第47卷第1期 大连海事大学学报Vol.47 No. 1 2021 年 3 月Journal of Dalian Maritime University Mar. , 2021
文章编号：1006-7736( 2021 )0141114)8 doi ： 10. 16411/j. cnki. issnl006-7736.2021.01.013旋转阀气力输送空气泄漏特性仿真错误反馈
王永亮“，彭嗣鹏\王一、李世豪、刘玉龙2
(1.大连海事大学船舶与海洋工程学院，辽宁大连116026;2•青岛软控股份有限公司，山东青岛266590)
摘要：为分析旋转阀气力输送的空气泄漏特性和流场变化规律，基于Fluent软件，采用非定常计算，建立旋转阀气力 输送系统二维、三维计算模型，对某型旋转阀气力输送系统在纯送风工况下进行数值模拟，研究不同时刻旋转阀气 力输送系统的压力分布与空气泄漏量，并对比二维与三维 计算模型泄气量的变化规律，获得叶顶间隙、进出口压差对旋转阀泄气量的影响规律.数值计算得到的不同压差下 旋转阀泄气量与试验结果对比显示，两者最大相对误差为 12.2%，平均相对误差为8.7%.研究表明，二维与三维计 算模型的泄气量随旋转时间变化趋势一致，二者平均泄气 量偏差为9. 8%；旋转阀平均泄气量、高压腔体瞬间泄气量与进出口压差呈线性关系；旋转阀高压腔体瞬间泄气量 随叶顶间隙尺寸变化很小，而旋转阀平均泄气量随叶顶间 隙呈指数趋势增长. 关键词：旋转阀气力输送；空气泄漏；数值模拟；叶顶间隙 中图分类号:TH48 文献标志码：A
Simulation of air leakage characteristics of rotary valve pneumatic conveying
WANG Yong-liang*1, PENG Si-peng' , WANG Yi1 ,
LI Shi-hao1 , LIU Yu-long2
(1. Naval Architecture and Ocean Engineering,
Dalian Maritime University, Dalian 116026, China；
2. Qingdao Soft Control Co. , Ltd. , Qingdao 266590, China) Abstract ：In order to analyze the air leakage characteristics and flow field variation law of rotary valve pneumatic conveying system, based on FLUENT software, the two-dimensional and three-dimensional models of rotary valve pneumatic conveying system were established by using unsteady calculation, and numerical simulation of a rotary valve pneumatic conveying system under pure air supply condition was carried out. The pressure distribution and air leakage of rotary valve pneumatic conveying system at different times were studied, and the variation law of air leakage of two-dimensional and three- dimensional calculation models was compared. The influence of tip clearance and pressure difference between inlet and outlet on gas leakage of rotary valve was obtained. Compared with the
experimental results, the gas leakage rate of rotary valve under different pressure difference obtained by numerical calculation shows that the maximum relative error is 12. 2%, and the average relative error is 8. 7%. The results show that the gas leakage rate of two-dimensional and three- dimensional models has the same trend with rotation time, and the average deviation of the two models is 9. 8% . The average air leakage of the rotary valve and the instantaneous air leakage of the high-pressure chamber increase linearly with the pressure difference between the inlet and the outlet, while the instantaneous air leakage of the high-pressure chamber of the rotary valve changes little with the size of tip clearance, and the average air leakage of the rotary valve increases exponentially with the tip clearance.
Key words： rotary valve pneumatic conveying；air leakage；numerical simulation；tip clearance
〇引言
旋转阀正压气力输送是利用空气压差实现粉 体物料连续输送的技术，以其具有密闭、清洁、设 备简单、易于实现自动化等优点，被广泛应用于农 业、化工、橡胶、生物科技等领域[|~.旋转阀又称
收稿日期：2020观-28；修回日期:2020-11 -11.
作者简介：王永亮 _(1983 -)，男，博士，副教授,E-mail:***************.c n；彭嗣鹏（1996 -)，男，硕士生，E-mail: ***********************.
112大连海事大学学报第47卷
旋转供料器，是整个气力输送系统中非常重要的 一部分，旋转阀的合理设计直接决定了气力输送 系统的输运能力和输运效率
目前，许多学者对于气力输送的研究，主要关 注输送管道压降[6_8]、颗粒破碎[9]、颗粒流型[1°41]等问题.对于气力输送系统中供料器的研究，主要 基于理论和试验方法，通过分析物料特性、精确计 算工艺参数对供料器进行结构设计和优化，并获 得了大量的研究成果[1243]：冯秀荣[M]在聚乙烯醇 装置中，分析了旋转供料器在生产过程中出现物 料卡壳、轴承磨损、气体泄漏、架桥等故障产生的 原因，并提出了具体的改进措施，确保供料器的平 稳运行；李光[15]设计了一套炭黑密相旋转阀气力 输送系统，对4种炭黑进行了物料特性的试验研 究，并对炭黑的输运形态做出预测，通过对输送后 的炭黑做破碎率试验，发现旋转阀输送可以有效 地降低破碎率.
