（材料加工工程专业论文）复杂管道浓相气力输送流动特性分析.pdf

1 i l l l l l l l j l ll l l l l l l l l l l l l l l lllll l l l l u l llll y 2 12 9 4 7 0 a n a l y s i so nf l o wc h a r a c t e r i s t i c so fd e n s ep h a s e p n e u m a t i cc o n v e y i n gi nc o m p l e xp i p e l i n e l i ux i a o b i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l i uz o n g m i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a j u n e ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：却9 逊日期：皇夕乏兰坌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翅塑煎导师签名： 济南大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪 论1 1 1 研究背景、目的与意义一1 1 2 文献综述2 1 2 1 简介2 1 2 2 气力输送发展研究进展4 1 3 本文主要研究内容8 第二章复杂管道浓相气力输送实验设计9 2 1 系统设计9 2 2 试验装置10 2 2 1 气源部分1 0 2 。2 。2 发送装置11 2 2 3 收料装置11 2 2 4 输送管道1 2 2 3 测量设备13 2 4 物料的基本性质1 5 2 5 实验流程1 5 第三章气力输送的实验研究与分析1 7 3 1 实验目的17 3 2 系统输送参数的确定1 7 3 3 流动参数的变化规律1 7 3 3 1 系统的输送能力1 7 3 3 2 固相平均速度1 8 3 4 复杂管道的阻力特性研究2 0 3 4 1 水平弯管的阻力特性研究2 0 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 3 4 2 水平渐扩管的阻力特性研究2 4 3 4 3 水平渐缩管的阻力特性研究2 8 3 5 复杂管道内阻力特性的主成分分析3 1 3 5 1 主成分分析法31 3 5 2 水平弯管的阻力特性的主成分分析3 3 3 5 3 水平渐扩管的阻力特性的主成分分析3 4 3 5 4 水平渐缩管的阻力特性的主成分分析3 6 3 6 本章小结3 8 第四章浓相气力输送复杂管道阻力特性等效模型的建立4 1 4 1 等效阻力数学模型的建立4 1 4 2 等效阻力数学模型的推导4 1 4 3 计算模型的验证4 6 4 3 本章小结4 8 第五章浓相气力输送过程的数值模拟4 9 5 1 多相流模型4 9 5 1 1 欧拉欧拉方法4 9 5 1 2 欧拉一拉格朗日方法4 9 5 2 数学模型的建立5 0 5 2 1 基本控制方程5 0 5 2 2 湍流模型方程5 1 5 3 求解方法的确定5 2 5 3 1 计算区域及网格划分5 2 5 3 2 边界条件5 3 5 4 模拟结果与分析5 4 5 4 1 水平弯管静压分布5 4 5 4 2 水平弯管气相和固相动压分布5 5 5 4 3 水平弯管气相和固相速度分布5 8 5 4 4 渐扩管静压分布6 0 济南大学硕士学位论文 5 4 5 渐扩管气相和固相动压分布6 1 5 4 6 渐扩管气相和固相速度分布6 2 5 4 7 渐缩管静压分布。6 4 5 4 8 渐缩管气相和固相动压分布6 4 5 4 9 渐缩管气相和固相速度分布6 6 5 5 阻力损失的数值模拟与实验值对比6 7 5 5 1 水平弯管对比6 7 5 5 2 水平渐扩管对比6 8 5 5 3 水平渐缩管对比6 9 5 , 6 本章小结6 9 第六章结论与展望7 l 6 1 结论7 1 6 。2 展望与建议7 2 参考文献7 3 致谢7 9 附录8 1 i i i 原书空白页 不缺内容 济南大学硕士学位论文 摘要 火力电厂副产物脱硫石膏的输运存在的粉尘污染、能耗高等缺点成为制约其 应用的瓶颈。浓相气力输送技术具有装置安全、自动化程度高、清洁环保等优点， 成为解决这一问题的重要手段，而复杂管段对于气力输送管网的布置及推广应用 有着较为重要的意义。 本文针对目前复杂管道应用多、研究少的现状，选定了水平弯管、水平渐变 管作为研究对象，以两种不同物理性能的脱硫石膏作为输送物料进行浓相气力输 送实验。通过实验研究、理论研究及数值模拟，得出了浓相气力输送的相关流场 变化规律。 一论文首先确定了实验系统的运行参数，并得出了系统输送规律。研究发现， 发料罐的压力控制在o 2 6 m p a 到0 3 2 m p a 之间，气体的表观速度在9 m s 到1 7 m s 之间时系统运行稳定；随着气相表观速度的增大，固体的质量流量和固相颗粒的 平均速度增大。 同时，对于复杂管道来说，管道几何参数、固气质量比与气体速度等参数对 气固两相流的压力降影响显著。当固气比、气体表观速度和颗粒粒径相同时，对 于水平弯管，压力降随着弯曲角度的增大而增大，随着曲率半径的减小而增大； 对于水平渐扩管，压力降随着管径比的增大而减小，随着扩散角的增大而减小； 对于水平渐缩管，压力降随着管径比的增大而增大，随着扩散角的增大而增大。 