气力输送系统流动特性CFD模拟分析摘要管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。
粉体的气力输送是利用气体为载体, 在管道或容器中输送粉体物料的一种方法, 在气力输送中, 混合介质是气体和粉粒体, 一般使用的气体是空气, 当要求输送的物料不能被氧化时, 使用氮气或惰性气体, 因而属于气固两相流。
本课题采用以实验为主，以理论分析和数值模拟为辅的方法，系统研究T 型分支管道气固两相流输送系统中，整体升扬管道高度对管道内流体变化的流动特性的影响。
后来为了模型更接近实际，本文绘制的T管道模型接近实验管道，主要是模拟分支管道内部流体情况，模拟输送过程中的一种情况并与实验结果对比。
本文主要对气固两相流管网输送的产生历史、国内外发展状况、基本原理和应用等内容进行了较详细的介绍，同时对本课题的研究意义及前景进行详细论述。
在水平T型分支管道中，用压缩空气作为输送介质，在保持气体流量分别为60 m3/h和0.22 Mpa，分别改变发送压力和流量，对流体流动特性的变化情况进行分析和研究。
关键词：气固两相流；管网分流；压降；流体流动特性AbstractPneumatic conveying pipe is a new discipline's burgeoning and the edge discipline, it is used as a carrier gas pressure in the closed pipeline to transport bulk or molding items. Powder pneumatic conveying is the use of gas as the carrier, in a pipe or container conveying of powder material is a kind of method, in the pneumatic conveying, mixed medium is gas and powder granule, the general use of the gas is air, when the materials request can't be oxidation, using nitrogen gas or inert gas, which belongs to the gas-solid two phase flow.This topic based on the experiment is given priority to, with theoretical analysis and numerical simulation is complementary method, system research T branch pipe gas-solid two phase flow conveying system, the overall rally in pipe height changes the flow characteristic of fluid inside the pipeline. In this paper, the main of gas-solid two phase flow pipeline transportation history, development situation at home and abroad, the basic principle and application, etc was introduced in detail, at the same time, research significance and the prospect of this project are discussed in details. In the level of T branch pipe, using compressed air as medium, in keeping the gas flow is 60 m3 / h and 0.22 Mpa, respectively, respectively send pressure and flow change, the changes in the characteristics of the fluid flow analysis and research.Keywords：Gas-solid two-phase flows；Pipe network system；pressure drop;Resistance characteristic1绪论管道气力输送是方兴未艾的新学科和边缘学科,它是利用有压缩气体作为载体在密闭的管道中达到运送散料或成型物品。
这种管道技术对我国来说也是一门年轻而极具有光广阔营运前景的有待研究开发和应用的技术。
直到现在, 不管是在理论方面还是在实际应用方面, 许多问题远未得得到很好地解决。
粉体的气力输送是利用气体为载体, 在管道或容器中输送粉体物料的一种方法, 在气力输送中, 混合介质是气体和粉粒体, 一般使用的气体是空气, 当要求输送的物料不能被氧化时, 使用氮气或惰性气体, 因而属于气固两相流。
