邢 婷，張 妍，王曉寧

（遼寧石油化工大學(xué)，石油化工學(xué)院，遼寧 撫順11300）

氣固兩相流在水平管道中的數(shù)值模擬

邢 婷，張 妍，王曉寧

（遼寧石油化工大學(xué)，石油化工學(xué)院，遼寧 撫順11300）

在水平T型分支管道中，利用壓縮空氣作為輸送介質(zhì)，平均粒徑為0.9 mm的小米為輸送對(duì)象，進(jìn)行氣力輸送實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件就三維水平圓柱管中氣力輸送過程進(jìn)行了數(shù)值分析。對(duì)某一流速和壓力下管道內(nèi)部軸向壓強(qiáng)、徑向速度和單相濃度進(jìn)行了模擬與監(jiān)測(cè)，幵將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本相同，相對(duì)誤差較小，有較好的一致性。

氣力輸送；Fluent數(shù)值分析；壓強(qiáng)分布；速度分布；濃度分布

氣力輸送是指在收集了具有一定壓力和速度的空氣或其他氣體的情況下，利用此氣體對(duì)干燥的散狀固體顆?；蚍哿显诠艿纼?nèi)輸送的技術(shù)。管道內(nèi)粉料移動(dòng)所需要的能量由輸送管兩端的壓差來提供。管道氣力輸送因具有成本低、效率高、污染少、操作危險(xiǎn)小、管網(wǎng)布置靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為普遍適用的固相物料輸送方法，幵在化工、冶金、礦上開采等行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。本文利用Fluent軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論分析氣固兩相流進(jìn)行了可視化結(jié)果的補(bǔ)充。通過這種數(shù)值模擬，可以得到極其復(fù)雜流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量[2]（如速度、壓力、濃度等）的分布。為更全面的分析管道氣力輸送提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的簡圖，圖中輸送系統(tǒng)由以下幾部分組成: 供氣系統(tǒng)、發(fā)料與收料系統(tǒng)、輸送管路系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)。主要裝置有：空氣壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子流量計(jì)，精密壓力計(jì)，過濾器，發(fā)料倉，收料倉，壓差計(jì)，主管路以及A,B分支管路，流量控制閥。實(shí)驗(yàn)裝置中，分支管路部分為從T型分支接頭出口處，到收料倉,底部，總長度為3 m，分支管路的材料選取直徑為Φ32 mm的無縫鋼管和等徑的透明有機(jī)膠管。兩個(gè)分支管路上均裝有球閥，可以利用球閥對(duì)兩只分支管路進(jìn)行開度的調(diào)節(jié)。

圖1 水平T型分支管道實(shí)驗(yàn)圖Fig.1 The experiment figure of level T branch pipe

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

采用密度為920 kg/m3的小米作為試驗(yàn)物料，干燥潔凈的空氣作為輸送動(dòng)力。所使用物料顆粒的平均直徑為0.9 mm，顆粒在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后,再稱出

一定質(zhì)量，灌入發(fā)料倉內(nèi)。根據(jù)擬定的試驗(yàn)方案，準(zhǔn)備好試驗(yàn)系統(tǒng)后進(jìn)行試驗(yàn)。首先啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，待氣壓達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需壓力時(shí)，調(diào)整閥門使空氣流量計(jì)達(dá)到要求數(shù)值，盡可能使物料在整個(gè)管道系統(tǒng)中均勻分布。試驗(yàn)過程中，借助U型壓差計(jì)記錄單位管道壓降，觀察各個(gè)管段的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，防治管道堵塞。系統(tǒng)輸送一段時(shí)間后，關(guān)閉閥門，稱量收料罐里面的小米質(zhì)量然后回收物料。

2 應(yīng)用Fluent軟件求解

2.1 軟件介紹

近幾年來，對(duì)Fluent數(shù)值模擬研究有了很大的進(jìn)展[3]，它是對(duì)實(shí)驗(yàn)和理論解法的一種補(bǔ)充。利用此計(jì)算方法，可以不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗?，具有較好的靈活性。