旋转阀作为气力输送系统中料气混合的关键 设备，其内部的空气泄漏引起的压力损失和输送 能量耗散，将会导致输送效率下降、物料飞扬、输 送管道堵塞等问题，严重影响气力输送系统的稳 定性.旋转阀转子与侧板的间隙和密封处的空气 泄漏可以通过断面密封和外部充气补偿来减小漏 气量，而转
子与壳体的间隙只能靠加工精度来保 证U6].国外一些公司设计的旋转阀给出了工作压 力、叶顶间隙与漏气量之间的关系[17]:Hoppe 等[18]设置塑料填充环，通过弹簧加载在轴承盖与 旋转阀壳体之间，减小了旋转阀壳体侧面的气体 泄漏；肖安红等[19]研究了稀相面粉气力输运系统 旋转阀的性能，在不同压差下测定旋转阀在重车 和空车状态下的漏风量；Huang等[2°]通过理论分 析和试验回归建立面粉正压气力输送系统中旋转 阀的两相流压损公式，首次得出旋转阀纯气流局 部阻力系数；李奕[21]通过数学分析和实验，研究 了叶轮式供料系统供料量和转速以及压力差之间 的关系，分析了空气泄漏对供给系统的影响.
综上所述，学者们主要采用理论分析和试验 研究的方式对旋转阀气力输送系统的输运性能和 空气泄漏特性进行研究.近年来，随着计算流体力 学（Computational fluid dynamics,CFD)的快速发 展，计算流体力学商用软件被广泛应用于各个研 究领域，而对旋转阀气力输送的研究较少.因此，本文基于Fluent软件对旋转阀气力输送系统进行 仿真分析，重点研究不同参数下旋转阀的流场变 化和空气泄漏特性.
1计算模型和参数设置
1.1计算模型
本文选用的研究对象为某型旋转阀气力输送 系统，由输送管道、卸料口、旋转叶片、物料进口以 及
高压气体反气口组成.图1为旋转阀气力输送 系统结构示意图.
图1旋转阀气力输送系统结构示意图
Fig. 1Schematic diagram of pneumatic
conveying system of rotary feeder
旋转阀轴向尺寸为450mm，旋转域内径为400mm，叶片与机壳之间的间隙为0. 2mm.旋转阀 转子由12个等角度分布的直叶片组成，叶片长度 为144. 8mm，输送管道内径为98mm，水平管道长 度为3000mm.旋转阀的物料进口和高压气体反气 口连通，旋转阀叶轮腔体携带的高压气体从反气 口释放.管道进口连接气源，管道出口设置为壁 面，使得气源产生的气体只从旋转阀高压气体反 气口和叶顶间隙处泄漏.采用UG软件对旋转阀 气力输送系统进行三维建模，如图2所示.图中绿 部分为静止域，红部分为旋转域，绿和红 的交界面为转静交接面.
1.2网格划分及无关性验证
对旋转阀气力输送系统采用ICEM软件划分 网格，网格划分如图3所示.鉴于旋转阀旋转域结 构规则，将旋转域划分为结构化网格.旋转域叶顶 间隙划分为3层网格，叶片径向网格采用均匀过 渡形式，避免网格尺寸突变对计算精度产生影响.由于物料进口、高压气体反气口及卸料口与管道 连接部分结构非
常不规则，为保持旋转阀模型实 际尺寸和细节部分，
种子包装袋
静止域划分为非结构化网格,
第1期王永亮，等：旋转阀气力输送空气泄漏特性仿真113
180 200 220 240 260 280 300 320
网格数量/万
图4网格无关性验证结果
Fig. 4 Grid independence study
由图4可以看出，网格数量为179万〜321 万，数值计算结果无明显波动.后续计算选用中间 网格数量，总网格数为216万，叶顶间隙处网格层 数为3层.1.3参数设置
采用F lu en t 软件计算旋转阀气力输送系统的 空气泄漏量（简称泄气量）.在非定常计算中，静
图5泄气量随旋转时间变化曲线
Fig. 5 The curve of air leakage with rotation time
图3
网格模型
Fig. 3 Mesh model
为兼顾计算精度和计算成本，对旋转阀气力 输送系统进行网格无关性验证.将计算模型划分 为6组不同密度的网格，网格数量分别为179万、 216万、235万、261万、286万、321万，以旋转阀物 料进口的空气泄漏量作为评判标准，如图4所示.
