International Journal of Mechanics Research 力学研究, 2013, 2, 47-52 http://dx.doi.org/10.12677/ijm.2013.24009 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ijm.html) Open Access 47 Digital Simulation of Inlet Structure of Pneumatic Transport Yong Zhang, Limin Sun* School of Mechanics and Engineering & Sciences, Zhengzhou University, Zhengzhou Email: 541318847@qq.com, *sunlm@zzu.edu.cn Received: Nov. 13th, 2013; revised: Dec. 13th, 2013; accepted: Dec. 20th, 2013 Copyright © 2013 Yong Zhang, Limin Sun. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the Creative Commons Attribution License all Copyrights © 2013 are reserved for Hans and the owner of the intellectual property Yong Zhang, Limin Sun. All Copyright © 2013 are guarded by law and by Hans as a guardian. Abstract: Two steps of simulation of gas-solid concurrent inlet structure of pneumatic transmission are done: 1) the distribution of gas pressure and velocity in the inlet belt by the condition of existing gas power only; 2) the emulation flow of sand near the region of inlet. So we draw a conclusion: 1) The way of adopting gas-solid concurrent structure to transport particles in duct is feasible; 2) The structure of gas inlet being deeper than particle inlet in tunnel could drag particle better; 3) It is stated again by simulation that the initial velocity and acceleration of particle into the tunnel has a weak impact on the terminal velocity of particle. Keywords: Pneumatic Conveying; Fluent Simulation; Inlet Structure; Euler Two-Fluid Model 散体相气力输送的入口数值分析 张 永,孙利民* 力学与工程科学学院,郑州大学,郑州 Email: 541318847@qq.com, sunlm@zzu.edu.cn 收稿日期:2013 年11 月13日;修回日期:2013 年12月13日;录用日期:2013 年12 月20日 摘 要:针对气力输送中由于气力入口和散体入口存在夹角所造成的能耗高问题,提出了一种气力入口和散体 入口 0度角即平行的入口结构并对其可行性进行仿真得出以下结论:1) 可以采用气力入口和散体入口平行的入 口结构依靠负压将沙粒吸入管道,进而借助气动力的推力推动散体在管道中输送;2) 当气动力入口深入管道一 定深度可以增大散体入口区域负压面积及数值,更有利于对散体的吸附;3) 用仿真的手段说明沙粒进入管道的 初速度以及加速度对沙粒在管道中的最终速度影响不大。 关键词:气力输送;有限元仿真;入口结构;欧拉双流体模型 1. 引言 当下使用较多的压送式气力输送[1]的气动力入口 与输送管道在同一轴线上,而散体入口一般与管道输 送轴线呈大于 30˚的夹角,一般为直角。由于气固两 相在管道中输送时存在速度差,尤其是在离入口处很 近的加速区域。速度差的存在使得气固两相产生曳 力,由于管道内散体的速度小于气动力的速度,所以 管道内散体对空气施加阻碍其沿着管道运动的力。这 使得空气在散体入口处的气压增大,阻碍散体进入管 道。所以必须在散体入口处安装动力装置使散体在克 服入口处的空气压强后进入管道进行输送。这就在入 口处增加了输送的能耗。吸送式气力输送依靠负压将 散体吸入管道,不需要克服空气的阻力,相对来说, *通讯作者。 散体相气力输送的入口数值分析 Open Access 48 能耗降低不少,但其输送距离有限。从降低入口处的 能耗着手,综合两种不同的输送方式的优点,设计一 种新型气力输送入口结构,具有十分重要的意义。 