非对称球形弯头内颗粒流动特性研究

黄钰棋,王沐晨,张 林,李立州

(中北大学机电工程学院,山西 太原 030051)

1 引言

气力输送[1]是在封闭管道内利用气体运输颗粒物料的一种方式,广泛应用于化工、冶金、制药、电力、食品、农、牧、渔等行业。然而当气力输送一些直径较大、流动性差的脆性颗粒时,如:粮食、种子、饲料、药品等,运输过程需要同时减小管壁冲蚀、能量损耗和颗粒破碎率,还需兼顾颗粒运输的气动效率。

文献[2-4]表明在气力输送过程中颗粒最易破碎和管道最易磨损的区域都在弯头处。目前的研究主要针对管道磨损的问题,主要有两种思路:一种思路是给普通弯头加厚管壁、添加内衬、选用耐磨材料、喷耐磨涂层、增加弯头半径等[5]。然而在这些方案中颗粒参数和管道参数对冲蚀位置影响较大,应用上述方法的成本较高;另一种思路就是改变弯头的结构,改变管道内颗粒的流动特性。应用较早的有球形弯头[6],其原理主要有两点:①是利用管道截面积的突然扩大使气体减速扩压,减缓颗粒的碰撞速度,但由于气-固相密度相差悬殊,气体速度的变化对颗粒影响能力较弱,近年来球形弯头在液-固运输(如:水泥、泥浆)中应用较多,而气体运输的研究应用较少;②是在弯头内部形成“堆积区”,减小颗粒和壁面的撞击从而保护颗粒和弯头,基于这一原理,目前气力输送中应用较多的弯头是“盲三通”和“涡室弯头”。

曹辉祥等[7]和Nir[8]对盲三通进行了研究,结果显示盲三通能有效降低弯头冲蚀。美国HAMMERTEK公司生产的涡室弯头(Smart Elbow)已经用于气力输送,Carlos[9]和Yam[10]对涡室弯头研究后发现涡室显著提高了缓冲效率,保护了弯头不受颗粒的直接碰撞。Carlos[11]还对比了不同颗粒流量下盲三通和涡室弯头性能,得出盲三通更适用于低颗粒流量,而涡室弯头在高颗粒流量表现更出色。但由于颗粒的堆积也带来了阻力的激增,上述弯头在减小冲蚀和颗粒破碎率的同时增加了能量损耗。

计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)耦合[12]方法在研究管道中颗粒流动和管壁冲蚀方面的应用已经十分普遍。Jashanpreet[13]使用CFD-DEM研究了泥浆运输管道的冲蚀特性。Cheng等[14]采用CFD-DEM对突变管道中颗粒团簇的侵蚀进行了数值研究。王晓晨[15]等使用CFD-DEM对油茶果在负压吸附管道系统中的运动特性进行研究。杨春彬[16]采用CFD-DEM对弧形弯管中不同属性的颗粒流动进行数值模拟,对弯管结构进行改进。

本文针对90°弯头,采用CFD-DEM耦合的方法,设计研究既能提高弯头耐磨、减少颗粒破碎,又能减小能量损耗、改善出口处颗粒散布的方案,与普通弯头、盲三通弯头、涡室弯头和球形弯头进行对比。

2 模型介绍

2.1 物理模型

普通弯头、盲三通、涡室弯头、球形弯头以及本文设计的非对称球形弯头如图1所示。五种弯头模型的进出口管径D都为90mm材料为铝;颗粒为球形颗粒直径d为5mm,颗粒密度600kg/m3、shear模量为20MPa、Young’s模量为50MPa,颗粒流量为1.3kg/s。弯头进出口如图所示。空气速度为25m/s。

图1 弯头示意图

2.2 CFD-DEM耦合方法

采用CFD-DEM耦合方法分析颗粒在管道中的运动和冲蚀,即在欧拉坐标系内用CFD求解连续相(空气);在拉格朗日坐标下用DEM求解离散相(颗粒);连续相和离散相之间通过动量交换来实现耦合。

离散相控制方程满足牛顿第二定律和角动量守恒方程,为表征流动对颗粒的影响,颗粒的控制方程中加入流体对颗粒的作用力Ff,得

(1)

(2)

式中,mp、vp、Ip、ωp分别为颗粒质量、平动速度、转动惯量和角速度;Fw-p、Fp-p和Mp分别为壁面对颗粒的力、颗粒之间作用力和颗粒所受力矩。

连续相满足N-S方程。为表征颗粒相对流动的影响,连续相的动量守恒方程需要加入离散相(颗粒)动量SD,得

(3)

式中,ρ为气相密度;vi,vj为气相速度分量;xi,xj为空间坐标;P为压力;τij为应力张量;ρgi为重力分量。

2.3 冲蚀模型

用CFD-DEM获得颗粒与壁面碰撞数据,带入Oka[17]的经验公式计算冲蚀率。冲蚀率计算公式如下:

(4)

式中,Re为壁面磨损速率;Np碰撞颗粒数目;mp为颗粒质量流量;C(dp)为颗粒属性相关函数;θ为颗粒对壁面的碰撞角;f(θ)为侵入角的线性分段函数(其中当θ取0°、20°、30°、45°、90°时f(θ)分别取0、0.8、1、0.5、0.4);up为颗粒相对于壁面的速度;b(v)为相对速度函数;Aface为壁面计算单元的面积。

