氣力輸送三通接料器的仿真研究及結構優化*

姚艷萍 劉永強 劉素琰 楊麗琴

太原科技大學機械工程學院 太原 030024

0 引言

應用于壓送式氣力輸送的三通接料器是承接供料器和輸送管的關鍵裝置，作用是將物料輸送到輸送管后和氣體進行充分混合[1]。壓送式氣力輸送循環輸送物料如圖1 所示，其過程為：螺桿空壓機將壓縮的空氣存儲至存儲罐中，罐內的空氣經過分配器輸送到輸送管內，氣固兩相在三通接料器內進行混合，隨后沿著輸送管進入料倉內實現了物料循環輸送；帶有少量物料的氣體進入除塵器，物料因重力落到除塵器底部通過閉風器輸出，氣體則通過除塵器的過濾網經消聲器排到大氣中；另一方面通過控制電磁閥開閉來調節輸送管道中的氣體壓力，通過對氣體分壓和調節螺旋供料機的輸送量實現物料的稀相和密相輸送。三通接料器結構雖然簡單，但混合區的物料易聚集管底，造成壓力損失增大，對整個輸送系統有較大影響。

圖1 壓送式氣力輸送循環輸送物料示意圖

目前，常用的研究氣固兩相流數值模擬方法有歐拉－拉格朗日法和雙歐拉法。雙歐拉模型是將氣固兩相作為一種連續介質，在歐拉坐標系下觀察兩相運動；歐拉－拉格朗日模型是將連續性的氣相在歐拉坐標系中求解，而顆粒相在拉格朗日坐標系中求解[2]。許多學者對供料器進行了研究，肖益民等[3]采用雙歐拉流模型研究了Y 形喉管入射角度對供料器流場的影響并且針對顆粒易聚集管底提出了橫板優化的方案；文桂林等[4]采用歐拉－拉格朗日模型研究了文丘里供料器的結構參數對輸送性能的影響，通過數值模擬得出了該供料器的優化結構；李抗[5]對組合式供料器壓降特性進行數值分析，研究了組合式供料器的主要尺寸參數及工藝參數對供料器壓降特性的影響；柳波等[6]采用CFD-DEM 耦合方法研究顆粒碰撞下的供料器內壓力分布情況，得到了顆粒碰撞對壓力特性的影響主要發生在氣固混合階段；張曉儀等[7]采用離散相模型模擬研究了溫度場對供料器內顆粒分布的影響；李欽奉等[8]在物料入口附近安裝了軟翅模型來改變管道內流場，并通過歐拉－拉格朗日模型來分析物料顆粒的軌跡和受力情況?，F有的研究集中在三通型供料器傾斜顆粒注入管的角度和供料器內考慮顆粒間碰撞以及氣固溫度對流場特性影響，對于不同直徑的傾斜顆粒注入管和水平輸送管對三通接料器內部流場特性的影響研究不多，對三通接料器中水平輸送管的直徑和內部壓降之間關系的研究也存在不足。

1 數理分析

1.1 物理模型分析

圖2為三通接料器的結構示意圖，左側氣體入口直徑D1為70 mm，上方顆粒入口直徑D2為50 mm，水平輸送管長度L 為1 000 mm，顆粒入口到水平輸送管上部的距離L1為100 mm，氣體入口到2 管交匯處的距離L2為 100 mm，結合實驗裝置和文獻[3]對顆粒入射角的研究，設置傾斜顆粒注入管與水平輸送管的夾角α=65°。氣固兩相在2 管交匯處開始混合，三通接料器內的流場便會受到顆粒運動的影響。顆粒從2 管交匯口進入水平輸送管時，由于顆粒在慣性力和重力作用下所產生的速度方向和氣流方向成一定角度且速度值相差較大，故對三通接料器流場特性影響較大。

圖2 三通接料器結構示意圖

1.2 數學模型分析

1.2.1 氣相控制方程

式中：ρ 為氣體密度，V 為氣體速度，τ 為應力張量，g 為重力體積力，Fother為外部體積力之和，Fsg為氣固相間曳力，FMagus為旋轉升力。

1.2.2 顆粒相控制方程

離散相模型通過對顆粒相在拉格朗日坐標系下的運動進行受力分析，更詳細地了解顆粒的運動規律，提高了計算精度。本文采用惰性球顆粒進行模擬，考慮顆粒平動和轉動，由于顆粒相和氣相的密度相差較大，顆粒在流場中所受各種力中，只考慮顆粒所受到的重力，氣固相間曳力和顆粒旋轉所引起的旋轉升力，忽略虛擬質量力、壓力梯度力、薩夫曼升力、熱泳力和隨機布朗力[9]。

