在水平管内流动的摩擦阻力系数整理成与浓度相关的曲线。采用模化 方法得出的计算式只考虑了颗粒浓度对阻力系数的影响，形式简单，方便工程上使用。 气力输送压降的研究有压降法，经验公式法，附加乐力法和力平衡法等几种方法。通过选取不 同的公式来计算不同的压降分布，简要叙述如下： 1 压降比法： 1 9 2 4 年c a s t e r s t a d t 引入压降比的概念，首次对水平管输送小麦等大颗粒管道的总压降进行 了研究，同年根据实验建立了计算垂直管道压降的经验公式。c a s t e r s t a d t 提出的压降比定义为气 同混合物流经管道的总压降与纯空气流以气同混合物中气相相同的速度流经周一管道时产生的压降 之比，其关联式一般为 4 第一章绪论 口：些：1 + k 啦 “ 其中口为压降比，a 只是气周混合物流经管道的总压降，0 是纯空气流以气同混合物中气相 相同的速度流经同一管道时产生的乐降k 为比例系数，与实验条件和物性有关。通过实验决定，以 为混合比。此法计算比较方便，可通过实验测得k 值，一般适合于低混合比和和短距离的输送装置。 2 经验公式法： 考虑多种冈素对压降的影响，根据肉次分析通过实验数据得到经验戈联式虽然计算简单， 但也存在精度不高的问题。主要应用在假设气同两相流为单相流，采用高混合比的气力输送的压降 计算上，忽略了流型与压降之间的关系，所以对于密相输送存在精度低的缺点，但因计算简单却受 到：乃陧人员的喜爱。早期日本研究者作出了这方面的研究，上潼具贞等对水平输送管内大豆的速 度和管擘面的摩擦系数进行了实验。森川敬信”1 等对大混合比的气力输送以及倾斜管道内的两相流 进行了分析并设计了实验，通过对实验结果的拟合，得到了一系列的经验计算公式。 3 附加压力法： 是目前设计气力输送装置的一种常用的管道压降计算法。1 9 5 8 年b a t h 从能量守恒的观点提出 的附加压降模犁使压降计算更加趋于合理。根据b a t h 附加压力损失理论，总压降只般表示为： 衅5 心+ 睨+ 啦+ 配 ( 1 2 ) 其中a 名、a 乞分别为加速段气体和i 古f 体造成的压降ta 名、a 只分别为稳定段时气体和同体 建成阳胜爱，在甲长跑禺朐输j 羞越摧中、匕叫忽略小计。 稳定段附加压降主要有两种形式，其一为基于固体颗粒速度的表达式 必：五掣 ( 13 ) 。 2 d 或者写成川n g 方程腻北= 学 ( 1 4 ) 其中、z 是同体摩擦系数，= 4 z ，几是同气混合物的密度，是同体颗粒速度，d 为管径，l 幻管长：另一种抽基于气体谏摩是b a t h 于1 9 8 5 年针对稀相输送撂 i 桌的一种形式 扯= 或五辔 其中五是附加压降系数，以为嘲气比，为气流速度 ( 1 5 ) 东南人学硕 ：学位论文 气体摩擦压降一般表示为峨= 以旦磐 ( 1 6 ) 其中丸为气体摩擦系数，当2 3 2 0 r e 1 0 5 时，由b 1 a s i u s 方程得到 疋= o 3 1 6 4 r c 4 2 5 ( 1 7 ) 因此稳定段总的管道压降可以表示为： 凹= 必+ 必= 以辔+ 以五辔叱嘲，辔 ( is ) 采f j 这种阻力系数关联式只有在工榉设计选用与实验条件相近的条件下才能使得- 暧计合理可 靠。 4 力平衡方法： 建立在对输送机理的充分认识的基础上根据气嗣两相流动的力平衡方程求解压降。一般可应用 于柱塞流动和分层流动的压降计算。对于柱塞流动k o n r a d 。于1 9 8 0 年首先类比于气液两相棒状流 动模型，给出了气同体两相栓塞流的模型，推导出静止颗粒层和管道横截面的面积比，利f j 这一面 积比进一步求得管道内同体栓体的总长度，再利_ i je r g u n 方程计算箍个管道的压差。