基于EMMS模型垂直向上密相懸浮氣力輸送過程數值模擬研究

潘剛

摘 要：基于EMMS模型，建立垂直向上密相懸浮輸送過程的數學模型。對輸送管道內固體顆粒的速度、體積分數以及管道內壓力變化進行了研究。研究結果表明：固體顆粒在管道發生團聚現象；在高度方向上，固體顆粒速度呈現出先減小后趨于穩定的變化趨勢，固相顆粒平均體積分數呈現出先增加后平穩的趨勢；在高度h=3.5～8 m范圍內氣力輸送過程趨于穩定。

關鍵詞：EMMS模型 氣力輸送 數值模擬

中圖分類號：TH411 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0009-02

Numerical Simulation of Vertical Upward Dense Phase Suspension Pneumatic Conveying Based on EMMS Model

Pan Gang

（Inner Mongolia University of Science and Technology， School of energy and environment，Baotou Inner Mongolia，014010，China）

Abstract：The mathematical model of vertical upward dense phase suspended transportation process is established based on EMMS model.The velocity and volume fraction of solid particles in the conveying pipeline and the pressure changes in the pipeline are studied.Research results show that agglomeration of solid particles in the pipeline.The velocity of solid particles decreases firstly and then tends to be stable in height direction.The average volume fraction of the solid particles increased first and then tends to be stable in height direction.The pneumatic conveying process is stable in the height h=3.5～8 m range.

Key Words：EMMS model；Pneumatic conveying；Numerical simulation

氣力輸送顆粒物料是工業中常見的輸送方式，是復雜的氣-固兩相流動過程[1]。輸送管道內氣固兩相的流動狀態影響氣力輸送過程的安全性和穩定性，相關研究者對氣力輸送過程進行了研究。東南大學[2]通過實驗分析干煤粉在管道中發生兩相流動的過程，并且利用其特性研究工業問題。而原田幸夫等人[3]通過管道內氣力輸送測速實驗研究，得到影響固相懸浮速度提高的原因很大一部分是由于壓降的增加。針對垂直放置的管道內大粒徑固相顆粒數量少的情形，Tsuji等人[4]利用Lagrange的研究方法進行了數值模擬計算。Ottjies等人[5]對發生在水平放置的管內固相顆粒的運動進行了數值模擬，并研究了固相顆粒與管子壁的碰撞。浙江大學[6]研究了在管道內發生稠密兩相流動的情形，并建立了包含有連續介質以及顆粒軌道模型的模型。以上研究通過實驗手段，采用雙流體模型的數值模擬方法對氣力輸送過程中氣固兩相的速度分布，固相顆粒體積分數進行了研究。但采用EMMS模型對氣力輸送過程的研究較少，該文基于EMMS模型，對垂直向上密相懸浮氣力輸送過程進行了數值模擬研究。

1 物理模型

該文所研究的密相懸浮氣力輸送過程是發生在垂直的管道中，管長為8 m，管徑為8 cm，如圖1所示。固體顆粒密度為1020 kg/m3，粒徑為1 mm；固相顆粒入口速度為6.5 m/s，氣體入口速度為17.5 m/s。采用二維軸對稱模型研究氣力輸送過程的氣固兩相流動過程。

2 數學模型

采用雙流體模型模擬密相懸浮氣力輸送過程。氣固兩相之間的作用力主要考慮相間曳力，曳力模型采基于EMMS（Energy- Minimization Multi-Scale）的曳力模型，由中科院所開發的EMMS軟件中的曳力計算模塊（EMMS/Matrix）進行計算。EMMS/Matrix曳力模型是基于EMMS思想[8]，EMMS模型對非均勻結構和氣固相間作用進行了多尺度分解，用結構參數描述各個尺度內氣固兩相的相互作用。模擬采用FLUENT6.3.26作為求解器。模擬計算的時間步長為0.0005 s。

