梁凱 孫宏發(fā)

1 洲宇設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司西安分公司

2 湘潭大學(xué)土木工程學(xué)院

散料輸送系統(tǒng)如煤、水泥、礦料甚至糧食的輸送過程中會(huì)形成顆粒流平拋下落過程，對(duì)周圍空氣具有卷吸作用。隨著空氣的擾動(dòng)顆粒從料流核心區(qū)向外逸散，從而構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)主要產(chǎn)塵環(huán)節(jié)。散料轉(zhuǎn)運(yùn)裝卸過程的揚(yáng)塵對(duì)大氣PM10 的貢獻(xiàn)率達(dá)到近60%[1]。逸散的粉塵成為了工作場(chǎng)所空氣環(huán)境質(zhì)量惡化的污染源頭[2-3]，嚴(yán)重危害了工人的身體健康[4]，甚至存在粉塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)[5]。

散料轉(zhuǎn)運(yùn)裝卸過程中除塵裝置的排風(fēng)量也與其產(chǎn)生的卷吸空氣息息相關(guān)。上世紀(jì)60 年代，Hemeon首次提出了基于靜止空氣中僅受重力作用的單顆粒下降模型[6]。Tooker 在該模型中引入了新的參數(shù)[7]。Arnold[8]和Cooper 等人[9]發(fā)現(xiàn)料流核心區(qū)面積隨著下降高度的增加而減少，而邊界層的影響半徑隨著下降高度的增加而增加。Ogata[10]提出了在顆粒雷諾數(shù)Re＜500 時(shí)料流卷吸空氣模型。賈蘭[11]數(shù)值計(jì)算了小空間粉塵顆粒的擴(kuò)散規(guī)律和顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，為粉塵防治措施提供了必要的理論支撐與科學(xué)依據(jù)。

如上所述，已有研究主要針對(duì)顆粒源自由落體運(yùn)動(dòng)，尚缺乏對(duì)工業(yè)車間中顆粒源平拋運(yùn)動(dòng)的探討。作者以平拋過程為研究對(duì)象，分析顆粒速度和卷吸空氣流場(chǎng)變化特性。

1 材料與方法

1.1 下落模型簡(jiǎn)化

將顆粒流平拋下落模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體假設(shè)如下：1）顆粒物為單一粒徑的球形顆粒且密度遠(yuǎn)大于周圍空氣密度。2）在平拋下落過程中，顆粒流與周圍空氣之間存在相對(duì)滑移，將這種相互作用視為氣-固雙向耦合。3）周圍空氣為不可壓縮、連續(xù)性流體[12]。

1.2 物理模型及驗(yàn)證

1.2.1 物理模型

通過ICEM CFD 軟件建立一個(gè)尺寸為6 m(x)×6 m(y)×6 m(z)的空間。顆粒源尺寸為1 m×0.2 m 的面源。利用ICEM CFD 軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，物理模型見圖1。

圖1 物理模型

1.2.2 模擬邊界條件

根據(jù)工業(yè)散料轉(zhuǎn)運(yùn)過程中物料及運(yùn)動(dòng)特性選取模擬邊界條件，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 邊界條件

1.2.3 模型驗(yàn)證

選擇顆粒密度為2590 kg/m3粒徑為400 μm,300 μm 在靜止空氣中做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)豎直方向速度與Uchiyama[13]及單顆粒模型的豎直方向速度進(jìn)行對(duì)比。如圖2 所示，顆粒豎直方向速度變化規(guī)律為：首先急劇增大，其次速度增大趨勢(shì)變緩，最后基本保持勻速。這一變化規(guī)律在Ansart[14]的研究中也有提及。圖2 顯示數(shù)值計(jì)算結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果能較好保持一致，因此本計(jì)算模型有一定適用性。

圖2 顆粒豎直方向速度與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 卷吸空氣速度變化規(guī)律

如圖3 所示，隨著顆粒密度增大，不同高度剖面內(nèi)卷吸空氣最大速度逐漸減小。然而，密度從2590 kg/m3增大到5180 kg/m3卷吸空氣速度減小不明顯。以Z=2 m 高度為例，顆粒密度從1295 kg/m3增大到2590 kg/m3卷吸空氣速度由1.08 m/s1 減小到0.62 m/s。密度從2590 kg/m3增大到5180 kg/m3卷吸空氣速度由0.62 m/s 減小到0.55 m/s。

