稀相氣力輸送彎管磨損的數(shù)值模擬及設(shè)計改進

董盛+++李維佳

摘 要：從設(shè)備使用中遇到的實際問題出發(fā)，分析研究了稀相氣力輸送系統(tǒng)中彎頭磨損機理。通過Fluent數(shù)值模擬的方法，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合算法進一步探討了彎頭形狀參數(shù)對磨損的影響。初步揭示了短半徑彎頭的內(nèi)部流動特性及抗磨損機理。并通過對多組模型的數(shù)值模擬，提出了從耐磨角度考慮，短半徑彎管在其他條件不變的前提下彎管R/D值有最佳值。在了解并通過上述數(shù)值模擬驗證了磨損機理的基礎(chǔ)上，給出了幾種實用的抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：氣力輸送；磨損；數(shù)值模擬；氣固兩相流；短半徑彎頭

氣力輸送是利用通過加速空氣的流動來帶動顆粒或粉體狀物料在密封的管道中進行連續(xù)輸送的技術(shù)。氣力輸送裝置的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便廣泛應(yīng)用于電力、化工、食品生產(chǎn)、機械制造等多個行業(yè)。氣力輸送是典型的氣固兩相流，針對物料在運輸過程中其流動狀態(tài)復(fù)雜性，文章從氣固兩相流理論出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析闡述了造成彎道磨損的主要原因，針對彎管的磨損進行了探討。

由于管道布置需要，氣力輸送管路主要由彎管，直管，變徑管組成。其中通常又以彎管對氣固流的壓力降、管壁磨蝕、物料破碎的影響最大，磨損部位一旦破損，破損處的泄料不僅會破壞整個系統(tǒng)的氣密性，影響裝置的正常工作，而且會污染環(huán)境。

彎管在管路設(shè)計、運行操作中都備受關(guān)注。因此，必須了解彎管內(nèi)的氣固流動規(guī)律及其磨損原因，合理進行參數(shù)的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使裝置的性能達到最佳狀態(tài)。

1 實際案例介紹

圖1 輸粉彎管長期使用后磨穿照片

如圖1所示為某公司生產(chǎn)的粉末傳輸設(shè)備，其粉末傳輸系統(tǒng)中彎管R/D值約為4，氣固兩相流速約10m/s，粉末顆粒直徑為10-20μm。彎管在長時間使用后轉(zhuǎn)角外延處磨損嚴(yán)重，有個別彎管甚至已經(jīng)磨穿。造成粉末外溢，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，并且造成了生產(chǎn)工廠環(huán)境污染。因此，有必要針對這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因做理論分析，同時給出更可行的方法指導(dǎo)管路設(shè)計。

2 彎管磨損機理分析

由于固體顆粒物的存在，氣力輸送中管壁磨損不可避免。彎管內(nèi)磨損是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，對其磨損機理的假設(shè)如下：

（1）彎管處的沖擊磨損。管道中高速運動著的物體，在突然發(fā)生變向的彎管中，由于慣性的作用會使其繼續(xù)朝著原來的運動方向運動，部分顆粒會與管壁發(fā)生碰撞，這是管壁破損的主要原因之一。碰撞過程中會造成傳輸顆粒的動能損失，并可能造成傳輸顆粒的破裂以及管壁的磨損。

（2）除沖擊磨損以外，彎管內(nèi)還存在摩擦磨損。物料顆粒在經(jīng)過彎道時，運動狀態(tài)發(fā)生改變，此過程中一部分速度較低或經(jīng)碰撞減速后的物料會沿著彎管內(nèi)壁與彎道內(nèi)壁發(fā)生滾動摩擦。由于離心力作用，物料顆粒對管壁的正壓力增大，產(chǎn)生的摩擦力也隨之增加。

（3）沖蝕磨損。由于顆粒沖擊彎管表面而使得管壁材質(zhì)產(chǎn)生的局部變形，表面材質(zhì)甚至被切割剝離而形成的磨損。

（4）由于顆粒受到Magnus升力產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的顆粒與管壁接觸時也會對管壁造成額外的磨損。

