新型噴射器內氣固兩相流動數值模擬及實驗研究*

趙海霞 張 宇 魏 昆 于夢恬

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

氣固噴射器在工業上的應用十分廣泛。氣固噴射器輸送裝置的原理是借助正壓氣流在管道內高速流動產生低壓吸力，從而對噴射器上方的物料進行抽吸作用，并使之在正壓氣力輸送系統中輸送物料［1］。氣固噴射器管道布置靈活，輸送物料不易被污染，有著傳統輸送裝置不可比擬的優點。國內外諸多學者都對其輸送過程有過研究，Kai［2］對氣固混合物在文丘里管內的流動特性進行了研究。El-Askary等人模擬了不同尺寸的固體顆粒對湍流氣流通過突擴管的影響［3］。Wenming等模擬了兩種不規則顆粒在文丘里噴射器內的輸送過程并分析了顆粒間的碰撞特性［4］。在此基礎上，又通過實驗和CFD-DEM耦合的數值方法分別研究了單雙文丘里效應的粉末噴射器的輸送性能以及噴嘴位置對輸送性能的影響［5］。國內的黃思［6］研究了噴射器結構參數對噴射器內部的流場與其性能的影響，趙凱偉［7］研究了氣固兩相流經文丘里管時壓降和質量固氣比之間的關系。

在驗證前人實驗的基礎上，對一種特定氣固噴射器進行模擬研究，分析在進口條件改變下對純氣相和氣固兩相噴射器性能的影響，并研究氣固噴射器內顆粒分布情況和運動特性，將結果與實驗進行比對并驗證其準確性，這對氣固噴射器的結構設計具有一定的指導意義。

2 物理模型和計算條件設置

2.1 模型的建立

氣固噴射器結構如圖1所示，沿噴射器中心軸并且沿流動方向為X方向。模型主要由吸入管、物料供應管、動力噴管和尾管四部分組成，其中吸入管直徑D1=54mm，尾管直徑與吸入管直徑相同，吸入管長度L1=520mm，尾管長度L2=840mm。動力噴管是一種收斂-發散噴管，其中管道入口直徑為8mm，出口直徑為4mm，管道出口位于吸入管的中心，出口位于吸入管與尾管的交匯處。其中尾管的形狀可以根據需要進行調整，本次研究對象的尾管為直管道。

圖1 物理模型

2.2 計算條件設置

2.2.1 網格劃分

氣固噴射器網格劃分模型如圖2所示，網格使用Fluent Meshing劃分，全部使用poly網格，網格的最大扭曲率均小于0.45，相鄰網格的最大增長率為1.2，網格總數為123742。

圖2 網格劃分模型

2.2.2 CFD設置

為了達到更良好的效果，選用SST k-ω模型，它是standard k-ω的變形，結合了自由流中的k-epsilon模型和壁面附近的k-omega模型。SST k-ω模型要求較高的網格精度，能夠較好地獲知邊壁流動情況。

k方程：

ω方程：

其中，k和ω的有效擴散系數由下式給出：

2.2.3 邊界條件設置

對于純氣相，吸氣口邊界條件和動力噴嘴入口邊界條件均設為壓力入口，出口邊界條件設為自由壓力出口，顆粒入口邊界條件設為壁面，氣體與壁面無滑移。

對于氣固兩相，吸氣口和動力噴嘴入口邊界仍為壓力入口，出口邊界條件仍為自由壓力出口，顆粒入口邊界條件設為速度入口，顆粒在壁面處取法相速度等于0，其他變量的法相梯度均為0［9］。

與室溫相比，噴射器內溫度波動變化較小，可以忽略不計，故流動過程可以看作等溫流動。

3 模擬結果及實驗驗證

3.1 模型的初步驗證

為了驗證模型的正確性，對 AbdEl-hamid［10］的氣固噴射器管型參數和實驗情況進行了數值模擬。本次模擬和實驗均采用噴射器尾部形狀為直管的方案，模擬和實驗的結果對比圖如圖3，所有的結果均在恒定的動力氣體壓力0.7MPa下獲得。在圖3中，橫坐標是從模型水平坐標零點到壓力所處位置的距離與模型水平總長的比值，縱坐標是真空壓力（ΔP，KPa）。根據結果對比圖顯示得知，模擬值與AbdEl-hamid的實驗結果吻合程度較好，由此初步驗證了模型的正確性與可靠性。