2.1泄气量计算结果
旋转阀气力输送系统的空气泄漏从进口排
出，因此，计算过程中对旋转阀物料进口的空气 泄漏量进行监测.根据标准大气压下空气密度，将 质
量流量折合为体积流量（9… = % x 3600/ 1.225).
图5为旋转阀气力输送系统泄气量随旋转时 间的变化规律，图中负值表示外部气体反吸进旋 转阀.从图中可以看出，旋转阀的空气泄漏特性随 旋转时间呈周期性变化，高压腔体瞬间泄气量可 达到2200 m 3/h .统计旋转阀泄气量一个周期的
变化规律，旋转阔平均泄气量为507.6 m 3/h ，叶顶 间隙处泄气量为316.7 m 3/h ，高压气体反气口处 泄气量为191 m 3/h .
2500
图2
旋转阀气力输送系统几何模型 Fig. 2 Geometric model of rotary valve pneumatic conveying system
对于静止域结构尺寸相对较小以及对计算结果影 响较大的部分采用局部网格加密处理.
止域和旋转域的交界面设置为转静交接面（Inter -
face )，交接面采用滑移网格进行处理.湍流模型
选用 SST ( Shear Stress Transport )模型，打开能量 方程，方程离散采用二阶迎风格式，速度-压力耦 合采用SIMPLE 算法.空气密度按理想气体计算. 在对非定常模型进行计算时，首先使用定常计算 一个合适的初值，然后再将其调整为Transient 状
态进行计算.
边界条件设置：管道进气人口给定总温 299K ，总压0.45 MPa ；管道出口设置为壁面，边界 壁面设置为绝热无滑移壁面；旋转阀物料进口给 定压力出口，出口压力为大气压；转子壁面和旋转 域给定转速21r /min ；时间步长设置为0. 001S，设 置时间步数6000步，每个时间步内迭代计算20 次.
2计算结果分析
o
stc2052
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1
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•
114大连海事大学学报第47卷
旋转阀泄气量的变化规律取决于转子叶片的 不同相位.旋转阀由12个等角度安装的直叶片 组成，每个叶片转过的相位角引起泄气量变化和 流场分布是相同的•当转子叶片未转至高压气体 反气口时，旋转阀空气从叶顶间隙处泄漏，由于旋 转阀具有一定的旋转转速，因此，叶顶间隙的泄气 量会随着旋转时间发生微小波动.当转子叶片转 至高压气体反气口处时，叶轮腔体内的高压气体 释放，泄气量瞬间增大.
2.2不同相位下旋转阀的流场变化
图6为旋转阀气力输送系统轴向中心截面不 同时刻的压力分布和速度矢量.从图中可以看出，由于在叶顶间隙产生节流效应，旋转阀每个叶轮 腔体内的气体压力均不相同.旋转阀叶轮旋转至 不同相位时，旋转域压力分布发生明显变化.以叶 轮叶片相对于高压气体反气口位置为分析点，当叶轮叶片将要转至高压气体反气口处，此时还未 放气，即将要放气的叶轮腔体内压力为399 365Pa；当叶轮叶片转至高压气体反气口处，从速度流线图中可以看出，此刻高压气体通过反
(C)放气结束
图6不同时刻的压力分布和速度变化
Fig. 6 Pressure cloud diagram of rotary feeder
智能化信报箱pneumatic conveying system at different time
气口处的速度非常高；当叶轮叶片转过高压气体 反气口处，放气结束，叶轮腔体压力处于常压.分 析叶顶间隙处的速度分布，旋转阀叶顶间隙处左 右叶轮腔体压差很大，而间隙尺寸较小，此时流体 在穿过间隙过程中将大部分静压转换为动压，形成射流，流体穿过叶顶间隙时流速可达343 m/s，此时流体在间隙处的流速已达到超音速.
图7为叶轮腔体内高压气体放气后的速度流 线.叶轮腔体内高压气体放气结束，物料进口与高 压气体反
气口连通.从图中可以看出，叶片前部流 体具有很高的速度，静压较低，在流体动能的作用 下从物料进口处会有气体反吸进叶轮腔体并从反 气口排出.非定常计算过程中，将物料进口设置 为常压出口，物料进口处主流区的气体速度几乎 为零，叶片前部的流场会影响粒子进口处流场的 变化，以至于出现少部分流体从物料进口反吸进 旋转阀的现象，这也是计算旋转阀空气泄漏过程 中泄气量为负值的原因.