在管道的几何参数和输送物料的物理性质不变的情况下，固气比升高，复杂 管道的压力降也随之增大；两相流体的压力降随着气相表观气速的增大而增大。 脱硫石膏的粒径对复杂管道的阻力特性也有一定的影响，粒径为4 2 6 3 1 a m 时比粒 径为1 5 7 5 1 m a 时压力降要小。 在实验的基础上，由主成分分析方法，得到了各主要因素对复杂管道阻力特 性影响的排列次序以及它们之间的相关性。对水平弯管：弯曲角度 固气比 曲率 半径 气相表观速度 颗粒粒径，且弯曲角度、固气比、曲率半径之间呈负相关关 系。对水平渐变管：管径比 固气比 扩散角度 气相表观速度 颗粒粒径，且管 径比、固气比、扩散角之间呈负相关关系。 v 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 在上述研究的基础上，结合量纲分析的方法，建立了预测水平弯管和水平渐 变管阻力损失的等效数学模型。通过与实验数据对比分析，发现所建立的数学模 型具有较高的精度。 论文根据复杂管道的实际尺寸建立相应的几何模型，并进行网格划分，在近 壁面边界层处采用网格加密。在此基础上，气固两相选用欧拉欧拉双流体模型， 采用s i m p l e 算法，标准k - e 湍流模型，两相间采用双向耦合方式，对两相流通 过复杂管道的过程进行了数值模拟，得到了静压、动压、两相速度等的瞬态变化 规律。同时对阻力损失进行了数值计算，通过与试验数据的对比，发现模拟结果 具有较高的精度。 关键词：浓相气力输送；复杂管道；数值模拟；主成分分析；压力降 v i 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t f g dg y p s u m , p r e d i c t e df r o mt h e r m a lp o w e rp l a n t s ，h a ds h o r t c o m i n g so fd u s t p o l l u t i o na n dh i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，w h i c hb e c a m eab o t t l e n e c kr e s t r i c t i n gi t s a p p l i c a t i o n h o w e v e r , d e n s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n gt e c h n o l o g yw i t ha d v a n t a g e s o fd e v i c es e c u r i t mh i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o n , c l e a n i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ， b e c a m ea l li m p o r t a n tm e a n st os o l v et h i sp r o b l e m s i m u l t a n e o u s l y , c o m p l e xp i p eh a d s i g n i f i c a n c et ot h el a y o u to f t h ep i p en e t w o r ka n dp r o m o t e i nt h i sp a p e r , t h eh o r i z o n t a le l b o wt u b ea n dh o r i z o n t a lg r a d i e n tt u b ew e r e s e l e c t e da st h eo b j e c t ，f o ra p p l i c a t i o n sm o r ea n ds t u d yl e s s d e n s ep h a s ep n e u m a t i c c o n v e y i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tw i t hf g dg y p s u ma st h et r a n s p o r t a t i o no f m a t e r i a l s ，w h i c hh a dt w od i f f e r e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s d e n s ep h a s ep n e u m a t i c c o n v e y i n gf l o wf i e l dv a r i a t i o nw a so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y , t h e o r e t i c a l s t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 一 t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dd e l i v e r yl a ww