水平管气力输送气固两相流流动特性研究

水平管气力输送气固两相流流动特性研究

气能供应系统的粮食加工、冶金、制造业等行业的发展具有重要影响。利用管道输送颗粒时,在管道底部容易出现颗粒沉积的现象,并且气力输送系统运行的能耗比较大,以致于优化气力输送系统的设计及提高运行的可靠性,有着重要的现实意义。为了研究气力输送过程中气固两相流的流动规律,更好地为工程设计提供理论基础,在过去的几十年中研究人员已经开展了很多工作。谢灼利等本文中在气力输送系统物料入口附近安装沙丘模型,旨在使系统低速运行时粒子得到悬浮并使粒子速度增加。首先拟通过建立DPM模型,定性分析粒子的路径、浓度及速度矢量分布;然后运用PIV技术通过实验手段测量粒子轴向速度,定量研究砂丘模型的加速效果,进一步分析安装砂丘情况下的气固两相流流动特性。1影响连续相、离散相分布的因素气力输送过程中,物料颗粒作为离散相的存在影响了连续相的流场分布,而连续相的流场又反过来影响离散相的分布。连续相与离散相可以互相交换质量、动量和能量(即双向耦合作用)。1.1控制表面的面积任意选取一个形状任意、大小有限的控制体,在如图1所示的控制面上,设定任一点的速度为v,表面的面积向量为dS。气相连续性方程固相连续性方程式中:α1.2固体颗粒的作用力气相动量方程固相动量方程式中:g为重力加速度。在气力输送系统中,气固两相之间的相互作用,影响着动量和能量的传递。颗粒在管道中的运动情况复杂,受到的力包括虚拟质量力、压力梯度力、应力、重力、曳力等,但是这些力的数量级都非常小,可以忽略不计,因此,数值模拟固体颗粒所受的作用力只考虑重力、应力及气固两相流速度差产生的曳力。气固之间的速度差产生的曳力为式中β为气固间曳力系数,根据Gidaspow曳力理论模型1.3流量输送方法气相湍流动能方程固相湍流动能方程式中:G1.4微团运动分析图2为应用亥姆霍兹速度分解定理2数值模拟分析2.1沙丘模型和位置砂丘模型尺寸以及安装方式与研究2.2网格划分对4种几何模型进行网格划分,无沙丘网格数为437万(如图4所示),Case1、Case2、Case3的网格数均为430万。2.3粒离散相的质量流量颗粒视为离散相,颗粒的平均粒径取3.3mm,颗粒离散相的质量流量为0.45kg/s;水平管出口(outlet)的压力设定为101325Pa;气流入口(inlet1)的空气速度为13m/s。2.4运动学特性分析为了分析安装砂丘模型情况下物料粒子的运动特性,采用离散相模型(DPM)对物料入口的粒子路径、加速区的粒子浓度及粒子速度矢量分布进行定性分析。2.4.1不同种情况下沙丘对涡流的种类进行了设置,存在同沙为了验证砂丘模型对物料粒子的悬浮作用,分析物料入口处粒子路径情况是很有必要的,如图5所示。Case1、Case2、Case3等3种情况,在沙丘模型位置附近均产生了涡流,而无沙丘没有产生涡流。由于当空气流经沙丘时,沙丘上方流速变大,压力降低,而砂丘表面下方气流速度较小,压力增大,最终导致截面压力上下压力不能平衡,形成了竖直向上的压力差(即升力),因此,安装沙丘模型时,从料口落下的颗粒因为涡流的产生,受到向上的升力,使颗粒垂直向下(管底)的速度降低,阻碍颗粒向管道底部运动,使粒子得到了悬浮。2.4.1颗粒分布情况的对比为了进一步研究砂丘模型的悬浮能力,对系统入料口下游位置B粒子浓度分布情况进行分析,如图6所示。由图可知,安装沙丘模型的颗粒均匀分布在水平管道中,而无沙丘模型的颗粒主要集中在管道底部。因为空气在流经沙丘时产生的涡流使粒子得以分散,所以避免了粒子的堆积。