3 計算結果及分析

3.1 固相顆粒平均速度

固相顆粒平均速度沿高度方向的變化規律如圖2所示。固相顆粒平均速度的變化規律呈先下降后穩定的變化趨勢。在管道高度方向h=0～3.5 m區間內，固相顆粒平均速度曲線呈線性下降的趨勢，隨著管道高度的增加，平均速度Us越小，從6 m/s下降為2 m/s；即在氣固混合物沿管道上升的過程中，固相顆粒的平均速度是逐漸減小，顆粒團聚現象的發生導致固相顆粒平均速度的減小。在高度方向h=3.5～8 m區間內，固相顆粒平均速度雖然有微小波動，但大致呈穩定的狀態，固相顆粒速度約為2 m/s。即隨著管道高度的增加，固相顆粒平均速度的變化越來越平緩，這意味著氣固混合物在管道中的運動逐漸趨于穩定。

3.2 固相顆粒的平均體積分數

圖3為固體顆粒體積分數的瞬時值和時間平均值，在管道內呈不均勻分布。從圖3（a）可知固體顆粒局部體積分布較高，表明固體顆粒在管道內發生了團聚；從圖3（b）可知固體顆粒體積分數的時間平均值，表現為中間的顆粒體積分數較高，而邊壁的固體顆粒體積分數較低。

圖4為固體顆粒平均體積分數在高度方向上的變化規律。在高度方向上，顆粒體積分數表現出先增加，再減小，并逐漸趨于穩定的變化趨勢，如圖4所示。在管道高度方向h=0～3.5 m區間內，固相顆粒速度逐漸減小，顆粒出現聚團，導致固相顆粒體積分數逐漸增加，從0.04逐漸增加到0.1。而在管道高度方向h=3.5～8 m區間內，固相顆粒平均體積分數曲線有微小先下降后平穩的趨勢，即從0.1逐＼漸下降為0.08，并趨于穩定。即隨著管道高度的增加，固相顆粒平均速度越來越平緩，使固相顆粒平均體積分數越來越平緩，管道內固體顆粒的流動趨于穩定。

3.3 管道內壓力的變化

壓力隨著管道高度方向的變化規律如圖5所示，管道內的壓力沿著管道高度方向呈逐漸降低的趨勢。在管道高度方向h=0～3.5 m的這個區間內，隨著管道高度的升高，氣固混合物的絕對壓力下降的較為緩慢，在高度方向h=3.5～8 m區間內，氣固混合物的絕對壓力呈線性趨勢下降。表明在管道中由于氣固運動過程中能量的耗散，壓力始終是呈下降趨勢。

4 結語

建立了垂直向上密相懸浮氣力輸送過程的數學模型，氣-固之間的曳力采用EMMS模型，對氣力輸送過程的氣固兩相流動進行了研究，得到主要結論如下所述。

（1）垂直向上密相懸浮氣力輸送管道內存在顆粒團聚現象，導致了固體顆粒平均速度在高度方向呈現出先減小，隨后趨于穩定的變化趨勢。

（2）固相顆粒平均體積分數呈現出先增加后平穩的趨勢。即隨著管道高度的增加，固相顆粒平均速度越來越平緩，使固相顆粒平均體積分數趨于平緩，管道內固體顆粒的流動趨于穩定。在高度h=3.5～8 m范圍內氣力輸送過程趨于穩定。

（3）由于輸送過程中能量的耗散，管道內的壓力呈逐漸下降趨勢。

參考文獻

[1] 謝灼利.密相懸浮氣力輸送過程及其數值模擬研究[D].北京化工大學，2001：3-4.

[2] 許傳龍.氣固兩相流顆粒荷電及流動參數檢測方法研究[D].南京：東南大學，2006.

[3] 原田幸夫，成井浩，島田克彥，等.利群的速度[J].日本機械學會論文集（第二部），1965，30（210）：231.

[4] TSUJI Y.Numerical simulation of gas-solid two-phase flow in a vertical pipe[J].Gas-Solid Flows ASME，1991，121（2）：123-128.

[5] OTTJIES J A.Digital simulation of pneumatic transport[J].Chemical Engineering Science，1978，33（9）：783-786.

[6] 馬銀亮.高濃度氣固兩相流的數值模擬研究[D].浙江大學，2001.

[7] 李靜海.顆粒流體復雜系統的多尺度模擬[M].北京：科學出版社，2005.