e r ed e t e r m i n e d a tf i r s t o f f e rf e e dt a n kp r e s s u r ew a sc o n t r o l l e db e t w e e n0 2 6 m p at oo 3 2 m p a ；t h eg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t yw a sf r o m9 m st o 17 m s ；w i t ht h ei n c r e a s eo fg a ss u p e r f i c i a l v e l o c i t y , s o l i dm a s sf l o wa n ds o l i dp a r t i c l e sa v e r a g ev e l o c i t yi n c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，f o rc o m p l e xp i p e l i n e ，t h ep a r a m e t e r so fp i p e l i n eg e o m e t r y , s o l i d - g a sm a s sr a t i o ，g a sv e l o c i t ya n do t h e rp a r a m e t e r sw a ss i g n i f i c a n tt og a s s o l i d t w o p h a s ef l o wp r e s s u r ed r o p w h e nt h es o l i d g a sm a s sr a t i o ，g a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y a n dp a r t i c l es i z ew e r ec o n s t a n t ，t h ep r e s s u r ed r o po ft h eh o r i z o n t a le l b o wt u b ew a s i n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eb e n d i n ga n g l ea n dt h ed e c r e a s eo fr a d i u so f c u r v a t u r e ；f o rg r a d u a l l ye x p a n d i n gt u b e ，t h ep r e s s u r ed r o pd e c r e a s e sa st h ed i a m e t e r r a t i oa n dd i f f u s i o na n g l ei n c r e a s e s ；f o rg r a d u a l l ys h r i n kt u b e ，t h ep r e s s u r ed r o p i n c r e a s e sa st h ed i a m e t e rr a t i oa n dd i f f u s i o na n g l ei n c r e a s e s w h e ng e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ep i p e l i n ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h e m a t e r i a l sw e r ec o n s t a n t ，t h ep r e s s u r ed r o po fc o m p l e xp i p ei n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s e o ft h es o l i d - g a sm a s sr a t i o ；t h ep r e s s u r ed r o po ft w o - - p h a s ef l o wi n c r e a s e dw i t ht h e v i i 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 i n c r e a s eo ft h eg a sv e l o c i t y p a r t i c l es i z eo ff g dg y p s u mh a dac e r t a i ni m p a c tt o r e s i s t a n c ep r o p e r t i e so fc o m p l e xp i p e l i n e w h e np a r t i c l es i z ew a s4 2 6 3 t m ，t h e p r e s s u r ed r o pw a ss m a l lt h a np a r t i c l es i z ew a s15 7 5 1 x m o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t s ，t h em a i nf a c t o r so ft h ed i f