1.1 课题的研究背景气力输送因具有成本低、效率高、污染少、操作危险小、管网布置灵活、生产率高，结构简单，可升可降，操作方便，长距离输送不受地域影响的特点，而且在输送过程中可以汇合、分流、混合、粉碎、分级、干燥、冷却除尘、化学反应等工艺操作，过程封闭既保证物品不受潮、污损或混入异物，又能满足环境保护的要求等优点，已成为普遍适用的利用有压管流输送粉粒状物体的新兴的输送技术。
气力输送技术发展至今已有100多年的历史, 在化工、发电、制药、食品、机械制造、饲料、建筑、冶金等领域广泛应用[i]。
气力输送技术己有一百多年的发展历史。
早在1810年Uedhu-rst就提出了邮件气力输送方案,1824年Vallanse最先建立了气力输送实验装置。
1853年欧洲出现第一个气力输送装置, 但由于当时科学技术和工艺水平的限制, 气力输送技术在较长的时间内没能得到广泛的应用。
只局限于某些大码头上的装卸。
1924年Gasterstaedt研究过气固悬浮体管内流动。
但是许多经验和研究成果分布在各个部门, 交流不多。
有意识的总结归纳所遇到的各种现象, 用气固两相流的统一观点系统地分析和研究, 则是1940年后才开始。
两相流(two-phase flow)的名词在1949年才见诸文献。
五十年代以后论文数量显著增加, 内容包括两项流边界层、流态化技术、激波在两相流混合介质中的传播、空化理论、喷管理论等。
1956年Ingebo 研究了颗粒群阻力系数试验公式[2]。
1961年Streeter主编的流体力学手册有专门的一节介绍两相流。
六十年代后, 越来越多的学者探索描述两相流运动的基本方程。
早期的工作有Marble，Murray，Pabton等[3]。
20世纪60年代, 英国Bardford大学的Dr.Williams建立了粉粒技术研究院,并创刊了Powder Technology杂志。
Cambridge大学的J.F.Davidson和D.Harrison 1971年出版了Fluidization.Klinzing在粉体的物性以及气力输送进行了较深入地研究,Tsuji,Y在气力输送气固两相流动的数值计算方面作了大量的工作。
Zenz就气一固流动特性进行了广泛的研究, 提出了单颗粒在水平管线上的沉积速度的关联式, 前苏联学者克列因、高尔得什琴、李克洛夫斯基等对谷物、水泥等材料以弹性力学理论和实验结果为基础, 进行了散粒体结构力学的基本问题研究, 包括散粒体的性质及其应力状态等问题的研究。
井尹固赫、俊腾获得了在水平输送线上固体和气体的速度分布, Wen对水平中曳力和压降进行了实验研究, 提出了气固存在滑动。
1970年,日本学者久保辉一郎、水渡英二, 对粉体的力学特性和运动理论进行了研究。
1985年,近尺正敏、金棒孝文针对颗粒间作用力进行了深入地研究。
上憧具贞用流体力学和固体摩擦理论的方法, 建立管道颗粒流动的运动模型, 试图得到一种解析解, 建立了许多不合理的假设, 分析了可利用的理论速度, 但与实际情况相差很大, 其方法不适用于非均匀悬浮流管流[4]。
研究流场中单颗粒或有着相互作用的多颗粒运动, 以及考察含有颗粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息, 如探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等, 关于这方面的研究成果, 有1965年Einstein的有效粘性理论,1975年Tchen提出的关于小颗粒在均匀紊流中运动受力和扩散的理论。
颗粒流的研究得到了迅速的发展, 这方面Savage、Lun等都做出了相应的论述。
V on Karman学院的Lourenco等人所进行的气固两相紊流运动模型的研究有独特的地方。
将固相与稀薄气体分子运动相比拟, 用方程描述, 而气相用连续介质模型描述。
对稀相管道紊动两相流,所应用的运动模型的数值计算结果与实验能够很好符合。
两相流的运动模型和连续介质模型分别从微观和宏观描述两相流动。
1.2 气力输送系统的分类在气固两相流中，当输送空气表观气速较高时，物料处于悬浮状态，在气流输送中呈均匀分布；当输送气速降低，物料开始积聚，部分物料在管道中开始大量积聚，呈集团脉动状态输送；当输送风速降低到一定程度，物料堵塞界面，形成不稳定的料栓；再降低输送风速，不稳定的料栓将成为稳定的料栓，有空气的压力推动输送。
基于物料的运动状态的不同气力输送系统一般可以分为一下四类：（1）稀相气力输送稀相输送是最传统的气力输送方式，气流速度12～40 m/s 之间，料气比在1～5之间，最大可达15，输送效率在10～20 t/h 之间。
被输送物料的质量流量与输送气体的质量流量之比较小，物料颗粒之间的间距较大，气体的输送压力较低，输送速度较大，系统磨损较大，输送效率低，能耗大。
（2）密相气力输送在气力输送密相输送时，物料在管道内已不再均匀分布，呈密集状态，但管道并未被物料堵塞。
气流速度在8～15 m/s之间。
料气比的变化范围很大, 高压输送与高真空吸送的料气比大致在15～50之间，而对于易吸气的粉料，料气比可高达200以上, 流态化输送。
输送效率一般在 20～50 t/h。
（3）栓流气力输送这种输送是目前气力输送中一种较好的中等距离的输送方法。
它是人为地把料栓预先以气力切割程较短的料栓，气栓把料栓相间的分开，以静压推动料栓连续前进，这样就提高了料栓速度，降低了输送压力，减少了功率消耗，并增加了输送距离。