1 9 9 8 年刘石1 等人在k o n r a d 提出的一维模型基础上，提出了稳态波动状流动情况下的二维模型，在气相作用力的 处理上，考虑了气体的沿层摩擦阻力以及气同两相之间的相间作用力的处理，应用g i d a s p w 和 k o n r a d 提出的模型，应用m o h r 应力圆给出表达式。对于分层流动，洪江1 于1 9 9 1 年建立了气同分 层流动的一维模璎，分别考虑了气体、颗粒以及他们与壁面的之间的关系。在模型中分为两层分别 建立方程，上层为稀相悬浮流动，下层为密相滑动床，上层的悬浮运动忽略颗粒之间的相互作用， 下层滑动床忽略气固滑移速度，界面上存在上层颗粒对层界面的碰撞和摩擦两种形式，提出悬浮颗 粒分配系数概念，全面分析了气同分层流动的力平衡情况。邱朋华”“在此基础上于2 0 0 5 年提出了水 平管气同分层流动的拟一维模啊，认为分层流动可根据输送气速的不同分为两层或三层模型。两层 模型中包括稀相悬浮流动和松散堆积的滑动床，受力与前者相同。三层模跫包括稀相悬浮流动，中 等浓度的滑动床和较密实的同定床结构。虽然此方法计算比较复杂但精度明显高于其他两种方法。 1 2 3 气力输送的数值模拟 对于密相物料输送一般采用实验观察输送过程中的压降损失，由于实验操作比较烦琐，消耗 大量的人力物力，又有一定的局限范围故近年来随着计算技术的高速发展，通过数值方法来模拟 整个输送过程中的气体和同体的速度分布、浓度分布、压力损失，以指导工程实践的方法已经被越 来越多的工程技术人员所接受。 6 第一章绪论 气蒯两相流按其刻画的尺度和属性主要分为以f 两种物理方法： 1 双流体模型 欧拉方法1 是将流体项作为连续介质，颗粒相作为拟流体或拟流体连续介质，假设其在空间中 有连续的速度和温度以及等价的输运特性的一种数学方法。通过欧拉方法建立的模型，我们一般称 为欧拉般流体模型。 欧拉_ 】叹流体模璎中每一种流体都被看作是充满整个流场的连续介质。流场中任一点都同时被两 种组元所t i 据，两种流体备按照自己的规律运动。将宏观上离散的颗粒相和宏观上连续的流体相经 过空间或时同的平均，处理成相互渗透的两个连续相。双流体模删是真实的混合流体的一种抽象， 而连续介质本身也是关于真实流体的一种抽象。因此在双流体模型中引入连续介质假设后，每一种 组元都用流体力学方式将其连续介质化。因为两种组元之问存在相互作用，被均布到整个微团内。 因此采刚流体力学欧拉双流体模型每一种纽元都需要对两相方程中各种应力项和曳力项给出封闭模 型。不同的欧拉烈流体模璎的差异也在于此，流体相方程一般采用类似于单相运动中的牛顿枯性定 律的粘性应力，而“拟流体”的颗粒相方程的封闭方式则不尽相同。将颗粒处理成连续相会给数值 模拟研究带来很多方便：颗粒相和流体相的模型方程的形式统一；同相方程采用。场”来描述，便 于应用微积分这一有效工具：另外，由于两相的方程形式往往都与单相流动的形式差别不大，从而 可以充分利用计算流体力学的成果。因而欧拉双流体模型近三十年得到了很大发展，广泛使用在目 前的两相流动研究领域中。 许多研究者在采用欧拉方法下的气同两相湍流模型时，将单相k 一湍流模弛直接推广应用到气 同两相流动中，同时应用适宜的半理论、半经验的代数方程式来模化相应方程中的湍流关联式，如 最常见的k 一一a 簇型。周力行“1 教授领导的研究小组，充分考虑了颗粒相对整个湍流结构的影响 以及颗粒相本身的湍流输运过程，建立和发展了k g k ，模型，取得了较为满意的结果。但是，这些 模氆对两相流动中的颗粒体积浓度有一定的限制，未涉及到颗粒之间相互作用。一般说来它较适 合r 颗粒的体积浓度口 0 0 2 时，颗 粒在随气流上升过程中，由于颗粒之间的相互作用，会出现横向分离，此时不能忽略颗粒问相互作用。 