图7高压气体放气后的流线
Fig. 7 Streamline diagram after high gas venting
2.3二维和三维模型对比
旋转阀气力输送系统模型整体尺寸较大，而 叶顶间隙相比旋转阀，整体尺寸小几个量级.为画 出高质量的网格并减少计算成本，提高计算效率，在保证计算结果准确前提下，采用二维模型对比 三维模型计算旋转阀的泄气量.二维模型保留了 旋转阀主要尺寸数据，并考虑了物料进口以及卸 料处的犁形结构，按三维计算模型径向尺寸一比 一建立，如图8所示.
图8二维模型
Fig. 8 Two-dimensional model
进出口压差为0.35 MPa、叶顶间隙为0.2m
m
第1期王永亮，等：旋转阀气力输送空气泄漏特性仿真
115
0.05 0.10
0.15 0.20
叶顶间隙/mm
图11不同叶顶间隙下旋转阀瞬间泄气量 Fig. 11
Curve of instantaneous air leakage flow under different tip clearance difference
2.5进出口压差对泄气量的影响规律
计算不同进出口压差对旋转阀气力输送系统 泄气量的影响规律.二维模型计算选用0.2 m m 叶顶间隙旋转阀，转速为21r /min ，进出口压差分 别为 0. 10 MPa 、0_ 15 MPa 、0. 20 MPa 、0.25 MPa 、 0.30 MPa 、0.35 MPa 、0.4 MPa ，计算得到的旋转阀 泄气量乘以系数〇. 45等值换算成三维模型泄气 量•
图12为不同压差下旋转阀平均泄气量随进 出口压差的变化曲线.从泄气量与进出口压差的 关系可以看出，旋转阀平均泄气量随进出口压差 呈线性增长.图13为不同压差下旋转阀瞬间泄气 量变化曲线，旋转阀瞬间泄气量随进出口压差呈
3.4
3.6
3.8
4.0 4.2 4.4 4.6
t / s
包装袋印刷
(b )
维模型
图9
不同模型计算结果对比
Fig. 9 Comparing the results of different models
2.4叶顶间隙对泄气量的影响规律
计算不同叶顶间隙对旋转阀气力输送系统泄 气量的影响规律.二维模型计算选用叶顶间隙分
别为 0• 05mm 、0• 10mm 、0. 15mm 、0■ 2m m 旋转阀， 转速为21 r /min ，进出口压差为0.35 MPa ，计算得 到的旋转阀泄气量乘以系数0.45等值换算成三 维模型泄气量.
图10为叶顶间隙尺寸与旋转阀平均泄气量 的关系曲线.由图10可知，旋转阀泄气量随叶顶 间隙尺寸呈指数形式增长，从叶顶间隙为〇. 〇5
mm 至0. 10 mm ，旋转阀平均泄气量增力n 了 28.83% ；从叶顶间隙为0. 10 mm 至0. 15 mm ，旋
0.05 0.10
0.15 0.20
叶顶间隙/mni
图10不同叶顶间隙下旋转阀平均泄气量
Fig. 10 Curve of average air leakage flow under
different tip clearance difference
转阀平均泄气量增加了 31. 15%；从叶顶间隙为 0• 15 mm 至0.20 mm ，旋转阀平均泄气量增加了 34. 12%.图11为叶顶间隙尺寸与旋转阀瞬间泄 气量的关系曲线.由图11可知，旋转阀瞬间泄气 量随叶顶间隙尺寸变化很小，减小叶顶间隙尺寸 主要减小了旋转阀叶顶间隙处的空气泄漏，对叶 轮腔体携带的高压气体量影响较小.
3.4
3.6
3.8
4.0 4.2
4.4
4.6
// s
(a )三维模型未载入sso模块
的旋转阀二维模型与三维模型泄气量计算结果对 比如图9所示.从图中可以看出，二维模型对比三 维模型，旋转阀泄气量随旋转时间的变化趋势是 一致的.统计叶轮腔体转过一个周期的平均泄气 量，三维模型计算旋转阀平均泄气量为507.6 m 3/
h ，二维模型计算旋转阀平均泄气量为563.66 m 3/
h ，两者相对偏差为9. 8%.三维模型计算结果与 二维模型计算结果偏差均在可接受范围内，所以 利用
二维模型代替三维模型对旋转阀气力输送泄 气量进行数值计算，可以提高工作效率.
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