基于CFD－DEM的文丘里供料器設計*

姚艷萍 劉素琰 劉永強

太原科技大學機械工程學院 太原 030024

0 引言

氣力輸送指空氣或是其他氣體在建立好的管道路線里進行流動，將物料顆粒從初始位置搬運到目的位置的技術。氣力輸送系統由4個部分組成，分別為壓縮機、供料器、輸送管道以及分離器。這種輸送方式有很高的輸送效率，設備構造較簡單，環境適應性較強，管理方便，同時也易實現自動化，廣泛應用于工業、能源、農業、礦業等方面[1]。

供料器是氣力輸送系統中很重要的一部分，用于將粉粒體運送到輸送管道中，并與氣流進行混合。而文丘里供料器是氣力輸送系統中最簡單的供料裝置，有結構緊湊、占用空間少、價格便宜、物料輸送速度高和連續性能好等優點，被廣泛使用于各種輸送系統中[2]。研究文丘里供料器內部顆粒運動特性、流體運動特性和結構參數對其輸送性能的影響有重要的工程意義。

本文基于氣力輸送的文丘里管理論公式，設計了文丘里供料器的結構，使用Solidworks建立了其三維模型，然后使用Fluent和EDEM耦合的方法對文丘里供料器展開仿真研究。

1 文丘里供料器結構及原理

文丘里供料器也稱為氣-固噴射器，是氣力輸送系統中較簡單的一種供料設備，圖1為其結構簡圖，主要由5部分構成，分別為噴嘴、供料器、混合室、接收室及擴散室。其原理是使用高速的氣流來對粉粒體物料進行運輸，帶一定壓力的壓縮空氣從噴嘴射出，在接收室內形成高速氣流，并使接收室內形成負壓，物料在自身重力和大氣壓的雙重作用下落進接收室，高速氣流攜帶物料一起進入混合室并進一步混合均勻，然后通過擴散室進入氣力輸送管道[3]。

圖1 文丘里供料器簡圖

2 文丘里供料器參數計算

文丘里供料器結構參數包括輸送管直徑、噴嘴入口以及出口的直徑、噴嘴長度、混合室入口、出口直徑、混合室長度、擴散室長度等[4]。已知參數有：風機入口壓力為大氣壓，風機出口壓力為27 kPa，流量Q=14 m3/min，聯合收割機喂入量q=0.7 kg/s，輸送管道由1.5 m水平管道、4 m垂直管道和3個90°彎管組成。由文獻[5]提供的文丘里管理論公式，可計算出文丘里供料器相關的結構參數。

1）輸送參數的計算

2）管道出口阻力計算

3）性能計算

4）結構尺寸計算

由以上計算結果可得，文丘里供料器結構如表1所示，物料入口和水平面有傾角，這樣可以讓物料有一定的水平初速度進行下落，既可讓物料平穩運輸，還可減少能量消耗。

表1 文丘里供料器結構參數 mm

3 幾何建模與仿真

使用三維建模軟件Solidworks建立文丘里供料器的三維模型，如圖2所示。此結構為殼體，在用EDEM與Fluent耦合的方法進行仿真時，Fluent的計算域是流體域，將文丘里供料器三維模型導入Ansys軟件的DesignModeler模塊中，對其三維模型進行抽取流體域[6]，流體域結構如圖3所示。

圖2 文丘里供料器殼體模型圖

圖3 文丘里供料器流體域模型圖

使用EDEM軟件與Fluent軟件耦合的方法對文丘里供料器進行仿真研究。如圖4所示為文丘里供料器的速度云圖，可以看出，氣體在通過噴嘴的時候，管徑慢慢減小，同時速度不斷變大，在噴嘴喉徑處速度最大；在接收室通過混合室和擴散室時，混合流速逐漸降低；氣體在噴嘴喉徑處有一個穩定的高速氣流點，從而可以讓物料進入到接收室的時候可以和高速氣流充分的混合且以很快的速度進行輸送。

圖4 文丘里供料器速度云圖

物料顆粒運動軌跡圖如圖5～圖8所示。由圖5～圖8能夠看到物料在文丘里供料器中的運動軌跡，物料在自身重力和大氣壓的雙重作用下能很容易地落進接收室內，顆粒下落以后和高速氣流融合，并高速的進行運輸，在經過混合室的時候在其壁面發生反彈，從而讓混合流體變的平穩，保證在擴散室里面輸送時的穩定。

圖5 文丘里供料器生成顆粒圖

圖6 文丘里供料器顆粒速度流量圖

圖7 顆粒總量速度圖

圖8 顆粒速度時間圖

5 結論

本文主要使用EDEM－Fluent耦合的方法對文丘里供料器進行模擬仿真研究，對最后仿真結果的氣體速度以及顆粒運動的具體軌跡進行了詳細分析。經過相關研究發現文丘里供料器噴嘴喉徑的位置能擁有穩定的高射流，可以更穩定地對運輸顆粒。然而因噴嘴的射流是有一定范圍限制，當顆粒在供料器的邊緣進入接收室的速度過大時，顆粒就下落到壁面進行反彈，然后運動到噴嘴上下兩端，聚集在接收室左側，造成物料的殘留，故該裝置還有待進一步的改進。