2 欧拉一拉格朗同模型 欧拉拉格朗日法方法1 是将流体作为连续介质颗粒相被视为离散介质，考虑每个颗粒与气 体的相互耦合，以及颗粒之间的相互碰撞作用。采用这种方法建立的模型可以跟踪所有颗粒的运动 轨迹，因此也被称为颗车立轨道模璎。 采_ i f j 轨道模型，先要给定一个流场。然后计算各个颗粒的轨迹，对火鼍的颗粒轨迹进行统计分 7 ) 0 东南人学硕j ：学位论文 析，就能够得到颗粒运动的概貌。颗粒轨道模趔不是把颗粒看作一个拟流体相，而是视为离散体系。 在拉格朗日坐标系中对每一个颗粒按照流体对它的作用力以及颗粒间碰撞所产生的作用力分两步分 列出运动方程直接模拟颗粒问的碰撞过程；而在另一方面，对连续流体采用与连续介质模型相同 的局部平均的胞订m ，咖s 方程。颗粒轨道模型的天键在于处理颗粒间的碰撞问题目前对于颗 粒间的碰撞，一般存在两种处理方法：一种是硬球模型，它将颗粒视作刚性颗粒，颗粒问的碰撞为 瞬态碰撞：另外一种是软球模璎，它将颗粒视1 # 完全刚性的，颗粒问具有一定接触时问而1 f 瞬态的 并且允许一个颗粒与多个颗粒同时接触。从现象上来看，采_ j 欧拉 立格朗日法的颗粒轨道模璎 比较符合颗粒，流体的两相流动的宏观结构，模型假设段少，颗粒方程是常微分方程，形式简单。 但颗粒完全被考虑为离散的体系颗粒运动方程必须和颗粒数日相同，计算鼍大，并且计算中收敛 困难，一般用于少量的稀相颗粒或者低雷诺数的两相流动问题中，对于密相输送不适合一”。 欧拉舣流体模型和颗粒轨道模犁的区别：在欧拉殿流体模犁中守恒方程描述的是拟流体微团的 运动，方程式反映的是以拟流体作为体系的质鼋、动量和能鼍守恒关系。而在颗粒轨道模型中是以 某个颗粒作为体系建立的颗粒运动方程组。因此两类模型所取的体系不同，同时力的分析也不同。 薪者颗粒相可能受到剪应力和正应力，并且拟流体微团内部的颗粒一颗粒运动对微团运动没有影响， 并不存在独立于表面的碰撞力；而后者只考虑单个颗粒的受力分析，颗粒的运动会冈为别的颗粒发 生碰撞而发生变化。 3 气力输送过程中气固两相脚的相互作用影响分析 对于加入了颗粒的气力输送过程，影响了单相气流的流场，改变了原来的单一气体的流动特性， 需要考虑气同两相的相互作用以及同体一周体之间的作用影响。e l g h o b a s h i ”1 根据颗粒和流体之问的 相互作用对气尉两相流进行了分类。指出当颗粒容积分额小于l o6 时，颗粒的存在不影响气体流场， 气同两相之间称之为单相耦合，在早期的数值模拟中一般假设颗粒对气体流动没有影响，气相模型 直接采 j 单流体模型；当颗粒容积分额较大在1 0 和l o3 之问，同体颗粒对气体的影响比较明显，颗 粒的加入政变了流体的湍动，影响了整个流场，因此此时气吲两相的作t j 不能忽略，称之为双相耦 合。前两者的流犁称之为稀相悬浮两相流。当颗粒容积分额犬于1 0 ，颗粒一颗粒之间的碰撞作用显 著，形成流体一颗粒一颗粒一流体之间的相互作用，称为四相耦合。此时的两相流称为稠密悬浮两相流。 在稠密悬浮两相流中，颗粒一颗粒，颗粒一壁面的作用力对气力输送的流硝，能耗流动特性有 着很人的影响。在颗粒一颗粒，颗粒一壁面碰撞的过程中交换能鼍。m o n t ec a r l o 1 在双流体模型中假 定颗粒之间碰撞是瞬时弹性碰撞，颗粒问的相互作用是以碰撞压力或颗粒的体积黏度，剪切黏度和 颗粒压力形成。根据局部物x 1 1 分布推导出碰撞概率，引入假殴环境粒子的串行轨道跟踪法来模拟 研究水平管内菲稀相流中颗粒间的碰撞。另外最近c u n d l l 和s t r a c k 提出了d 圈方法，该方法从岩石 变形发展起来的离散单元法用于研究气同密相两相流中。简称d e m 方法。考虑了多颗粒之间的相互作 8 第一章绪论 用，认为颗粒之间是具有一定接触时间的非弹性碰撞。d 酬法将颗粒视为非连续介质，初始时各个 颗粒在空间有其闶定的位置。