顆粒平移運動方程為

顆粒轉動運動方程為

1.2.3 曳力系數和旋轉升力

以惰性的球形顆粒作為研究對象，其曳力系數為

式中：a1、a2、 a3為顆粒的擬合系數。

考慮顆粒的旋轉引入了旋轉升力FMagus，即

式中：Ap為顆粒的截面積，為顆粒相對于流體的速度，CRL為轉動升力系數。

2 數值仿真

2.1 基本假設

1)為簡化三通接料器內復雜流場，假設顆粒注入口均勻落料，氣體為不可壓縮氣體，流場為定常流動；

2)不考慮氣固間溫度傳遞影響，不需要引入氣相能量方程；

3)考慮到連續相的流場對顆粒相有影響，顆粒相反過來對連續相的流場同樣有影響，故采用雙相耦合。

2.2 邊界條件的設置

本研究應用于低壓氣力輸送的三通接料器，顆?？恐亓β淞?，在2 管交匯處氣體和物料開始進行混合，物料在氣體攜帶的作用下從出口流出。氣體注入口和顆粒注入口均設為速度進口邊界條件，管道出口設為壓力出口，出口壓力值為90 kPa，采用無滑移壁面，管壁粗糙高度設為0.2 mm，顆粒與壁面的靜摩擦系數為0.5，考慮顆粒撞擊壁面后反彈并造成一定的能量損失，設置壁面反彈系數為0.65。具體數值如表1 所示。

表1 氣相和顆粒相的相關參數

2.3 仿真及結果分析

對三通接料器進行數值模擬，分析了該接料器流場分布規律；重點研究了相同工況下不同直徑傾斜顆粒注入管和水平輸送管對三通接料器氣固兩相流動特性的影響，對比分析了氣體壓力曲線、氣體速度曲線和出口處顆粒濃度分布的變化規律；針對氣體和顆?；旌线^程中顆粒易聚集管底的現象提出了一種結構優化的方案。

2.3.1 三通接料器流場分析

得到該接料器中心平面壓力圖，如圖3 所示，可知在2 管交匯處壓力變化較大，原因是氣體和顆粒在2 管交匯處開始混合，氣體攜帶顆粒沿流動方向進行輸送，造成壓力降低。

圖3 中心平面壓力

圖4為水平輸送管軸線氣體壓力曲線，可以看到在水平輸送管100～200 mm 區域壓降較大，原因是此區域的氣體和顆?；旌铣潭葎×遥瑲怏w要攜帶低速度的顆粒沿著流動方向輸送，能量消耗較多。

圖4 水平輸送管軸線氣體壓力曲線

圖5為三通接料器中心平面氣體速度，可知在2 管交匯處氣體速度變化明顯，原因是顆粒開始進入水平輸送管時在氣體攜帶的作用下呈近似類拋物線的運動軌跡，因而拋物線以上的氣體速度小于拋物線以下的氣體速度。隨著輸送距離增加，顆粒在重力作用下逐漸趨于向管道截面下半部分運行，上半部分速度增加，下半部分速度減少，隨后趨于穩定。

圖5 中心平面氣相速度

水平輸送管軸線氣相速度曲線如圖6 所示，可知氣相速度有一個先上升后下降隨后再上升的變化過程。原因是在2 管交匯處顆粒和氣體開始接觸，此時管道上半截面所輸送的顆粒逐漸增多，一部分氣體沿著無顆粒的管道下半截面流動，由于所受阻力小和無顆粒截面的不斷減少，造成該區域的速度所有增大，但隨著輸送距離的增加，物料在重力作用下向管道底部聚集，此時該過渡區域的顆粒增多，阻力變大，氣相速度逐漸變小。最終隨著氣體和顆粒的充分混合，顆粒沿著管道底部區域進行穩定輸送，進而軸線上的氣相速度有所增加。

圖6 水平輸送管軸線氣體速度曲線

2.3.2 不同直徑輸送管的三通接料器流場參數

對不同直徑水平輸送管的三通接料器進行了數值模擬，分別得出了不同直徑水平輸送管軸線氣體壓力曲線，如圖7 所示，圖中32-32、50-50、70-50、100-50 分別為水平輸送管和傾斜顆粒注入管的直徑，可知整個壓力變化趨勢大致相同，隨輸送距離增加壓力逐漸降低。壓力變化較大的區域都發生在2 管交匯處，同時水平輸送管直徑越小壓力損失越大，二者呈負相關，原因是物料進入水平輸送管后，輸送管直徑越小物料所占據管道的截面積越大，顆粒和管壁的碰撞以及顆粒和氣體的混合過程越劇烈，能量消耗越大。

圖7 不同直徑水平輸送管軸線氣體壓力曲線

圖8為三通接料器不同直徑水平輸送管軸線氣體速度曲線圖，可以看到氣體速度都有一個先增大后減小再增大的過程，且水平輸送管直徑越小氣體速度變化越劇烈，原因是單位時間內輸送量一定，水平輸送管直徑越小顆粒所占據管道的空間越大，氣體受到顆粒阻力越大，速度變化越劇烈。

