第32卷第5期化学反应工程与工艺V ol 32, No 5 2016年10月 Chemical Reaction Engineering and Technology Oct. 2016 文章编号：1001—7631 ( 2016 ) 05—0455—06
戚 胜1，李 想1，邵天成2
1.吉林化工学院机电工程学院能源动力系，吉林吉林 132022；
2.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 264006
摘要：气力输送弯管转向过程中磨损和固相滞留等问题较为严重。本研究设计了一种新型连接装置，对结构
进行了优化设计以减少磨损，用扩容仓代替弯管，在底部增加增压风，并利用计算流体动力学（CFD）数值 方法，采用k-ɛ标准型湍流模型，分析进出口中心线上速度比（V a/V0）和总压变化，及两相流颗粒分布，模
拟结果表明，采用新型输送装置，将主流转向提前至垂直管道下方，利用风膜隔开主流与壁面，减少了磨损
和固体颗粒滞留；增压风和主流风速比3.4时，出口速度差值最小，形成的额外阻力最小，该比例下增压风
综合效果最好。
关键词：气力输送磨损增压风风膜数值模拟
中图分类号：TK022.4 文献标识码：A
气力输送技术在化学工业中应用广泛，包括各类气固反应器，以及各类特殊环境下的颗粒反应介质输送。然而通过气力来输送粉体反应介质时管道磨损较为严重，极易发生反应介质泄漏，而且阻力较大，输送能力较低[1,2]。气力输送按照输送方向与重力方向夹角的不同可以分为水平输送和垂直输送，当输送系统中采用弯管连接水平输送管和垂直输送管时，由于输送风速度分布不均存在明显的磨损和滞留等问题[3,4]。于飞等[5]对弯头两相流的角度对磨损的影响进行了研究。周发戚等[6]总结出T形弯头压力变化和流动呈现线性关系。Liu等[7]提出了弯管磨损的新模型。宋晓琴等[8]通过分界角将磨损过程分为两个阶段。Duarte等[9]则发现部分的颗粒对弯管磨损的层化的现象。Peng等[10]采用不
同模型机理进行分析和对比，得出较为可靠的模型。Chen等[11]则利用更加准确的流固耦合（CFD-DEM）方法对弯管磨损过程中颗粒之间的相互作用进行考虑。姚军[12]对肋条防弯管磨损的机理进行研究，发现将肋条布置在20～80 °的弯管壁面，可以有效防磨。总之，连接件结构和流场特性对两相流的颗粒运动及和磨损问题有较大影响[13-15]。本工作提出一种新的连接件结构，替代弯管来实现水平转向垂直输送，以期减少磨损，以及颗粒浓度较大时弯管内的固相滞留和柱塞等问题，通过对该新型结构的流场进行分析，为相关系统设计提供参考。
1 模型尺寸及方案
正压气力输送装置水平转垂直气力输送导向结构如图1所示。取消了传统的弯管设计，增加仓室，并在底部设有增压风，仓室中间采用圆柱形结构，上下为圆台。入口管道长度300 mm，扩容仓上部圆台高度150 mm，出口管道长度600 mm，扩容仓中段为直径400 mm，高度219 mm的圆柱，下部圆台高度50 mm，增压管直径38 mm，高度100 mm。
收稿日期:2016-06-27; 修订日期: 2016-08-29。
作者简介: 戚胜（1981—），男，讲师。E-mail:403551167@qq。
456 模拟计
分，在扩容口速度45 结果趋于稳针对输同的增压风垂直输送的输送风速出口为压力 2 流场特2.1 增压风在垂直其中，垂直输送的在两相同时在向上而在同一高得弯管的固采用扩后，主流从风与主流汇尺寸约为0阶段，多数风垂直向上inlet
计算时的网格容仓以及垂直
m/s 时，不同稳定。
输送量8 t/h 风速度（V a ）的流场特征，V 0为16 m/s 力出口，采用特性
风作用
直输送过程中ΔP L 为压缩的高度，m ；相流的输送时上输送的过程高度的其他位固体输送性能扩容仓的流动从中间线以下汇合之后，在0.1～0.2 m ，数颗粒集中在上射流，且速outlet
pressurizing wi 图1 模Fig.1 Mod 格精度将直接直上升段进行同网格精度时h 气力输送装，设置增压风采用单一气相。工质温度为用Simple 算法中，其压损缩空气的管内λ为气固速度时，弯管底部程中，由于弯位置μ则由于能较差。