处于力平衡状态。当所考虑范甬内的作用力系或边界条件发生变化时， 某些颗粒在重力及外力的作用下产生一定的加速度和相应的位移，使得颗粒的空间状态发生变化， 位移后的颗粒与所接触的颗粒产生所谓的“叠加”，根据力和位移关系，产生新的作用力系状态， 使得更多的颗粒由于作用力的传递而产生新的运动和位移。c u n d a l l s t r a c k 提出了离散单元法的计 算，它是交替采_ 【 j 牛顿第二定律和接触的力啦移方程来完成的。此方法受到计算机的容龋的限 制，只能麻用于短时间计算。 1 3 本文工作 本文的主要目的是采用f l u e n t 计算流体软件，根据气力输送气州两相流动的动力学模璎来研究 气力输送过程中气同两相流体的流动特性。研究的内容包括在欧拉方法的双流体模型的基础上，结 合颗粒运动的动力学模型，建立气力输送气嘲两相流动的数学模璎；引入颗粒温度的概念，建立颗 粒运动的能壤方程。解决i 占i 相颗粒之间的碰撞、摩擦等相互作用对气同两相流场分布的影响，给出 l 闾相拟流体的粘度、压力等参数的处理方法。同时建立相应的曳力模犁来解决气同两相的耦合问题。 应用g a 岫i t 建模f l u e m 的数值模拟，来分析和研究不同一i ：况下气力输送气嘲两相流动的特点；并且 与文献资料中的数据相比较，验证数值模拟结果的准确性和可行性，分析和讨论各种因素对气力输 送气吲两相流动的影响，使之上升到理论高度，来更好地指导实践。 9 东南大学硕j ：学位论文 第二章悬浮气力输送的气固两相流动动力学模型 2 1 气力输送的气固两相流的流动特性 由于同体物科管道气力输送属多相流学科，物料在管道中运行状态相当复杂，受剑气体一颗粒之 间，颗粒一颗粒之间颗粒一管道之间的相互作用，产生了输送过程中的压力损失。总体来说影响管 道中气同两相流的阻力的因素很多，主要包括四个方面：被送物科的性质，如颗粒粒径，粒度分布， 形状和密度等；操作条件，如输送速度，压力和闶气质域比等；管道的特性如管径，管长，管壁 粗糙度，管道儿何布置：输送气体的性质如气体的密度，粘度，压缩性等。这些冈索的变化导致 了物料在管道输送过程中出现不同的流体形态。不同的流态会产生不同的流动规律和相间阻力，壁 面阻力从而导致不同的压力损失。所以确定在给定输送量和输送物质、气同比下的流动形态、流动 压降是气力输送设计的关键。 2 1 1 气力输送的分类定义 气力输送分为密相和稀相输送，一般埘以下几个参数划分输送方式：同气比、同体体积浓度、 气体( 或耐体) 弗鲁得数、气速等。但这些参数仅仅是描述系统的某个侧面，没有把物性和气流状况 联系起来。对于同种物料，即使在相同输送黾、相同管道、相同气速f 输送，由于粒径不同，管内 也会出现不同的流动状态。因此上述分类显得粗糙，对于同一种分类标准，各研究者所提出的划分 界限也不一样，有的作者定义阎气比大于1 0 的气力输送即为密相气力输送；有的则认为闶气比在8 0 左右还是稀相输送；有的定义同体体积浓度大于4 0 或5 0 9 6 的气力输送为密相气力输送：有的定义固 体体积分率为5 左右为密相输送；有的认为在水平管中气流不足以使颗粒完全悬浮的气力输送，在 垂直管中有粒子的逆向流动的气力输送都廊视为密相气力输送。k k o n r a d 1 等对此进行了评述。他 们认为管内一个或多个横截面被输送物料所充满的气力输送为密相气力输送。目前，就商业化的密 相气力输送而言，k k o n r a d 的定义最适合，它形成一段料栓，一段气柱的输送。由此可见，气力输 送的分类还比较混乱，这种混乱状态给气力输送的研究带来了很大困难。气体和物料两相流动时， 物料的运动状态是随着输送气流速度的变化而变化的。高速时，物科悬浮在管道中，呈均匀分布地 被空气流动输送：随着气流速度的降低，物科开始聚集。