圖8 不同直徑輸送管軸線氣體速度曲線

不同直徑水平輸送管的三通接料器出口處顆粒濃度分布如圖9 所示，可知顆粒主要集中在水平輸送管出口截面的下半部分，原因是水平輸送的顆粒由于重力作用容易聚集管底；隨著水平輸送管直徑的增加，出口處顆粒濃度峰值呈降低趨勢，顆粒逐漸趨于沿著管道下半截面均勻分布。相同工況下φ32 mm 水平輸送管的三通接料器出口處的顆粒呈滿管輸送狀態，但結合圖9 發現其壓降最大、能量消耗最多；φ70 mm 和φ100 mm 水平輸送管的三通接料器出口處的顆粒較為均勻的分布在管道截面下半部分，但φ70 mm 水平輸送管的三通接料器出口處顆粒濃度均值較高且顆粒分布更為均勻。因此，在相同工況下，選擇φ70 mm 水平輸送管和φ50 mm傾斜顆粒注入管的三通接料器最為合適，輸送效果最好。

圖9 不同直徑水平輸送管的三通接料器出口處顆粒濃度分布

2.3.3 不同直徑傾斜顆粒注入管的三通接料器流場參數

對φ50 mm 水平輸送管的三通接料器采用不同直徑傾斜顆粒注入管進行數值計算，得到了不同直徑傾斜顆粒注入管下的水平輸送管軸線氣體壓力曲線。如圖10 所示，可知在水平輸送管直徑和工況一定的條件下，不同直徑的傾斜顆粒注入管對水平輸送管內的壓力變化影響不大。

圖11為不同直徑傾斜顆粒注入管下的水平輸送管軸線氣體速度曲線，可知速度變化趨勢大致相同，表明相同工況下不同直徑傾斜顆粒注入管對其三通接料器內部氣體速度的影響不大。

圖11 不同直徑顆粒注入管的水平輸送管軸線速度曲線

圖12 為不同直徑傾斜顆粒注入管的三通接料器出口處顆粒濃度分布圖，同樣可知在相同工況下不同直徑的傾斜顆粒注入管對出口處顆粒濃度分布的影響不大。

圖12 不同直徑顆粒注入管的接料器出口處顆粒濃度分布

2.3.4 結構優化

在相同工況下，結合壓力曲線圖7 和出口處顆粒濃度分布圖9，選擇該工況下最為合適的φ70 mm 水平輸送管和φ50 mm 傾斜顆粒注入管的三通接料器進行結構優化，提出了在2 管交匯處添加一個與水平輸送管呈45e 夾角，長為25 mm 改流板的結構優化方案，基于已對各種類型的喉管做出的研究，得出了物料進入輸送管后其合力的方向越靠近管道的中心線，其壓力損失越小且傾斜角度要大于物料的自然堆積角。優化結構如圖13 所示。

圖13 改進結構示意圖

對優化結構后的三通接料器進行了數值計算，對比了優化前后接料器內部顆粒的運動軌跡。由圖14a 可知，結構優化前的三通接料器內顆粒聚集管道底部，其中一部分顆粒撞擊管底后反彈在氣體攜帶作用下進行輸送，一部分顆粒則沿著管底進行輸送。由圖14b 可知，在改流板的作用下顆粒進輸送管的中心區域，同時此處氣體的拖曳力增大，氣體攜帶顆粒呈現管中心輸送狀態，避免了顆粒碰撞和聚集管底，有利于顆粒輸送。

圖14 結構優化前后顆粒運動軌跡圖

出口處顆粒濃度分布如圖15 所示，相同工況下出口處的顆粒集中分布在管道中心，且顆粒濃度最高可以達到18 kg/m3，原因是大部分顆粒沿著改流板進行水平輸送管后位于管道的中心區域，同時此處氣體速度增大進而氣固相間的曳力增大，使顆粒沿管中心進行輸送。整體而言，添加改流板解決了混合區的顆粒聚集管底現象，使得顆粒沿著管中心輸送，大大降低了因顆粒碰撞和聚集管底所造成的能量損耗。

圖15 結構改進后出口顆粒濃度分布圖

3 結論

1）不同直徑的水平輸送管對三通接料器流場影響較大，內部氣體的壓力損失和水平輸送管的直徑呈負相關。相同工況下，φ32 mm、φ50 mm、φ70 mm、φ100 mm 水平輸送管的三通接料器，水平輸送管直徑越小，內部氣體速度變化越劇烈，壓力損失越大，能耗越多。

2）不同直徑的傾斜顆粒注入管對三通接料器流場影響不大。

3）相同工況下，選用φ70 mm 水平輸送管和φ50 mm 傾斜顆粒注入管的三通接料器壓力損失較小且出口處的顆粒較為均勻地分布在管道截面的下半部分，輸送效果最好。

4）通過在2 管交匯處添加改流板，解決了混合區顆粒聚集管底的現象，使得顆粒沿著管中心輸送，能量損耗降低。