动较为复杂，下出现明显的在直管段靠近在涡流的上在入口段的中速度与压力都ind
模型结构和网格del structure and 化学反接影响计算精行加密，考虑时的出口平均装置在额定工风量占总风量相工质。设定为室温20 ℃法，二阶精度ΔP s 可以使用S L ΔΔP P =ΔP H μ=内沿程阻力，度比；ρ为输的混合比μ较弯管外侧速度于颗粒分布不增压风在仓的主流向下倾近外侧的区域上部则是增压中下部[13]。在都高于主流，X
Y
Z
格
d gird
反应工程与工艺精度。本工作虑计算效率和均速度，如图工况下的水平量的20%以定进口压力为℃，湍流模型度。
用经验公式[14()1K μ++g λρ Pa ；μ为气输送气体密度较小。通流面度较低，导致不均增大，导仓内的变化如倾斜，在和增域流动矢量发压风裹挟造成在设有增压风使得仓内的艺 作采用非结构和精度，考察图2所示，表输送风速（内的增压风，为20 kPa ，出口型选择常用的4]
表示：
ΔP 固两相的混合度，kg/m 3；面积减小，相当λ下降，携带导致ΔP s 明显如图3，增压风增压风汇合之发生偏转较少的从底部相增风的流场特性的颗粒处于流F
eps复合保温板
A v e r a g e v e l o c i t y o f o u t l e t /(m ⋅s -1
)
化四面体网格了入口速度为表明当网格数V 0）和配有的，为研究在设口压力19.6 k 的k -ɛ标准型， 合比；K 为直g 为重力加速当该位置的Δ带能力下降，颗上升，总体上风45 m/s 时，后，形成主流少，在底部出增压风汇集的下，而在进入流态化，向上运图2 网格无关ig.2 Gird indepe Grid ⨯10 201格进行划分，为16 m/s ，增数目达到58万的风机压力，设有扩容仓结kPa ，增风压2，入口为速度 直管阻力系数速度，m/s 2。浮雕画
P L 被大幅度颗粒出现回落上由于流动不，主流进入扩流向上流动，出现一个明显的流动。在水入扩容仓之后运动。
关性
pendence
-4
16年10月
，分区划增压风入万，计算设计不结构下，21 kPa 。度入口， （1） （2）
数；H 为度提高。落现象。不均，使扩容仓之在增压显的涡流，水平输送后，增压
第32卷第同时高的风膜中心向两由于提前逐渐减小相同可以看出主要是因现压力较渐沿出口入口流进入舱致，在0增压风在逐渐远离压力较高Fig.4第5期 时从截面的矢膜，在仓体内两侧流动的趋前发生偏转，小，最后与垂同增压风速度出，增压风进因为流动发生较高而流动不口直管平行方口中间线的压舱内时，由于0.1～0 m 的位在冲击主流的离增压风的外高的气体向下图4 垂直4 Velocity distri
V a / V 0
vel 矢量分布上，内部，由于空趋势，可以使其进入出口垂直管平行。度（V a ）下，进入舱内之后生偏转；在高不畅，0.1 方向变化。
压力变化如图于增压风压力位置主流向上的同时，也受外侧压由于增下流动，以及直高度上中间线速ibution of centre .0
X / m
a) velocity p ocity m/s
44
34 24
14
4
-6
戚 胜等. 气力总体上增压空间的增大，使得增压风在口直管段，流
增压风入口截面中间线速高度-0.15～0m 之后速度逐图5所示，V 力高于主流，上流动，与增受主流的影响增压风边界，
及壁面附近流速度比分布
e line along X dir pathline o
f centre Fig.3 Formatio 力输送弯管结构压风冲击主流使得主流进在接触主流之流动方向偏斜口至直管出口速度比开始0.28 m 速度低逐渐上升，其a 为65 m/s 中间线上的增压风之间的响发生偏转，压力下
降，流动性降低，rection F e section 图3 风膜形分on and distributio 构替代装置流场流之后，位于进入仓体空间之后逐渐扁平斜程度较小，口段的截面中明显增加，低于V 0主要原其原因是在该高时，在入口的压力在0.1m 的间隙由周围导致压力最而当逐渐靠压力上升。Fig.5 Total pres T o t a l p r e s s u r e / P a
b) change of 布与形成