之后部分物料在管道中聚集，呈集团脉动状， 仍被空气流动输送：继续降低气流速度，物料堵塞管道截面形成不稳定的料栓，这时料栓被空气 的静压推动输送；再降低气速不稳定的料桂将成为稳定的料柱，被空气静压输送。基于物料在管 1 0 第二章悬浮气儿输送的气匍两相流动动力学模型 中的这种流动变化，目前常采州单位压降随气流速度的变化状态例来对气力输送方式加以分类，无 论是在水平管还是在垂直管中的气力输送相图上，在一定输送量下，随着气体表观速度的变化，均 存在一压降晟低点，这点所对应的气体表观速度，称之为经济速度点，不同输送量f ，所有经济速 度点的连线，可称为经济速度线。现在比较一致的看法是认为经济速度线就是稀相和密相的分界线， 在以气体表观速度为横坐标，压力损失为纵坐标的坐标系中，在分界线的右边为稀相左边为密相。 2 1 2 垂直管和水平管中的流型 气力输送是特殊的气同两相流动，其流动形态按照空气的速度大小变化而不同。空气输送速度 越大，颗粒空间分布均匀，空气速度越小，水平管道颗粒越接近管底部，垂直管中更多的颗粒产生 逆向流动，可见水平管与垂直管中气崩两相流动的流型是不同的，而且水平管运输因为受到重力的 影响比起垂直管输送来说会出现更多的流型。不同的流型会影响两相流流动特性及其传递规律。以 下分别讨论垂直管和水平管气力输送中的物料输送流型。 1 垂直管中的流型 在垂直上升的气力输送中一般会出现以f 几种流璎： ( 1 ) 均匀流：在风速较高，输送同气比较低时，固体颗粒均匀地悬浮在气体中向上流动，形成均匀 流。 ( 2 ) 疏密流：随着风速的减小或者同气比的增大，同体颗粒在管道中某些空间呈现局部密集状态， 形成颗粒群集团，出现整个管道颗粒浓度的非均匀分布。 ( 3 ) 栓状流：加大物科的输送量，同时进一步降低气体速度。使得嘲体颗粒聚集充满管道，形成固 体颗粒栓，依靠前后气体的气力压差推动颗粒栓向前流动。 2 水平管中的流型 水平输料管中颗粒的运动状态是随着气流的速度变化和混合比的不同而有显著变化的，即气 流速度越大，颗粒越近均匀分布气流速度越小，越容易出现集团流，甚至产生堵塞。一般有以下 几种流型： ( 1 ) 均匀悬浮流：颗粒在管道中呈现均匀分散的悬浮流动状态，是低压低气力输送的理想流动状态， 但只能输送很少的粉状粒科，风速很高混合比很低时才能出现。 ( 2 ) 管底流：风速减小在水平管道中颗粒向管底聚集，但未出现停滞，即处于管道上下部悬浮星 不同的流动状态。 ( 3 ) 疏密流：风速再降低或再增高混合比时，气流压力脉动，密集部分的卜- 部分速度小，上部分速 度大。密集部分全体擎现边旋转边前进，但其中速度快的小颗粒先跑掉。由此形成速度较慢的颗粒 l j 东南人学硕j ：学位论文 群集团，但朱停滞，部分颗粒在管底部滑动，这是颗粒悬浮输送极限。 以上三种状态属丁悬浮输送状态。 ( 4 ) 集团流：疏密流的风速再降低，则密集部分进一步增大，其速度也降低，大部分颗粒失去悬浮 能力而在管底开始滑动，形成颗粒堆积的集团流。由于在管底堆集颗粒占据了有效面积，所以这部 分颗粒间隙风速增大。在下一瞬间又把颗l 立吹走，这样堆积，吹走交替进行，呈不稳定输送状态。 ( 5 ) 部分流：是呈现栓状流上部被吹走后的过渡现象，一般气流在上部流动来带动堆积层表面 的颗粒，堆积层本身作沙丘移动似的流动。 ( 6 ) 栓状流或栓塞流二堆积的物料充满了一段管路，靠栓前后的压差推动物料向前输送。与悬浮流 相比在受力与管擘的摩擦上都有原则性区别。 3 流动阻力与流型的关系 当水平管内空气输送表观速度较高，在2 0 s 以上时，耪体处于悬浮流动方式管道下部分没有出 现沉积。输送压头随气流速度降低而减小。当气体速度降低剑某一值时，受到重力作用，粉体由完 全悬浮流动过渡到管道