圖3 實驗值與模擬值對比圖

3.2 仿真結果分析

針對上述邊界條件分別對氣固噴射器有無顆粒相進行仿真分析。其中，氣相為空氣，吸氣口和動力噴嘴入口壓力均為0.7MPa，固相為球形顆粒，顆粒直徑為0.3mm。

3.2.1 純氣相模擬下動力噴嘴速度和壓力分析

氣固噴射器的動力噴嘴部分在純氣相模擬下沿x軸的速度和壓力分布分別如圖4和圖5所示，由于動氣噴管的特殊性，在此根據部件尺寸的變化將其分為三部分，即首段、中段和尾段。由圖中可以得知，氣速隨管徑的減小而逐漸增大，最低壓力逐漸減小，這是由于氣相流量比較穩定時，流通半徑的減小縮小了氣相流通面積，進而增加了氣體在管道中的流速，使得大量壓力能轉化為動能，導致壓力的降低。在動力噴嘴中段和尾段的連接處，由于喉部尺寸僅有2mm，同時也是尺寸的最小處，氣速在此處達到了最高的2.45×103m/s，壓力達到了最低的-3.52×106Pa，形成負壓。而伴隨著尾段出口半徑的增大，氣速慢慢下降，壓力回升，但仍達不到先前的數值。根據圖4和圖5還可看出，在動力噴嘴入口處的左右兩側，速度比較小，左側壓力明顯大于右側，這是由于動力噴嘴管道對氣體的阻擋作用使得左側氣體速度變小，壓力增大。

圖4 沿x軸的速度分布云圖

圖5 沿x軸的壓力分布云圖

圖6為氣體在噴嘴出口處的速度矢量圖，由圖中可以得知，氣體從噴嘴出口處進入尾管時，形成射流，以自由束形式流動，氣固噴射器中心位置即動氣噴嘴出口處的氣體速度要高于周邊速度，且速度矢量在中心處顯示較為密集，這是由于在動力噴嘴與吸入管道的邊界附近網絡節點相對來說比較密集。且氣體在從噴嘴噴出后，處于射流中心的氣體速度矢量徑向范圍增大，將進一步帶動周邊氣流，從而使它們獲得能量，直至達到相同速度，這種現象將對固體顆粒的輸送起到良好的作用。

圖6 噴嘴出口處速度矢量分布云圖

3.2.2 氣固兩相模擬下顆粒運動分析

從氣固噴射器的工作原理可知，吸氣口和動力噴嘴均可為固體顆粒的輸送提供動力，兩者噴出的高速氣流會帶走內腔中的空氣，形成低壓區，并產生卷吸的作用。

在初始階段，固體顆粒在自身重力以及氣體的卷吸作用下緩慢地加速下落，逐漸到達吸入管上方。下一時刻，顆粒會受到水平高速氣體的加速作用，獲得水平加速度，并沿x軸正向輸送。

隨著時間的推移，顆粒群在氣固噴射器內部逐漸形成穩定的輸送流。顆粒在吸入管到動力噴嘴出口附近的顆粒停留時間較短，而在尾管內停留時間較長，這是由于在吸氣口附近顆粒受到加速，速度較快，停留時間較短。本次模擬所用尾管較長，如有需要，可以適當縮短尾管的長度，使顆粒能夠更加快速穩定的輸送。

3.2.3 動力噴嘴入口壓力對噴射器性能的影響

1）模擬條件：在吸氣口的入口壓力為0.1MPa，顆粒入口速度為0.1m/s，混合流體出口壓力為0.1MPa以及氣固噴射器原始結構不變的條件下，通過選擇動力噴嘴入口壓力分別在0.3MPa，0.5MPa和0.7MPa三種情況下來模擬分析動力噴嘴入口壓力變化對噴射器性能的影響。

2）結果與分析：在氣固噴射器結構參數和其他參數不變的情況下，只改變動力噴嘴入口壓力，事實上就是改變吸入管內外壓強之差，固體顆粒就是在壓差的作用下被卷吸到吸入管中。故動力噴嘴入口壓力的變化，會對氣固噴射器的性能產生較大影響。