f e r e n tp i p er e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa sw e l la st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e mw e r eg o tb yp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s t oh o r i z o n t a le l b o wt u b e ：b e n d i n ga n g l e s o l i d g a sr a t i o r a d i u so fc u r v a t u r e g a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y p a r t i c l es i z e a n dn e g a t i v ec o r r e l a t i o n w a sb e t w e e nb e n d i n ga n g l e ，s o l i d - g a sr a t i oa n dr a d i u so fc u r v a t u r e t oh o r i z o n t a l g r a d i e n tt u b e ：t u b ed i a m e t e rr a t i o s o l i d - g a sr a t i o d i f f u s i o na n g l e g a ss u p e r f i c i a l v e l o c i t y p a r t i c l es i z e a n dn e g a t i v ec o r r e l a t i o nw a sb e t w e e nt u b ed i a m e t e rr a t i o ， s o l i d - g a sr a t i o ，d i f f u s i o na n g l e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h , c o m b i n e dw i t ht h em e t h o do f d i m e n s i o n a la n a l y s i s ， s e tu pt h ee q u i v a l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e lo f p r e d i c tt h el e v e lb e n d s ，h o r i z o n t a lt a p e r e d t u b ea n dt h el e v e lg r a d u a l l yf l a r i n gt h er e s i s t a n c el o s s ，b yc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t at oa n a l y s i sf o u n dt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lh a st h eh i g ha c c u r a c y t h ep a p e re s t a b l i s ht h ea p p r o p r i a t eg e o m e t r i cm o d e la c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z e o ft h ec o m p l e xp i p ea n dm e s h , t h e nm e s hr e f i n e m e n ti nt h en e a r - w a l lb o u n d a r yl a y e r b a s e do nt h i s ，t h et w op h a s e so fg a s - s o l i ds e l e c t i o nt h ee u l e r - e u l e rt w o f l u i dm o d e l ， u s i n gt h es i m p l ea l g o r i t h ma n dt h es t a n d a r dk 一t u r b u l e n c em o d e l u s i n gt w o w a y c o u p l i n gt ot w op h a s e s ，m a k et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ot w op h a s e sw h e nf l o w t h r o u g hac o m p l e xp i p e l i n eg e th y d r o s t a t i c ，h y d r o d y n a m i c ，t w op h a s e s s p e e da n dt h e t r a n s i e n tv a r i a t i o n a tt h es a m et i m e ，m a k et