由于模拟仿真能较精确地研究复杂的管道气固 两相流而且能形象地展现出管道流动的状态,有人就 在加速度为零的情况下进行了相关的数值研究,比如 Ottjies[2]进行了考虑 Magnus 升力和无弹性散体与壁面 的碰撞下的水平管道散体运动的数值计算;Saccani[3] 等人以 3英寸管径的输送管为对象研究了管内固粒的 运动,给出额压将预测的关系式,并与实验结果进行 了比较;Huber[4]等人通过圆管稀相散体运动的三维数 值模拟,预测了不同管道元素下管内横截面的散体浓 度分布。林江[5,6]对气力输送中不同初始状态固粒在加 速区的气固两相流动进行数值模拟,并将解析解与数 值模拟进行分析比较,很好地揭示管道气固两相流的 运动特性。本文对所设计的气固两相入口结构进行模 拟仿真,研究该入口结构在气力输送中的可行性。 2. 纯动力下的负压分布 模拟考虑一般情况下的管道结构,即有倾斜角度 的输送结构,其二维结构图如图1所示,本模拟有两 种不同的结构模型:模型1 气动力入口与散体入口平 行同截面,模型 2 气动力入口与散体入口平行但相对 散体入口深入输送管道5 cm,气动力管道的直径为2 cm。 Figure 1. Inlet structure of pneumatic transport 图1. 结构图 2.1. 结构模型 1的空气流动情况 设气动力管道内进入输料管道时的压强为 0.5 MPa,依 托FLUENT进行模拟。因为散体相入口与盛 装散体的大容器连接或者直接暴露在空气中,所以理 论上可以选取无限大的区域连接在散体入口处用以 模拟纯气动力下散体相入口区域的空气流动情况进 而理论计算其是否能够吸附散体进入管道流动。考虑 到仿真时模型不能取无限大和无穷远对散体入口的 影响不大,故只需将一足够大的区域连接在散体入口 处就可得到空气在整个模型区域的流动情况,采用 N−S公式和标准的 模型,不计重力设外界大气 压为标准大气压即101.325 Pa,湍流强度为 5%,气 动 力入口水利直径为2 cm,其空气流动情况如下所示。 图2给出了由 0.5 MPa气动力在散体入口区域产 生的负压分布情况。选择显示负压分布是为了计算该 结构将散体吸入管道的能力。从图1可以看出散体入 口的大部分区域负压数量级为 104,并且靠近管壁和 靠近气动力入口处出现负压集中现象。图 3给出了散 Figure 2. Negative pressure at the sand inlet 图2. 散体入口区域负压分布 Figure 3. Velocity of air at the sand inlet 图3. 散体入口处空气速度 散体相气力输送的入口数值分析 Open Access 49 体相入口空气速度曲线,可以看出:越是靠近管壁, 空气速度越小;越靠近气动力入口,速度越大。这是 因为管道固定,管壁不运动,气动力入口有高速流动 的空气。整体看来散体入口截面的空气平均速度为 v1 = 260 m/s。假设直径为2 mm球形沙粒处于散体入口 处,沙粒的重力经计算可得 33 16π0.11 10 s Gmgd gN 那么,克服重力所需要的压强则为 2 1π4 34.6 P GA GdPa 由伯努力方程可得散体入口处的负压强大小: 2 21 0.5 4370334.6 g PPaPPa 故,一定量的沙粒也可以被克服重力进入到输送 管道中然后由气动力推动着在管道中运动。当然实际 不仅要考虑重力的作用还要考虑相间曳力,升力等, 所以后面还会有存在沙粒时两相的运动情况的仿真。 2.2. 结构模型 1的空气流动情况 仍采用与上述模拟一样的设置,运用 FLUENT 进 行模拟气力入口紧贴输料管壁一侧深入管道5 cm时 管道中尤其是散体入口区域空气流动情况。该模型下 入口区域负压分布以及散体入口处空气速度如图 3和 图4所示。 比较图 2和图 4,模型2在散体入口的两侧也存 在负压集中,但该模型在数值和面积上都比模型1时 大。比较图 3和图5,模型 2不论最大速度还是平均 速度都要比模型1大,如散体相入口空气平均速度为 v2 = 300 m/s。负压大小和区域越大,散体入口处的空 气速度越大,散体越容易被吸入管道。通过比较可知: 将气动力入口相对散体入口深入输料管道一定长度 将增强负压,有利于散体被“吸”入管道。有了散体 相入口的空气速度,我们就可以算出散体入口处平均 负压大小: 2 32 1 0.5 5805034.6 g PPaPPa 3. 有沙粒时入口区域流场分析 3.1. 管道两相流控制方程 采用 Euler 双流体模型模拟空气与散体在二维管 Figure 4. Negative pressure at the sand inlet 图4. 散体入口处负压分布 Figure 5. Velocity of air at the sand inlet 图5. 散体入口处速度分布 道中的流动,假设流场恒温。在 Euler 双流体模型中, 将两相看作两个相互作用的连续相,写成两组结构相 同的控制方程组。设散体为第二相,相间无质量交换, 不计散体所受的浮力、虚假质 量力、热泳力 、Basset 力等,考虑散体在流场中的曳力和重力,动力粘度采 用Gidaspow 模型。在此假设下,流场的控制方程[7] 为: n相连续方程: 0 nn nnnj v t (1) n相动量方程: cos15 nnn n nnn nnnnn nnj vvv t pg Kvv (2) 其中,下标n相分别表示气相和固相,nj 相表示 两相中的另一相,g表示空气,s表示散体;式中 为 散体相气力输送的入口数值分析 Open Access 50 体积分数, 为密度, v为速度,g为重力加速度。 而对于相间动量交换系数K,则由 Gidaspow 模型定 义给出: 2 2.65 3,0.8 4d 1 1501.75, 0.2 d d sgg gs dg s sgg ssggs g s gs vva C Kvv (3) 曳力系数: 0.687 0.44,Re1000 24 10.15Re, Re1000 Re s Dss s C (4) 气相压力应变张量: 2 3 ggg ggg T vv vI (5) 剪切粘度: 22 ggl gg Ck (6) 上式右端第一项为层流粘度,第二项为湍流粘 度。 