另外，這些磨損并非獨立存在的，它們在彎管中會相互影響，相互作用，并對彎管產(chǎn)生綜合性的效果。

通常來說，在這些作用中沖擊磨損所造成的影響最大，其次是摩擦磨損。因此文章主要針對彎道處的沖擊磨損及摩擦磨損進行研究。

影響彎管磨損和壓力降的主要因素有氣固兩相流流速、固相體積分?jǐn)?shù) 、管道幾何形狀，尺寸及材質(zhì)和粉體特性等。然而對于工程師的管道設(shè)計來說，其他因素通常都以及成為設(shè)計輸入條件，最方便控制和改變的可能就是管道幾何形狀及尺寸及材質(zhì)這個因素。在管道幾何形狀及尺寸中，彎管曲率半徑與管道直徑之比（R/D）對磨損的影響很大。早期的管路設(shè)計時，人們通常認(rèn)為顆粒在彎管中會沿外側(cè)內(nèi)壁流動，因此認(rèn)為曲率半徑越大的彎管收到的壓力越小，相應(yīng)的磨損和壓力損失也越小。因此，氣力輸送系統(tǒng)最初使用的都是長半徑彎管其R/D值通常達到8～24。而后來，通過Mason彎管試驗以及實際的工程實踐驗證發(fā)現(xiàn)，物料流經(jīng)彎管時，會在內(nèi)壁外側(cè)和內(nèi)側(cè)彈跳。每個磨損點都說明物料與管壁之間存在強烈的沖擊。事實上，長半徑彎管曲率半徑越大，撞擊反而會越嚴(yán)重，沖擊碰撞點也越多，磨損非但沒有減輕反而更加嚴(yán)重。為了能使物料盡可能少的在彎管內(nèi)碰撞并降低物料對管壁的磨損，短半徑彎管（R/D值為2～3）應(yīng)運而生。實際使用中，這種彎頭會在彎頭轉(zhuǎn)彎處形成一個物料堆積的密集區(qū)域，可以起到保護管壁外側(cè)內(nèi)壁的作用。那么短半徑彎管內(nèi)是如何形成堆積的密集區(qū)域的？它的氣固兩相流的流動特性是如何的？對于抗磨損而言，R/D值的取值如何選取，是可在區(qū)間任意選取還是存在最佳值？這些問題的答案對我們優(yōu)化設(shè)計是很有幫助的，有必要對其深入研究。

圖2 沖擊磨損示意圖

3 彎管數(shù)值模擬

為了能夠研究彎管（特別是短半徑彎管）內(nèi)的流動狀態(tài)，并驗證磨損機理，考慮通過數(shù)值模擬分析，計算彎管內(nèi)壁的受力情況以及彎管內(nèi)氣固兩相流的速度變化情況，從而勾勒出彎管磨損的情況。

運用了Fluent軟件，選取R/D=2，3，4，5共4種不同R/D值彎管作為研究對象，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合計算方法，對彎管內(nèi)的稀相氣力輸送過程進行數(shù)值模擬，目的是揭示彎管道分流處氣固兩相的壓力分布、速度、湍流情況等流場信息，為彎管的設(shè)計提供理論依據(jù)。

為了盡可能與案例接近，彎管幾何模型設(shè)置如下：

建立R/ D=2，3，4，5的水平轉(zhuǎn)垂直的90°彎管模型各一個， 管內(nèi)徑統(tǒng)一為30mm，水平和垂直端各增加20mm長直管部分。

氣固兩相流參數(shù)及邊界條件設(shè)定如下：

入口條件：

Velocity inlet 速度入口；氣相介質(zhì)：空氣；密度ρg.：1.225 kg /m3；入口氣速Vg：10m/s；粘度：1.7894×10-5kg/m-s；固相介質(zhì)：碳粉；物料粒徑dp：10μm；密度ρs：2000kg/m3；入口物料速度Vs：8.8m/s；粘度：1.72×10-5kg/m-s；入口物料體積分?jǐn)?shù)：10%。endprint

出口條件： outflow充分發(fā)展出口。

環(huán)境條件：

環(huán)境溫度：288.16K；大氣壓力：101325Pa；重力加速度： 9.81m/s2

相間阻力設(shè)定為schiller-naumann，湍流強度為10%。

4 模擬結(jié)果與討論

通過在Fluent中反復(fù)計算迭代保證算法收斂，得出了以下結(jié)果。

4.1 速度對比

R/D=2，3，4，5時，氣固混合物速度矢量分布圖分別如下：

圖3 各R/D值對應(yīng)氣固兩相流速度矢量分布圖

R/D=2，3，4，5時，氣固兩相流出口端面速度分布云圖如下：

圖4 各R/D值對應(yīng)氣固兩相流出口速度分布云圖

參考圖3并結(jié)合圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）隨R/D值不同，彎管內(nèi)速度矢量分布的總體趨勢相近，即都是內(nèi)圓弧處矢量速度較大，外圓弧處矢量速度較小。

（2）內(nèi)側(cè)近壁區(qū)速度有超過進口速度的局部升速現(xiàn)象。外側(cè)近壁區(qū)速度有降低現(xiàn)象。其中R/D=3彎管速度最低。出現(xiàn)外側(cè)近壁區(qū)顆粒速度低是氣固兩相流轉(zhuǎn)向擁堵造成的。這里便是短半徑彎管存在物料堆積密集區(qū)。在這個區(qū)域內(nèi)顆粒會有所減緩，甚至停留，起到保護管壁不受后續(xù)顆粒撞擊的作用。有利于減少磨損。R/D=2也有物料堆積區(qū)，但其區(qū)域面積明顯小于R/D=3彎管。另外，在靠近出口處的外側(cè)近壁區(qū)有類似R/D=4，5彎管的速度上升現(xiàn)象。