h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt ot h er e s i s t a n c e l o s s ，c o m p a r i s o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，c a nf i n dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a d h i g ha c c u r a c y k e yw o r d s ：d e n s ep h a s ep n e u m a t i cc o n v e y i n g ；c o m p l e xp i p e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；p r e s s u r ed r o p 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、目的与意义 近年来，管道高浓度气固两相输送工程以每年7 1 0 的速度剧增，在电力、化工、 建筑、冶金等生产领域的应用越来越广泛。气力输送是利用气体在管道内流动时的能量 来携带粉体运动，实现粉体空间位置转移的一项技术，它的研究属于气固两相流的范畴。 气力输送方式存在诸多优点，如操作方便、易于自动化、装置安全、环保、安装和维护 费用低等。同时其管路布置存在极大的灵活性，目前已广泛应用于工农业生产的各个领 域，成为一种重要的物流手段 1 。3 1 。 虽然气固两相流在理论研究、流场测试方面及数值模拟方面得到了长足进步，但同 时可以看出，国内外关于管道气固两相流的研究主要集中于不同固体浓度下管道流动的 实验研究，成果也仅限于在实验的基础上对数据进行归纳、总结而得到的经验关联式， 适用范围较小，或采用过于简化的假设进行理论分析和数值计算，其结果与实际运行情 况相差较远【4 棚。而对于高浓度气固两相流动机理，特别是气固两相之间的耦合作用、 壁面效应、固相粒子群的受力与运动状况分析研究相对较少。另外，对于工程中应用比 较广泛而研究较少的水平弯管和渐变管等复杂管道的研究也非常有限，成果较少。所有 这些因素都制约着气固两相流技术的发展【7 ，8 j 。 脱硫石膏是在火力发电厂烟气脱硫的主要产物，与天然石膏相比，其纯度和细度更 高，品位已经超过了天然石膏。脱硫石膏利用的途径有很多，经过煅烧可以制成半水或 者无水石膏，用于医学石膏、牙科石膏、模具石膏、建筑材料等。目前我国的脱硫石膏 产量非常巨大，但是在输送方面面临一个非常棘手的难题。由于脱硫石膏为颗粒状细粉， 在运输过程中存在粉尘污染、能耗较高等问题，而采用湿法输运，则降低了脱硫石膏的 活性。因此，应用气力输送系统这种环保、节能的输送技术，对于这个问题的解决具有 很大的实用价值【9 j 1 l 。 基于此，论文选定以脱硫石膏为输送物料，设计并搭建了浓相气力输送实验台进行 两相流实验。以水平弯管、渐扩管和渐缩管等复杂管道为研究对象，研究其流动特性。 采用数值计算方法对复杂管道的速度场、压力场进行模拟研究。通过实验研究、数值模 拟和理论分析，探讨复杂管道内气固两相流动规律，进而得到压力降的计算模型，以期 对复杂管道的特性进行有效的预测。 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 1 2 文献综述 1 2 1 简介 1 2 1 1 气力输送的定义 气力输送是借助空气的动能或静压能连续输送颗粒物料的一种运送方式。通常情况 下，气力输送系统由四部分组成：供料装置、输送管道、收料装置、空气动力源，其中 各单体部分的构成与四部分之间的组合形式灵活多变，所以气力输送系统的类型多种多 样 1 2 , 1 3 。 1 2 1 2 气力输送的特点 气力输送系统在固体物料的输送中应用及其广泛，基于它不同于其他输送方式的特 点，它形成了自身的一些优势和缺点 1 4 - 1 7 】。 1 、气力输送系统的优点： ( 1 ) 输送物料的范围较广，既可以连续输送小颗粒固体物料也可间断地将大量固体 物料从运输装置送至贮存罐中。对化学性能不稳定的物料，可选用惰性气体作为输送介 质。 ( 2 ) 生产效率高，包装和装卸费用低。 ( 3 ) 输送管道布置灵活，向上、向下运输均可，也可以围绕建筑物、大型设备等输 送物料，且输送距离长，提高空间利用率，优化工厂设备的工艺配置。 ( 4 ) 输送系统中的各中间设备( 物料输送泵、流量分配器、接受器等) 操作方式与流 体设备相似，易于实现自动控制。 ( 5 ) 因系统密封性能良好，有效防止固体物料的逸出，减少对环境的污染，也降低 了着火和爆炸的危险性。 ( 6 ) 设备简单，运动部件少，占地面积小，设备投资少，且易于维修和保养。 2 、气力输送系统的缺点： ( 1 ) 与其他散状固体物料输送设备相比气力输送系统的动力消耗费较高( 系指与机 械输送系统输送每吨物料所需的最高功率) 。 ( 2 ) 使用受到限制。气力输送系统仅能用于输送必须是比较干燥、没有磨琢性，有 时还需是能自由流动的物料。 济南大学硕士学位论文 ( 3 ) 输送距离受限制。至目前为止，气力输送系统只能用于比较短的输送距离，一 般小于3 0 0 0 米。 ( 4 ) 物料特性的微小变化( 像堆密度，颗粒大小分布、硬度、休止角、磨琢性、爆 炸的潜在危险) 都能引起操作上的困难。 