2.2 應(yīng)用步驟

（1）首先利用Gambit基于實(shí)驗(yàn)管道建立水平T型管的三維幾何模型[4]，幵對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定邊界條件。

（2）將前處理器 Gambit中的幾何模型導(dǎo)入Fluent中，確定氣固兩相流的密度、黏度等物性參數(shù)，幵設(shè)置各種情況的初始條件；

（3）可以通過數(shù)值模擬，監(jiān)測(cè)管道內(nèi)部沿程的壓力和速度變化，及橫截面處的壓強(qiáng)和速度分布[5]，對(duì)輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)和放大試驗(yàn)都有一定的參考價(jià)值。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 氣力輸送過程中，管道中心處軸向兩相流的壓強(qiáng)分布

圖2 A與B 分支管道的軸向壓強(qiáng)分布Fig.2 The axial pressure distribution of branch pipes A and B

圖2表示的是空氣輸送流量為40 m3/h壓力為0.22 MPa時(shí)，A、B兩分支管道的軸向壓強(qiáng)分布，圖中兩曲線表示A、B 管道軸心線。橫坐標(biāo)表示管道軸向長度，縱坐標(biāo)分別表示管道內(nèi)的靜壓和流速。可以看出，氣固兩相流在T型分支管道中壓強(qiáng)一直在下降，且兩條曲線接近直線，斜率基本不變，說明壓力損失也基本不變。在A、B管道中，壓力變化幵不同步，A管壓力起初下降較快，經(jīng)過管道2.5 m處后，兩只管道壓力下降趨于同步。

2.3.2 兩分支管道中兩相流的徑向速度分布

圖3為空氣流量為40 m3/h,壓力為0.22 MPa時(shí)，兩分支管道的徑向速度分布line5,line6,line7表示A管軸向y=1、2、3 m處的分布曲線,line8,line9,line10表示B管的；從圖中可觀察出A、B兩分支管道在相同軸向位置處的徑向速度分布情況，A管的軸心速度在此軸向位置處明顯低于B管的。幵且A管的速度下降梯度小于B管的。

圖3 兩分支管道的徑向速度分布Fig.3 The radial velocity distribution of two branch pipes

2.3.3 氣相和固相的濃度分布

由于在氣力輸送過程中對(duì)氣固兩相的濃度測(cè)量非常困難，所以在實(shí)驗(yàn)中我們不進(jìn)行兩相濃度的測(cè)量。這里通過數(shù)值模擬的方法來觀察管道內(nèi)部的兩相濃度分布情況。由于A、B管道相同軸向位置處徑向濃度分布相似，所以只研究了A支管的徑向濃度分布。

（1）氣相徑向濃度分布

圖4 氣相徑向濃度分布Fig.4 Radial concentration distribution of gas phase

圖4是模擬氣相速度為 40 m3/h、壓力為0.22 MPa時(shí)的水平氣力輸送實(shí)驗(yàn)，橫坐標(biāo)表示的范圍是徑向z=-0.1 m到0.1 m，管道底部到頂部分布，3

條曲線 line6,line7,line8分別代表軸向距離分別為y=2、2.3、2.5 m處的氣相濃度沿徑向的分布。從圖中可以看出，在管道不同位置的橫截面處，氣相濃度都呈現(xiàn)出從管道上部到下部逐漸降低的趨勢(shì)，濃度梯度在垂直方向上很大。這是由于固相的存在影響了氣相的濃度分布。小米顆粒在此輸送速度和壓力下，基本上都聚集在管道下半部，對(duì)氣相的濃度影響很大，因此在管道中上部氣相濃度高于下部分。隨著軸向距離的增加，氣相的濃度梯度在逐漸減小。隨著距離的增加濃度分布趨于均勻。