2.4.3粒子速度对比为了研究砂丘模型对物料的加速作用,本文中对物料粒子速度矢量进行了分析,如图7所示。由图可知,尽管在入口气流速度相等的情况下,安装沙丘模型的粒子速度值相对于无沙丘模型的粒子速度值明显增大。这是因为安装砂丘模型后的管道截面积被减小,于是在空气流量一定的情况下,势必会增大此处的气流速度,致使气流携带的粒子速度增大。3实验与研究3.1输送管长度l以正压水平管气力输送系统作为研究对象,如图8所示,输送管长度L=5m,内径d=80mm,系统主要包括鼓风机2台,压力传感器2个,空气流量计1个。输送的固相物料选用平均粒径d3.2测量条件及位置图9为采用PIV系统测量水平管道内粒子速度分布原理图,采用的高速摄像机型号为PhotronFASTCAM-MAXI2(帧率设定为:1000fps,快门速度:0.1ms),所用激光源为高强度连续绿光(2W),光束厚度为5mm,所拍摄图片大小为80mm×111mm,测量位置为3个(图8位置A、B、C),分别为距离粒子入口x=0.3m(x/d=4,位置A)、2m(x/d=25,位置B)和3.5m(x/d=44,位置C)。本文中在空气速度(v3.3结果与讨论3.3.1粒子及粒子分布的验证图10为各种工况沿水平管的粒子速度分布,粒子首先经过300mm的加速到达位置A,如图10a所示,Case1、Case2、Case3的粒子平均速度明显大于无砂丘工况下的粒子速度,其中Case1和Case2的速度值最大,这是因为粒子经过砂丘弯曲面时得到悬浮避免了粒子的堆积,已经通过粒子浓度分布得到验证(图6);同时,由于安装了砂丘模型使得管道截面积被减小,因此在空气流量一定的情况下,间接增大了气流速度,也有利于粒子的加速。由于Case1与Case2的砂丘仅相差13cm,故2工况的速度几乎相等。粒子经过2m的加速到达位置B,如图10b所示,各工况的粒子速度分布趋势与位置A总体上相似,并且速度值明显大于位置A,其中Case2的粒子速度明显大于其他工况,这是因为Case2的粒子从下料口下落后首先在水平管运行13cm后,以一定的初速度经过砂丘模型弯曲面再被悬浮及加速。粒子被输送至位置C时,如图10c所示,此时粒子的速度趋于匀速,并且4种工况的速度差值在减小,说明此处砂丘的作用已衰减。3.3.2砂丘模型旋转轴安装位置为了测量系统的压力损失,在被输送物料入口和出口处分别安装压力传感器(p与此同时,通过使用输送管上游的孔板流量计测量气流速度(v图11为各种工况(Case1、Case2、Case3和无砂丘)的压力损失Δp随着空气输送速度v由图11明显发现安装砂丘模型时,Case3、Case2、Case1的最小输送速度依次减小,即Case1的最小输送速度是最小的。这是因为Case1的砂丘模型安放在粒子入口的正下方(图3),此时粒子进入水平输送管道后立即会经过砂丘模型的上行弯曲面得到悬浮;对于Case2,粒子下落后先水平运行13cm后才与砂丘面接触,水平运行过程中粒子因为聚集而发生了碰撞及摩擦,造成粒子的部分动能被损耗;然而对于Case3仅仅增大了此处的气流速度,粒子并没有得到悬浮。由以上结果可知,砂丘模型运用在气力输送系统中明显降低了系统的最小压力损失和最小输送速度,达到了节能目的,特别是安装于下料口正下方管道底部的Case1效果更加明显。4粒子轴向缓冲系统的特性,提取了砂丘模型的自通过数值定性分析及实验定量研究,对安装砂丘模型的水平管气力输送气固两相的流动特性进行探讨,揭示了丘模型的节能效果。1)通过采用DPM模型,定性分析了入料口的粒子路径、加速区的浓度分布及速度矢量分布,结果发现,安装沙