1 2 1 3 气力输送系统简介 气力输送系统类别较多，但最主要的两类是根据输送装置和物料在管道内的流动方 式进行划分的。根据输送装置划分时，主要依据是输送管道中的压力状态，根据流动状 态划分时，主要依据是相图、单位时间输送量和固气比。 l 、按输送装置可分为吸送式、压送式和混合式三种： ( 1 ) 吸送式气力输送系统：该输送系统主要是依靠系统内的负压完成对物料的输送 过程。位于系统末端的罗茨风机或真空泵将系统内空气吸出，形成负压环境，在压力差 作用下物料同大气一同被吸入管道，随气流输送到系统末端的分离器内。在分离装置中， 物料在自身重力作用下被分离出来，空气则经除尘器净化后由引风机排入大气中，至此 完成气力输送过程18 1 。 该输送系统输送压差较小，仅适用于短距离的气力输送，若输送距离过大，容易造 成系统内真空度过高，空气密度降低，不利于完成输送。但该系统供料方式较简单，且 内部负压环境使其具有独特的优点，即内外压差的存在使空气内泄，有效阻止了固体物 料向外部环境的扩散，可保证车间良好的卫生环境。 ( 2 ) 压送式气力输送系统：该系统与吸送式气力输送系统相反，风机或空气压缩机 位于系统起点，通过向供料装置鼓入高压空气，与物料充分混合后在压力差的作用下经 输送管道至系统末端的分离装置或料仓中，分离后的空气经除尘系统排入大气中。根据 输送压力的大小，该输送系统又分为高压压送式气力输送系统和低压压送式气力输送系 统。 低压压送式气力输送系统压力较小，输送过程中物料始终悬浮与气流中，所以比较 适于输送粒状物料、纤维状物料和片状物料等，但是该种输送方式易造成物料破碎，耗 气量大，增加了除尘设备的负载，因此输送距离和能力有限【1 9 】。 高压压送式气力输送系统输送压力较高，通常是在管道中设置辅管补充气体来实 现。该系统固气比较高，输送能力大，不易破碎，适于输送黏性较大的物料，降低管道 的堵塞几率，且可选用较小的分离装置，节约成本。 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 ( 3 ) 混合式输送系统：该输送系统既有正压又有负压，结合了吸送式气力输送系统 和压送式气力输送系统的优点，可用于完成复杂的输送过程。混合式输送系统既可以是 吸一压式，也可以是压吸式。 2 、由于被输送物料的物性参数相差较大，所以按物料在输送管道的流动状态可分 为稀相输送、浓相输送、筒式输送，其中浓相输送包括浓相动压输送和浓相静压输送。 ( 1 ) 稀相输送 2 1 - 2 4 ：稀相输送系统是指固气比小于2 0 的输送系统，一般情况下固气 比为1 1 0 ，对一些块状物料，固气比最大为1 5 。因物料浓度较小，可悬浮于气流中， 分布较均匀，颗粒间空隙大，主要依靠气体的动能带动物料运动。 ( 2 ) 浓相动压输送 2 5 - 2 7 ：该输送方式中物料浓度较大，很难实现与气流的充分混合 和均匀分布，系统内阻力较大，与稀相输送相比气流速度较低，物料的流动方式主要为 线流、疏密流、沙丘流，而且在物料自身重力作用下，部分物料沉于管底，这部分物料 主要依靠颗粒之间的相互作用来推动物料运动。 ( 3 ) 浓相静压输送【2 8 ：该种输送系统是近几年发展起来的，属低速高浓度输送装置。 物料被分为一段一段的料栓，料栓在前后气体的静压作用推动物料运动，因此又被称为 栓流输送。该输送方式固气比较高，可以高达5 0 以上，但是气流速度较小，仅为5 m s ， 所以输送距离受到限制，一般小于5 0 m 。 ( 4 ) 筒式输送：该输送方式依靠管道内的空气压力输送传输筒中的物料。适用输送 既难于悬浮又不能成栓的成件货物的输送2 9 1 。 1 2 2 气力输送发展研究进展 1 2 2 1 概况 众所周知，气力输送系统的复杂程度很高，根据其输送形式的不同，人为地将其分 为均匀流、分层流和料栓流等输送模式，并对这些输送模式展开研究。但是，由于受实 验手段的限制，即使是发展和应用了多年的均匀流，仍有诸多无法预测的结果，导致至 今仍没有完全掌握其内在机理。基于此，对气力输送的设计和操作仍需要借助一些半经 验和半理论的模型，例如压力预测模型，而这些模型仅在特定的操作条件下才可行【3 0 3 。 此外，因气力输送过程是以颗粒运动为主的过程工程，只有真正掌握颗粒的微观信息才 能切实有效地研究颗粒的运动行为，从而更好地指导设计气力输送系统。认识到这一点 后，人们开始利用激光技术对稀相输送中的颗粒浓度、运动速度进行研究【3 2 。3 4 1 。后来， 4 济南大学硕士学位论文 层析成像技术逐渐成熟起来，并被用来研究浓相气力输送系统，可获得管道中的颗粒浓 度分布，但是这并不能预测单个颗粒的速度，也不能得到颗粒与流体之间、颗粒与颗粒 之间的相互作用力，这就极大地限制了人们的研究范围。随着计算机的迅速发展，数值 模拟技术应运而生，并成功打破了之前一些研究技术的局限性 3 5 _ 37 1 。根据对颗粒的处理 方式，可将数值模拟方法分为连续方法和离散方法。连续方法中最为典型的就是应用最 广泛的双流体模型，将气体和固体颗粒均视为连续介质。而离散方法主要是拉格朗日颗 粒追踪法和耦合计算流体单元法( c f d d e m ) 方法，虽然二者均将颗粒视为离散相，但是 二者有着一定的区别，拉格朗日方法不考虑颗粒间的碰撞，适于求解浓度较低的输送体 系，而c f d d e m 方法将此考虑进去，并且不受颗粒载荷的限制，应用范围较广 3 8 , 3 9 。 1 2 2 2 实验研究 气力输送系统在化工、石油、冶金、能源等行业得到广泛应用，主要包括管道的气 力输送、水力输送、集装物容器式管道输送技术等。