散体压力应变张量: 1 3 T sssssss s pv vvvI (7) 其中, s 为散体表观粘度, s 为散体摩擦粘度。 3.2. 气固两相流的数值模拟 采用欧拉双流体模型,散体选球形沙粒,沙粒的 密度为 2650 kg/m3,散体直径为2 mm。模拟考虑重力, 重力沿 Y方向向下。将气动力入口由压力入口改为速 度入口,由纯动力下仿真得到空气入口的速度为 900 m/s,散体入口处气固两相的速度如下表 1所示(沙粒 速度是由平均负压带动单散体进入管道的速度,由伯 努力方程计算得到),沙粒和空气混合进入管道,设沙 粒的体积分数为 0.6。采用时序分析,最终显示流动 4s 时的管道各相流动情况。 3.2.1. 结构模型 1的模拟流动情况 通过仿真给出下列各图。 图6和图 7分别给出了输送管道中不同高度的空 Table 1. Velocity of per phase at the inlet of sand 表1. 散体入口处各相速度大小 沙粒(m/s) 空气(m/s) 气固平齐 5.7 260 气动力入口深入管道 6.6 300 Figure 6. Velocity of air at different height 图6. 不同高度截面空气速度 Figure 7. Velocity of sand at different height 图7. 不同高度截面沙粒速度 气和沙粒的速度变化。从图6可以看出气动力入口附 近和散体入口附近的空气速度有很大变化,但随着高 度的增加,变化趋于缓和,当到达较高点如y = 0.6 m 截面处,速度基本平稳,其值为400 m/s;图 7为沙 粒的速度分布,在入口附近(y = 0 m),除了壁面处无 散体速度外,其余处均有散体速度,气动力入口作为 纯空气进入管道,之所以有沙粒速度,是由气动力造 成散体入口处出现负压而将散体吸进气动力入口区 域,由气动力推动沙粒在管道运动产生的。随着高度 递增,散体的速度越来越大,可知散体已被吸入管道 中进行运动,并且在管道中的运动越来越趋于平稳。 图8为不同高度沙粒体积分数变化情况,可以看出越 散体相气力输送的入口数值分析 Open Access 51 接近入口,沙粒体积分数变化越大,因为气动力入口 本没有散体,后来由于负压的吸力才有沙粒在气动力 路径上出现。随着高度升高,沙粒和空气均匀散布各 个截面,均匀分布的沙粒体积分数高达0.6 是因为管 道上部弯曲造成沙粒在弯壁处反弹引起沙粒堆积。 3.2.2. 结构模型 2的模拟流动情况 边界条件设置和模型1一样,只是入口结构有些 不同,下面给出4 s 时其流动情况: 将图 9和图6进行比较,可以看出模型2空气速 度随着高度增加会比模型1较快地趋于平稳。由于沙 粒在进入管道一定深度后才开始向气力区域运动,以 及高速空气和负压对沙粒的吸力共同作用下,所以在 y = 0.2 m出现了气速尖锐现象,该现象延伸到 y = 0.4 m,在 y = 0.6 m处消失。比较图10 和图 7,在 加 速 剧 烈区域,模型2沙粒的速度大于模型1的情况,这是 因为模型2沙粒入口处空气对沙粒的吸力大于模型 1 Figure 8. Volume fraction of sand at different height 图8. 不同高度截面沙粒体积分数 Figure 9. Velocity of air at different height 图9. 不同高度截面空气速度 的,所以气动力深入管道一定深度情况下的沙粒速度 能较快地达到充分发展状态;比较两种情况下y = 1 m 时,沙粒速度分布和大小大致相同,平均速度相差不 到10 m/s,说明沙粒在管道中的最终速度与其初始速 度和加速度关系不大。比较图 11和图 8,图 11 的管 道中沙粒的体积分数是在y = 0.4 m处基本在管道中 均匀分布,而图8中沙粒在管道中体积分数均匀分布 是在 y = 0.6 m 处,说明气力深入管道一定距离比气固 平齐更容易使得沙粒在管道中分布均匀。 4. 结论 本文通过运用有限元技术对两种不同气力输送 二维入口结构的仿真分析,得出:使用气固同向结构 输送散体具有一定的可行性,并且如果将气动力入口 相对于散体入口深入管道一定深度,能够增大散体入 口处的负压面积及数值,有利于散体进入管道;另外 Figure 10. Velocity of sand at different height 图10. 不同高度截面沙粒速度 Figure 11. Volume fraction of sand at different height 图11. 不同高度截面沙粒体积分数 散体相气力输送的入口数值分析 Open Access 52 从仿真角度说明了散体进入管道的初速度以及加速 度对散体在管道中的最终速度影响不大 参考文献 (References) [1] 李诗久, 周晓君 (1992) 气力输送理论与应用. 机械工业出 版社理, 北京, 1-4. [2] Ottjies, J.A. (1978) Digital simulation of pneumatic transport. Chemical Engineering Science, 33, 783-786. [3] Saccanic, C. (1996) Solid speed and pressure loss in pneumatic conveying: Simulation and experimental measurements. 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