動力噴嘴在不同入口壓力下真空壓力與所處位置的關系如圖7所示，且速度與流體所處位置的關系如圖8所示。從圖中可以看出，三種不同入口壓力下的真空壓力和速度的變化趨勢是大致相同的，但又不完全相同。總地來說，在整個氣固噴射器中，速度和真空壓力的絕對值均呈現先增大后減小的態勢，真空壓力絕對值的最大值出現在動力噴嘴出口附近位置，這是因為動力噴嘴內氣流的高速運動在噴嘴出口處造成了低壓區，與此同時，強大的卷吸作用使得流體在噴嘴出口處附近的速度達到了最大值。折線圖的后半段表明，在尾管內的混合過程中，靜壓沿著管道不斷增加，直到越來越接近大氣壓，但在出口處靜壓略有下降，這是因為受到了摩擦的影響。通過對比三種不同入口壓力下的真空壓力和速度的折線圖得知，最大真空壓力從Pm=0.3MPa時的-2.066KPa到Pm=0.7MPa時的-3.596KPa，最大速度從Pm=0.3MPa時的29.34m/s到Pm=0.7MPa時的54.37m/s，隨著動力噴嘴入口壓力的提升，最大真空壓力和速度都在增加，而且動力噴嘴入口壓力越大，管道內的高速區域就越長，但速度減小的也越來越快。

圖7 改變噴嘴進口壓力時ΔP與x/L的關系

圖8 改變噴嘴進口壓力時V與x/L的關系

3.2.4 混合流體出口壓力對噴射器性能的影響

1）模擬條件：在吸氣口的入口壓力為0.1MPa，顆粒入口速度為0.1m/s，動力噴嘴入口壓力為0.7MPa以及氣固噴射器原始結構不變的條件下，通過選擇混合流體出口壓力分別在0.09MPa，0.095MPa和0.1MPa三種情況下來模擬分析混合流體出口壓力變化對噴射器性能的影響。

2）結果與分析：在氣固噴射器結構參數和其他參數不變的情況下，只改變混合流體出口壓力，事實上就是改變了顆粒流動的難度，混合流體出口壓力的改變使得噴射器內部流體的流動情況也發生了變化。

不同混合流體出口壓力下真空壓力與所處位置上午關系如圖9所示，且速度與流體所處位置的關系如圖10所示。從圖中可以看出，三種不同混合流體出口壓力下的真空壓力和速度的變化趨勢是大致相同的，但又不完全相同。通過對比三種不同出口壓力下的真空壓力和速度的折線圖得知，最大真空壓力從Pn=0.1MPa時的-3.596KPa到Pn=0.09MPa時的-12.35KPa，最大速度從Pn=0.1MPa時的54.37m/s到Pn=0.09MPa時的120.89m/s，這是由于在整個噴射器中，隨著出口壓力的減小，混合流體沿軸線方向上相同位置上的壓力是在不斷減小的，所以速度則是不斷增大的。而且，三種情況下流體均在動力噴嘴附近速度達到最大，這是因為來自動力噴嘴的氣體在噴嘴附近形成高速流域，但是隨著出口壓力的增大，高速流域的長度也越來越短。

圖9 改變出口壓力時ΔP與x/L的關系

圖10 改變出口壓力時V與x/L的關系

3.2.5 實驗驗證

實驗條件：在氣固噴射器結構和尺寸不變的條件下，設置實驗條件，其中吸氣口入口壓力為0.1MPa，顆粒入口速度為0.1m/s，顆粒密度為1400kg/m3，平均粒徑為300μm，形狀為球形，動力噴嘴入口壓力為0.7MPa，混合流體出口壓力為0.09MPa。

圖11給出了在混合流體出口壓力為0.09MPa條件下真空壓力的實驗值和模擬值對比結果。通過對比發現，模擬值與實驗值數據基本吻合，發現實驗所得真空壓力的絕對值較大，這是由于顆粒并不全是球體，粒徑均勻度不夠，表面也較為粗糙，在輸送過程中伴隨著碰撞，但仍可以驗證所建立模型的準確性。

圖11 模擬值與實驗值對比關系

4 結語

通過驗證模型的正確性并對其進行數值模擬分析和實驗研究，得到以下結論：1）純氣相下，氣體在動力噴嘴中壓力和速度隨管徑直徑的變化而變化，管徑減小，壓力減小，速度增大，并在出口以自由束的形式噴出；2）氣固兩相下，顆粒在吸入管中停留時間較短，在尾管中停留時間較長，且停留時間將隨著尾管的長度增加；3）氣固兩相下的同一氣固噴射器，最大真空壓力的絕對值和速度隨動力噴嘴入口壓力的增大而增大；4）氣固兩相下的同一氣固噴射器，最大真空壓力的絕對值和速度隨混合流體出口壓力的減小而增大。