因为输送过程的复杂程度较高，很 多问题仍未得到彻底地解决，所以很多研究人员从未停止过对气力输送的研究。此外， 随着工业发展的需要，很多输送过程已不能完全用水平单一直管完成，需要借助弯管、 倾斜管段、垂直管段和渐扩或渐缩管段等来完成，我们将这些非水平单一管道均称为复 杂管段。通过对输送系统中复杂管段的研究，得到内部压力分布情况和流动特性，对进 行气力输送的机理性分析和指导工程实践具有重大的意义 4 0 4 3 1 。 b k u a n 等人 4 4 以玻璃球为输送物料，其平均粒径为7 7 t m ，在弯曲度d r c ( d 和 r c 分别代表弯管的水动力直径和曲率半径的平均值) 为2 3 ，管道边长为1 5 0 m m * 1 5 0 m m 的方形管道中，取雷诺数为十万进行气力输送试验，考虑到颗粒之间的相互作用和颗粒 之间剪切滑移力的影响，采用拉格朗日粒子跟踪算法，以便估测固体物料颗粒的运动情 况。 刘彬，贺春辉等人 4 5 】进行了干煤粉高压浓相气力输送实验，利用二氧化碳气体作为 输送气体，研究干煤粉在管道中的流动型态、补充风量、发料罐与收料罐压差的变化对 气力输送流动特性的影响。得到水平管的阻力特性回归公式。 h u s e y i na k i l l i 和h a r u nb i l i r g e n 等【4 6 4 7 】在内径为o 15 4 m 的垂直向上转水平的9 0 。弯 管中进行了煤粉的气力输送实验，通过安装于管道相应部位的反射式光纤探头来监测弯 管部分的局部颗粒速度和粉体浓度，重点分析了气、固质量流量比与曲率半径和管道直 径比对其流动的影响。从气固两相相互作用的角度分析了弯管部分两相的混合与分散。 复杂管道浓相气力输送流动特性分析 l u i ss a n c h e z 等 4 8 1 在水平管道长9 6 m ，垂直管道长6 1 m ，并且拥有6 个垂直弯角和 三个4 5 0 弯角的工业尺度级的实验台上进行了气力输送实验，研究了弯管处两相的流动 情况。 a j t a m a r a 等4 9 1 研究了气力输送重力管道包括垂直管和倾斜管中颗粒的流动特性， 分析了管道类型和重力作用对流动的影响，并采用可视化管道对具体流动形态进行观 察。 s k g u p t a 等例在长3 7 m 的气力输送系统中，用尺寸为1 0 8 u m 的粉煤灰作为介质， 通过改变倾斜管角度和输送方向，研究了粉体流动过程中脉冲效应的变化。 k a t h e r i n ea l b i o n 等5 1 1 通过在输送管道上安装非侵入式声学信号分析传感器检测了 倾斜角度分别为0 0 、1 5 0 和2 5 0 的倾斜管道内粉状物料的流动形态，揭示了倾斜管中粉体 流动过程中内部相互作用机理。 y u l o n gd i n g t 等5 2 1 研究了气力输送垂直向上通过石质管道过程中粉体的混合和流 动特性，探讨了输送过程中的雷诺数，并建立了流动模型。 z e l j k ob 等5 3 1 对重力管道( 垂直加倾斜) 的粉煤输送特性进行了研究。 1 2 2 3 数值模拟 气力输送过程的复杂性使得传统的理论研究方法很难将输送过程完全真实地呈现 出来，而且这些理论研究方法多是采用经验或半经验的模型或者对大量实验数据进行处 理，得出的结果往往具有统计平均性，或多或少与输送系统中真实的流动特性有偏差， 在指导工程实践中就有一定程度的失真 5 4 - 5 6 。 随着计算机技术的发展，数值模拟技术被广泛应用于工程中。该技术主要是通过计 算机，采用数值模拟软件，建立各种条件下的基本控制方程，根据采集的工程数据确定 相应的边界条件和初始参数，然后选用合适的数值求解方法进行求解，得到输送管道内 的气固两相的流动特性及管道内部压力分布情况和流动细节 5 7 - 6 0 】。同时结合实测数据进 行验证，二者结合可更好地指导气力输送装置的设计和优化。 s a n t i a g ol a i n 等6 1 1 用数值模拟的方法比较了气力输送球形颗粒在长6 m 的环形方管 和圆管中流动的不同，从颗粒速度和浓度的刨面图分析发现颗粒在圆管中速度大，与管 壁碰撞频率高，尤其是在管壁较粗糙时，圆管中压降比方管中压降大很多。 m h id a y a t 6 2 1 采用双欧拉模型数值模拟了一个气力输送连续u 型干燥器，从输送压 差、质量流率、雷诺数等方面分析了其干燥效率的影响因素。 济南大学坝士学位论文 c h u n x i az h a n g 6 3 1 和y uz h a n g 6 4 1 等用具体实验和c f d 数值模拟相结合，研究了气 固两相通过内部安装沙丘模型的d o u b l e t u b e s o c k e t ( b 1 d t s 管道) 时，粉体的流动状况和 其能量的消耗。发现在管道入口处，粉体经过沙丘模型，有助于减少颗粒从沉积层到稳 定输送的悬浮状态所需要的时间和能量，有助于使输送过程快速进入稳定状态。 j e h i l t o n 等6 5 1 采用离散元素模型和分子动力学模型等，对不同形状的扁长椭球、 扁圆椭球、球形和长方体形的四种小球进行了数值模拟，分析了颗粒形状对输送过程流 型的影响，并重点讨论了段塞流和沙丘流两种模式。 匡世波6 6 1 通过离散单元法对气力输送系统进行数值模拟，通过对稳态和非稳态料栓 的数值模拟，得到了流场信息，并进行进一步的分析。 段广彬等【6 7 1 采用欧拉拉