（3）由圖4出口端面的速度分布可以看出，R/D值為3的出口速度分布云圖最均勻，管中央速度較高，可以清晰的看到位于外側(cè)近壁區(qū)的低速區(qū)域。而R/D=4，5或較小R/D=2的出口速度分布都相對更不均勻，外側(cè)近壁區(qū)速度相對其他區(qū)域的速度要高的多。在近壁區(qū)域的氣固兩相流速度升高，顯然是會加劇管壁磨損的。

4.2 壓力比較

由圖5結(jié)合圖6可以得出：

（1）氣固兩相流在彎管中最高壓強壓強集中在外圓弧最外沿接近理論撞擊區(qū)域。這與假設(shè)的磨損機理是相符的。固體顆粒在彎管內(nèi)運動的方向急劇改變， 此時顆粒群在彎管中轉(zhuǎn)彎發(fā)生擁堵， 減速、再加速、轉(zhuǎn)向， 造成能量損失很大。這造成了外壁壓強的增大，也是外壁磨損的主要原因之一。

（2）還可以分析出，隨著R / D的增加，受壓區(qū)域的最高壓強逐漸減小。但彎管受壓力總面積隨之逐步增大。可以很容易看出，高壓強區(qū)面積最小而集中，且最大壓強相對較小的是R/D=3彎管。因此，如果我們從控制磨損的角度考慮，可認(rèn)為其他條件相同的情況下，R/D=3彎管磨損更容易控制一些。另外，若要在磨損區(qū)域增加耐磨管壁材料或者可拆卸零件，受壓區(qū)域控制在較小范圍內(nèi)也是有利于設(shè)計優(yōu)化和改造的。

（3）特別的，R/D=4高壓強區(qū)域與案例中磨損實際發(fā)生的區(qū)域基本一致。這一定程度上也證明了數(shù)值模擬以及磨損機理假設(shè)的準(zhǔn)確性。

為了能減少磨損，可以考慮將原設(shè)計的長半徑彎管優(yōu)化為R/D=3的短半徑彎管。

5 其他抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)

上述彎管尺寸優(yōu)化可以在不改變結(jié)果的前提下減小彎管磨損，但如果希望進一步提升彎管的壽命，還可以在上述研究的基礎(chǔ)上，采用以下幾種常用的抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)改進。

圖7 常用抗磨彎頭結(jié)構(gòu)

（a）易磨損區(qū)域加厚彎頭。在最易磨損區(qū)域加厚或者改用其他耐磨材料。可以增加彎管壽命。

（b）可拆卸型彎管。即使加厚彎管磨損點處的材料厚度，還是會不可避免地被磨損，為了不至于更換整個彎管，可以在磨損點處加裝一個蓋狀的可拆卸零件。可定期更換此零件。

（c）球形彎頭以及（d）T型彎頭。可以使物料在到達彎道部位時自動形成一層保護膜，將常規(guī)氣力輸送彎管中物料對彎道內(nèi)壁的沖擊磨損轉(zhuǎn)化為物料自身之間的滾動摩擦，以達到降低管道磨損的效果。

6 結(jié)束語

通過上述研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）從磨損機理和數(shù)值模擬分析可得出，案例中R/D=4的長半徑彎管由于其結(jié)構(gòu)原因，轉(zhuǎn)彎處磨損更為嚴(yán)重。實際工況下彎管磨穿的位置與數(shù)值模擬的情況是基本一致的。為了能改善其磨損情況，可以考慮縮小R/D值到3，使其成為短半徑彎管并使磨損量和磨損區(qū)域相對較小。

（2）由于彎管內(nèi)流動特性與包括彎管的內(nèi)表面摩擦系數(shù)、輸送速度、所輸送的物料特性，甚至環(huán)境參數(shù)等因素相關(guān)，因此R/D值并非在范圍內(nèi)隨意選取，否則可能會加劇磨損。

（3）在其他條件不變的前提下，即便在短半徑彎管要求的區(qū)間內(nèi)選取值，也需要注意彎管R/D值有一個相對最佳值。超過或小于此值，磨損情況都會相對增加。

（4）可以通過對彎管內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬及對結(jié)果的分析，指導(dǎo)設(shè)計選擇較為合理的R/D值等彎管尺寸，從而達到優(yōu)化彎管磨損量及磨損區(qū)域的目的。

（5）在充分了解磨損機理的前提下，還可以使用包括對磨損區(qū)域加強，局部更換磨損區(qū)域，以及使物料在流動過程中堆積在磨損區(qū)域等方法進一步減少彎管磨損的影響，增加它的使用壽命。

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作者簡介：董盛，學(xué)校：東華大學(xué)，機械工程學(xué)院，在讀工程碩士。工作單位：諾信（中國）有限公司；工作職位：資深應(yīng)用工程師；從事粉末噴涂設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用。endprint