散料輸送過程顆粒速度及卷吸空氣流場變化特性

梁凱 孫宏發

1 洲宇設計集團股份有限公司西安分公司

2 湘潭大學土木工程學院

散料輸送系統如煤、水泥、礦料甚至糧食的輸送過程中會形成顆粒流平拋下落過程，對周圍空氣具有卷吸作用。隨著空氣的擾動顆粒從料流核心區向外逸散，從而構成工業生產主要產塵環節。散料轉運裝卸過程的揚塵對大氣PM10 的貢獻率達到近60%[1]。逸散的粉塵成為了工作場所空氣環境質量惡化的污染源頭[2-3]，嚴重危害了工人的身體健康[4]，甚至存在粉塵爆炸風險[5]。

散料轉運裝卸過程中除塵裝置的排風量也與其產生的卷吸空氣息息相關。上世紀60 年代，Hemeon首次提出了基于靜止空氣中僅受重力作用的單顆粒下降模型[6]。Tooker 在該模型中引入了新的參數[7]。Arnold[8]和Cooper 等人[9]發現料流核心區面積隨著下降高度的增加而減少，而邊界層的影響半徑隨著下降高度的增加而增加。Ogata[10]提出了在顆粒雷諾數Re＜500 時料流卷吸空氣模型。賈蘭[11]數值計算了小空間粉塵顆粒的擴散規律和顆粒運動軌跡，為粉塵防治措施提供了必要的理論支撐與科學依據。

如上所述，已有研究主要針對顆粒源自由落體運動，尚缺乏對工業車間中顆粒源平拋運動的探討。作者以平拋過程為研究對象，分析顆粒速度和卷吸空氣流場變化特性。

1 材料與方法

1.1 下落模型簡化

將顆粒流平拋下落模型進行簡化，具體假設如下：1）顆粒物為單一粒徑的球形顆粒且密度遠大于周圍空氣密度。2）在平拋下落過程中，顆粒流與周圍空氣之間存在相對滑移，將這種相互作用視為氣-固雙向耦合。3）周圍空氣為不可壓縮、連續性流體[12]。

1.2 物理模型及驗證

1.2.1 物理模型

通過ICEM CFD 軟件建立一個尺寸為6 m(x)×6 m(y)×6 m(z)的空間。顆粒源尺寸為1 m×0.2 m 的面源。利用ICEM CFD 軟件對幾何模型進行結構化網格劃分，物理模型見圖1。

圖1 物理模型

1.2.2 模擬邊界條件

根據工業散料轉運過程中物料及運動特性選取模擬邊界條件，具體參數如表1 所示。

表1 邊界條件

1.2.3 模型驗證

選擇顆粒密度為2590 kg/m3粒徑為400 μm,300 μm 在靜止空氣中做平拋運動時豎直方向速度與Uchiyama[13]及單顆粒模型的豎直方向速度進行對比。如圖2 所示，顆粒豎直方向速度變化規律為：首先急劇增大，其次速度增大趨勢變緩，最后基本保持勻速。這一變化規律在Ansart[14]的研究中也有提及。圖2 顯示數值計算結果與相關文獻研究結果能較好保持一致，因此本計算模型有一定適用性。

圖2 顆粒豎直方向速度與相關文獻對比

2 結果與討論

2.1 卷吸空氣速度變化規律

如圖3 所示，隨著顆粒密度增大，不同高度剖面內卷吸空氣最大速度逐漸減小。然而，密度從2590 kg/m3增大到5180 kg/m3卷吸空氣速度減小不明顯。以Z=2 m 高度為例，顆粒密度從1295 kg/m3增大到2590 kg/m3卷吸空氣速度由1.08 m/s1 減小到0.62 m/s。密度從2590 kg/m3增大到5180 kg/m3卷吸空氣速度由0.62 m/s 減小到0.55 m/s。

圖3 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒密度變化

如圖4 所示，隨著顆粒粒徑增大，不同高度剖面卷吸空氣最大速度略微減小。以Z=2 m 高度為例，顆粒粒徑從300 μm 增大到500 μm 卷吸空氣速度由0.69 m/s 減小到0.53 m/s。在相同質量流量及密度情況下，顆粒物粒徑越小顆粒物總數量越多所帶動的卷吸空氣量越大,從而，卷吸空氣速度也越大，這一結論也得到了文獻[13]很好的驗證。

圖4 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒粒徑變化

如圖5 所示，隨著顆粒物初速度增大不同高度剖面卷吸空氣最大速度細微增大。以Z=2 m 高度為例，顆粒物初速度由2 m/s 增大到6 m/s，卷吸空氣最大速度由0.6 m/s 增大到0.68 m/s。顆粒物初速度越大所具有初動能越大，運動過程中卷吸空氣能力越強。但是二者不成正比關系，初速度急劇增大情況下，卷吸空氣速度增大幅度有限。總體來說，顆粒物初速度對卷吸空氣速度影響較小。

圖5 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒初速度變化

2.2 顆粒速度變化規律

由圖6 可知，顆粒平拋下落過程中顆粒速度變化規律大致可以分為三個階段。第一階段，以近似等于加速度g 加速下落。第二階段，以小于加速度g 加速下落。第三階段，以恒定速度勻速下落。出現這一現象的主要原因在于，料流下落初始階段顆粒之間的空隙率很小，顆粒受空氣曳力很小基本處于自由落體過程，隨著下落過程顆粒之間的空隙率變大，所受空氣曳力增大，加速度減小，最終在顆粒所受空氣曳力與顆重力相等的情況下做勻速下落運動。顆粒物平拋出速度為2 m/s。密度為2590 kg/m3情況下，粒徑為500 μm 的顆粒最終沉降速度為4.1 m/s，粒徑為300 μm 的顆粒最終沉降速度為2.75 m/s。顆粒物平拋出速度為2 m/s 粒徑為400 μm 情況下，密度為5180 kg/m3的顆粒最終沉降速度為5.1 m/s，密度為1295 kg/m3的顆粒最終沉降速度為2.6 m/s1。顆粒物粒徑為400 μm 密度為2590 kg/m3情況下，平拋出速度為6 m/s 的顆粒最終沉降速度為3.6 m/s，平拋出速度為2 m/s 的顆粒最終沉降速度為3.4 m/s。

圖6 顆粒速度隨不同物性參數變化

3 結論

通過改變顆粒密度、粒徑、平拋初速度對料流平拋運動過程中顆粒速度和卷吸空氣特性影響進行數值研究并與相關文獻進行對比分析得到以下結論：

1）顆粒密度對卷吸空氣影響最大，其次是粒徑，平拋初速度影響最小。以Z=2 m 高度為例，顆粒密度從1295 kg/m3增大到5180 kg/m3核心區最大卷吸空氣速度由1.08 m/s 減小到0.55 m/s。

2）料流平拋下落過程中顆粒速度變化規律大致可以分為三個階段。第一階段近似等于重力加速度g加速下落。第二階段小于加速度g 加速下落。第三階段以恒定速度勻速下落。其中，密度對顆粒物平拋運動最終沉降速度影響最大，其次是粒徑，平拋初速度影響最小。粒徑為500 μm 和300 μm 的顆粒最終沉降速度分別為4.1 m/s 和2.75 m/s。密度為5180 kg/m3和1295 kg/m3的顆粒最終沉降速度分別為5.1 m/s 和2.6 m/s。平拋出速度為6 m/s 和2 m/s 的顆粒最終沉降速度分別為3.6 m/s 和3.4 m/s。