（2）固相徑向濃度分布

圖5是模擬氣相速度為40 m3/h、壓力為0.22 MPa的水平氣力輸送實(shí)驗(yàn)，橫坐標(biāo)表示的是徑向z=-0.1到 0.1，由管道底部到頂部分布，3條曲線line6,line7,line8分別代表軸向距離分別為 y=2、2.3、2.5 m處的固相濃度沿徑向的分布。從圖中可以看出，在管道的不同位置的橫截面，固相小米顆粒濃度正好呈現(xiàn)出與氣相濃度相反的分布情況，即從管道上部到下部逐漸增加的趨勢(shì)。在輸送過程中，由于兩相的速度都比較低，小米顆粒幾乎全部都聚集在管道下半部，使得這里的固相濃度很高。同樣，隨著軸向距離的增加，固相在管道中的濃度分布也趨于均勻。

圖5 固相徑向濃度分布Fig.5 Radial concentration distribution of solid phase

2.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6是模擬空氣輸送流分別為40、45、50、55、60 m3/h時(shí)，將A、B管道中單位管道的點(diǎn)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)輸出，計(jì)算出單位管道壓降。將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。可以看出模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相似，但模擬值都比實(shí)驗(yàn)值要稍微低一些，二者相差小于20，%。說明利用Fluent數(shù)值模擬具有較高的準(zhǔn)確性和較好的預(yù)測(cè)能力。

圖6 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.6 Comparing the results of numerical simulation with experimental results

3 結(jié) 論

本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)三維水平管道輸送的動(dòng)力學(xué)模型，利用 Fluent 軟件對(duì)水平管道氣力輸送過程進(jìn)行模擬。對(duì)圖中曲線經(jīng)過分析得出：

（1）經(jīng)過模擬可知，氣固兩相流在管道中的壓強(qiáng)一直在下降，形成基本穩(wěn)定的壓強(qiáng)差。A支管道的壓降大于B管，在管道尾部與B壓降接近。氣固兩相流在T型管的氣力輸送中，流體在分支管道中完全進(jìn)入紊流區(qū)，形成脈動(dòng)流，且截面處的速度分布曲線符合紊流的拋物線型。管中心速度大，遠(yuǎn)離管中心處的速度逐漸減小。

（2）分析了單支管道中的氣固相濃度分布，在水平管道的氣力輸送過程中，如果輸送氣速較低，固相多集中在管到底部，而氣相多集中在管道中上部。

（3）通過將 Fluent模擬的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,說明該模型和相應(yīng)算法具有較高的準(zhǔn)確性和較好的預(yù)測(cè)能力,能夠揭示顆粒氣力輸送水平管內(nèi)的基本特性。

［1］王曉寧,胡壽根,趙 軍,王法良.氣固兩相管道輸送分支流動(dòng)阻力特性的研究[J].流體機(jī)械,2006,28（4）：335-358.

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［3］王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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［5］李志華,劉艷青,焦雷,等.基于優(yōu)化炭黑密相氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械，2010，38(2)：41-44．

Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow in Horizontal Pipes

XING Ting, ZHANG Yan, WANG Xiao-ning
（School of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The experiment was conducted in a T-shaped pipeline，using compressed air as medium, the average size of 0.9 mm millet particle as transport objects. On the basis of the experiment, 3d Fluent software was used to carry out numerical analysis on the pneumatic conveying process in horizontal cylindrical tunnel. Internal axial pressure ,radial speed and single-phase concentration in pipeline under a certain velocity and pressure were simulated and monitored. Then simulated results and experimental results were compared. The results show that the simulation results are in general accord with the experimental results, and the relative error is less.

Pneumatic conveying; Fluent numerical analysis; Pressure distribution; Velocity distribution；Conc entration distribution

TH 232；TQ 022

A

1671-0460（2014）10-2175-03

2014-04-20

邢婷（1988-），女，吉林松原人，碩士，研究方向：化學(xué)工程領(lǐng)域。E-mail：xingtingok@126.com。

王曉寧（1972-），男，副教授。