3 颗粒流动过程及冲蚀特性分析

在弯头处颗粒流动速度和运动方向如图2所示。图中箭头表示颗粒的流动方向。颗粒对管道的冲蚀云图如图3所示,最大冲蚀速率见表1。

表1 分析结果与最大冲蚀速率

表2 流动稳定后颗粒平均总能量

图2 颗粒流动速度图

图3 弯头冲蚀率云图

由于本文研究各模型的颗粒质量流量、颗粒参数和管道材料等均相同,所以冲蚀速率主要与单位面积碰撞的颗粒数、颗粒碰撞的相对速度和碰撞的角度有关(基于1.3节冲蚀公式分析)。从图2、图3和表1可以发现:

a)普通弯头的颗粒进入弯头时与壁面碰撞夹角20°～50°,碰撞角函数值较大,颗粒冲击位置单位面积参与碰撞的颗粒数较多且没有缓冲,颗粒碰壁速度较高,所以普通弯头受冲蚀最严重。

b)盲三通弯头的颗粒与管道壁碰撞角约90°,碰撞角函数值较小,流动稳定后在盲三通底部和右侧壁面颗粒形成堆积,为后续颗粒充当缓冲,碰壁速度减小,能一定程度的保护弯头和颗粒,冲蚀较普通弯头有显著减小。

c)涡室弯头发生了颗粒堆积,使得后续颗粒不能直接与壁面碰撞,最大冲蚀远小于其它弯头,但弯头内颗粒流动速度相对缓慢。

d)球形弯头内颗粒在球体附近大量堆积,其流动可分为两步:颗粒进入弯头后与堆积颗粒相碰,速度减为零;碰撞后,在气流的作用下颗粒重新加速流出弯头。堆积颗粒极大地减小了壁面冲蚀且保护了后续入射颗粒,但颗粒动能损耗极大。

e)非对称球形弯头入口与出口的轴线不对称,弯头内空气流动呈涡状,使得出口处颗粒为旋流。在旋流作用下颗粒状态可细分为三类:入口颗粒A、内部循环颗粒B、出口颗粒C(图4)。颗粒A进入弯头后先与低速颗粒B混合降速,与球体内壁颗粒呈30°～60°碰撞缓冲后汇入颗粒B。当颗粒B经过出口时,一部分颗粒流出形成颗粒C,另一部分沿球体内壁循环流动。由此可知颗粒流经降速、碰撞缓冲,且球体较大的面积和空气涡旋使单位面积碰撞次数相对较少,冲蚀速率较普通弯头有明显减小。由于右侧(图4c)颗层B的缓冲作用,避免了颗粒于避免的直接碰撞能一点程度的保护颗粒,减少颗粒破碎。

图4 非对称球形弯头内部颗粒流动

4 弯头内颗粒能量损耗分析

为了研究弯头结构对颗粒动能损失的影响,统计了弯头内颗粒的平均总能量,认为平均能量越大,则弯头内颗粒能量损耗越小,统计结果如表3所示。由图2和表3分析可知:普通弯头内颗粒没有颗粒堆积,阻力小,能量损耗最少;盲三通和涡室弯头颗粒堆积,颗粒流动受阻,其能量损较大;球形弯头由于颗粒堆积最严重,能量损耗最大;非对称球形弯头内部颗粒流动较为连贯,无明显的颗粒堆积,能量损耗相对较少。

5 出口处颗粒散布与速度

出口颗粒散布如图5所示。由图可知,普通弯头、盲三通、带涡室弯头出口的颗粒散布十分相似,颗粒偏向管道一侧,形成贴近管壁的颗粒堆积,气动效率低,颗粒速度慢。球形弯头内颗粒速度首先减为0后,然后在气流的作用下重新加速,出口颗粒水平方向速度为0,故散布均匀,颗粒初速度较慢。非对称球形弯头由于特殊的内部结构使得颗粒在空气涡旋的作用下形成旋流。其内部颗粒分布均匀,有着良好的散布和气动效率,颗粒速度高。

图5 出口颗粒散布

6 结果

本文以大颗粒气力输送过程90°弯头为对象,设计的一种非对称球形弯头并通过CFD-DEM耦合的方法对其进行了仿真分析,讨论了输运过程颗粒流动与管壁冲蚀特性,并与四种已有的90°弯头(普通弯头、盲三通、涡室弯头、球形弯头)进行了对比,得出以下结论:

a)非对称球形弯头的最大冲蚀较普通弯头减小了43%左右,较盲三通减小了9%左右。

b)非对称球形弯头内部的颗粒层能起到减速缓冲的作用,从而一定程度上保护颗粒,减少颗粒破碎率。

c)非对称球形弯头能量损耗较小,较盲三通、涡室弯头、球形弯头有明显的优势。

非对称球形弯头颗粒为旋流[18],颗粒散布较其它三种弯头有显著优势,有着良好的气动效率,可有效降低气力输送的临界气流速度,减少颗粒破碎、管道堵塞和管壁磨损。