on of gas film (velo 场特性数值分析主流与壁面之后两侧形成较平化，并向上流且随着高度的间线速度比从X 为-0.1 m 原因是改位置高度上转向已Z 方向上，入m 左右时开始环境的工质补最高的位置处近壁面时，由
图5 入口中间线sure of centre se Z / m f pressurizing wi V a =45m/s)
43
31
19
7 1
ocity m/s
析 之间，形成一较大的涡流，流动贴合与壁的不断上升，（V a /V 0）如m 左右开始大置可能由于气已经逐渐完成入口段压力平始上升，而由补充，压力明处于-0.2m 附近由于回流的存线总压
ection along Z d m
ind
457
一层速度较，流动存在壁面。主流，偏斜程度图4所示。大幅度衰减，气流汇合出成，方向逐平稳，当主由于转向导明显较低。近。而随着存在，部分irection
458 2.2 不同增不同增大，可能导阻力增加，例，使得舱率下降。
为研究示。由图6转向退后，度较低，仓效果较差。均现象明显至4.1时，口附近产生风的射流刚速度过高，不同比低速区的颗磨损和颗粒但在部分区Average Velocity d
2.3 两相流采用欧口，对增压 增压风比例的增压风和主流导致主流被切此外在保障舱内的流态化
究不同动能增可见，在比冲击扩容仓仓体的上部存。随着比例的显改善，入口此时底部扰生涡流，底部刚度较高，方容易导致携比例下，出口颗粒逐渐集聚粒沉积，以及区域，同一水V a /V 0
velocity /(m·s -1
)
difference /(m·s -流分析
欧拉两相流模压仓结构的颗
V a /V 0= 的影响
流的速度比对切开，仓内的障水平输送能化程度不够，增压风的影响比例较低2.2仓壁面导致直存在一个尺寸的提高，增压口主流上部的扰动明显增强部受增压风速方向改变，但携带部分固相口的速度差值聚，并向下运及提高气力输水平截面的速2.2 ) 17.10-1) 4.3
模型，同样采颗粒分布进行velocity m/s
=2.2 V Fig.6 Ve 化学反对扩容仓内流的涡流尺度下能力不变的情固体颗粒停响，设置5个时增压风的直管段靠近外寸0.3 m 左右压风对主流的的涡流尺寸减强，直管段主速度提高的影但射流偏斜程相直接冲击在值如下表1，运动，造成柱输送的效果，速度差值也被表1 出口Table 1 Vel 2176采用k -ɛ标准行研究，以其72 62 a /V 0=2.8 图6 不同增风压elocity distributio 反应工程与工艺流场特性产生下降，固体工情况下，增大停留在扩容仓个不同的比例的刚度较小，外侧的部分，右的涡流，但的冲击增加，减少或消失，主流均匀程度影响，底部受程度较小。但在仓体上部，垂直其气力柱塞，而截面设置的增压被增大，但比口截面上的速度locities at the ex 2.8 7.65 6.7
准型湍流模型其颗粒粒径为 52 42 V a /V 0=3.4 压速度时中间截on of centre sect 艺 生的影响不同工质冲击直管大增压风速导仓内，导致流动例，不同比例下增压射流受主速度较高，同在底部增压风形成明显的边底部速度增较好，同时受增压风裹挟但当随着比例导致局部磨输送过程中，内速度较为平压风使得仓体比例为3.4时，度数据
xit section
3.4 18.19 2.7
，二精度，入为0.5 mm ，颗 32 22 V a /V 0=4.1截面速度分布
tion under differ 。比例较大，管壁面，同时气致系统能耗增动受阻，混合下的中间截面主流影响，速同时在主流进风与主流的扰边界层，同时大，扰动减少由于主流受冲的流动增强。的继续增大损增大。
，由于管内的平均则可以减体内的颗粒流，速度差最小4.1 18.23 4.9
入口为速度入颗粒真实密度12 2
V a /V 0=4rent V a
201，意味着动能气固速度比增加。相反，合比μ下降，面速度分布如速度衰减迅速进入仓内初始扰动较少，底时出口主流的少。当增压风冲击较大，引。在此比例下，至4.7时增的速度不均易减少此类现象流态化，并向小。
4.718.5
5.4入口，出口为度为1.35 t/m =4.7