圖3 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒密度變化

如圖4 所示，隨著顆粒粒徑增大，不同高度剖面卷吸空氣最大速度略微減小。以Z=2 m 高度為例，顆粒粒徑從300 μm 增大到500 μm 卷吸空氣速度由0.69 m/s 減小到0.53 m/s。在相同質(zhì)量流量及密度情況下，顆粒物粒徑越小顆粒物總數(shù)量越多所帶動(dòng)的卷吸空氣量越大,從而，卷吸空氣速度也越大，這一結(jié)論也得到了文獻(xiàn)[13]很好的驗(yàn)證。

圖4 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒粒徑變化

如圖5 所示，隨著顆粒物初速度增大不同高度剖面卷吸空氣最大速度細(xì)微增大。以Z=2 m 高度為例，顆粒物初速度由2 m/s 增大到6 m/s，卷吸空氣最大速度由0.6 m/s 增大到0.68 m/s。顆粒物初速度越大所具有初動(dòng)能越大，運(yùn)動(dòng)過程中卷吸空氣能力越強(qiáng)。但是二者不成正比關(guān)系，初速度急劇增大情況下，卷吸空氣速度增大幅度有限。總體來說，顆粒物初速度對(duì)卷吸空氣速度影響較小。

圖5 不同下落高度卷吸空氣速度分布隨顆粒初速度變化

2.2 顆粒速度變化規(guī)律

由圖6 可知，顆粒平拋下落過程中顆粒速度變化規(guī)律大致可以分為三個(gè)階段。第一階段，以近似等于加速度g 加速下落。第二階段，以小于加速度g 加速下落。第三階段，以恒定速度勻速下落。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于，料流下落初始階段顆粒之間的空隙率很小，顆粒受空氣曳力很小基本處于自由落體過程，隨著下落過程顆粒之間的空隙率變大，所受空氣曳力增大，加速度減小，最終在顆粒所受空氣曳力與顆重力相等的情況下做勻速下落運(yùn)動(dòng)。顆粒物平拋出速度為2 m/s。密度為2590 kg/m3情況下，粒徑為500 μm 的顆粒最終沉降速度為4.1 m/s，粒徑為300 μm 的顆粒最終沉降速度為2.75 m/s。顆粒物平拋出速度為2 m/s 粒徑為400 μm 情況下，密度為5180 kg/m3的顆粒最終沉降速度為5.1 m/s，密度為1295 kg/m3的顆粒最終沉降速度為2.6 m/s1。顆粒物粒徑為400 μm 密度為2590 kg/m3情況下，平拋出速度為6 m/s 的顆粒最終沉降速度為3.6 m/s，平拋出速度為2 m/s 的顆粒最終沉降速度為3.4 m/s。

圖6 顆粒速度隨不同物性參數(shù)變化

3 結(jié)論

通過改變顆粒密度、粒徑、平拋初速度對(duì)料流平拋運(yùn)動(dòng)過程中顆粒速度和卷吸空氣特性影響進(jìn)行數(shù)值研究并與相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析得到以下結(jié)論：

1）顆粒密度對(duì)卷吸空氣影響最大，其次是粒徑，平拋初速度影響最小。以Z=2 m 高度為例，顆粒密度從1295 kg/m3增大到5180 kg/m3核心區(qū)最大卷吸空氣速度由1.08 m/s 減小到0.55 m/s。

2）料流平拋下落過程中顆粒速度變化規(guī)律大致可以分為三個(gè)階段。第一階段近似等于重力加速度g加速下落。第二階段小于加速度g 加速下落。第三階段以恒定速度勻速下落。其中，密度對(duì)顆粒物平拋運(yùn)動(dòng)最終沉降速度影響最大，其次是粒徑，平拋初速度影響最小。粒徑為500 μm 和300 μm 的顆粒最終沉降速度分別為4.1 m/s 和2.75 m/s。密度為5180 kg/m3和1295 kg/m3的顆粒最終沉降速度分別為5.1 m/s 和2.6 m/s。平拋出速度為6 m/s 和2 m/s 的顆粒最終沉降速度分別為3.6 m/s 和3.4 m/s。