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能差异较λ增大，较小比输送效如图6所速，主流始阶段速底部流化的速度不风比例增引起在入下，增压增压风的易导致在象。为减上运动，7 51 4
为压力出3的炭黑
第32卷第颗粒为研增压侧明显出主要由增的气固两管段壁面在主流区风膜在比不同积分数如分数开始区域体积3 结 论采用不同的增a ）接触，减b ）c ）参考文献[1]
段广Duan mate [2] 林 江Lin J Zheji [3] 石喜第5期
研究对象，主
压风在直管段出现颗粒集中
增压风构成，两相的混合比面，减少磨损区域面积减小比例3.4时最同增压风速度如图8，在出始下降，采用积分数低于内论
用数值方法对增压风速度对增压风在使减少固相与壁扩容仓内颗增压风速度献：
广彬, 胡寿根, 赵n Guangbing, H erials [J]. Fluid M . 气力输送系统Jiang. Research o iang University, 2光, 周 昊, 岑可0.13
0.12
0.84
0.41
数据监控0.02
volume of solid 主流体积比段的形成的风中区域，与实由于其速度比μ远低于主损。而风膜的小，主流区域最薄，阻力上度下的出口截出口截面中间用增压仓方案内侧，
可以起
板栗割口机
压模对新型垂直气
对流场的影响使得转向过程壁面之间的接颗粒被涡流等度与主流速度 军，等. 密相气固Hu Shougen, Zha Machinery, 2008, 统中加速区气固两on gas-solid two-2004, 38(7):893-8可法. 基于超声波
Fig.7
Dis particles
戚 胜等. 气力μ为20，并设风膜如图7，实际中磨损位度和压力较高主流，将主流的厚度过大容域μ增大，阻力上升幅度最小截面中间线的间线靠近外侧案的颗粒在外起到减少摩擦气力输送装置响，得出以下程主要发生在接触，减少阻裹挟，减少比例3.4综合固两相管道输送ao Jun, et al. Stu 36(7):1-5.
两相流动特性的-phase flowing ch 898.
波方法的管内气固图7 外侧壁stribution of part 力输送弯管结构设置相同尺寸在增压风速位置相同，其高，其中流隔开直容易导致力上升，小。
的颗粒体侧，颗粒外侧壁面擦的效果。
置的原理以及下结论：
出口垂直管道阻力和磨损。固相滞留，同合效果较好。送粉体的特性研究udy on the chara 的研究[J]. 浙江大haracteristics of 固两相流浓度测量壁面颗粒体积分ticle volume fra 构替代装置流场寸的弯管进行速度为35 m/s 其与主流之间及流场特性进道的正下方，
同时减少外侧 究 [J]. 流体机械acteristics of den 大学学报：工学版,accelerating zone 量技术[J]. 热力图8Fig.8V o l u m e f r a c t i o n , %
分数分布
ction on the oute str 场特性数值分析行磨损对比分时，10.1 s 时存在明显的界进行分析，并对，同时产生风侧颗粒对壁面, 2008, 36(7):1-5nse-phase gas-so 2004, 38(7):893-e in pneumatic co 发电, 2005, 34(58 出口中间线颗Outlet particle Z / er wall
o gas film
raight pipe
析 分析。
时相同尺寸的界线，增压风对比在额定输风膜主流未与面磨损。 5.
olid flow in pipe -898.
onveying system 5):37-38.
颗粒体积分数 volume fraction 0 m
outlet
459
的弯管在外风膜的来源输送速度下与壁面直接es for powdery m [J]. Journal of n
水库监控
.10
35
45556575
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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