摘 要 研究倒料管路內(nèi)稠相液體經(jīng)過(guò)射流攪拌后產(chǎn)生的絮狀顆粒團(tuán)在揚(yáng)液器作用下的倒料過(guò)程，并利用CFD?DPM模型分析了在不同管路流速下絮狀顆粒團(tuán)的流動(dòng)特性。結(jié)果表明：當(dāng)流場(chǎng)流速大于2.0 m/s時(shí)顆粒的聚集和分離比較劇烈，有利于形成均勻連續(xù)的流動(dòng)壁膜而不會(huì)產(chǎn)生局部堆積形成阻塞，為倒料泵的選型和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 管道輸送 絮狀顆粒 CFD?DPM耦合 數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) TQ055.8+1" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0059?08

管道運(yùn)輸作為工業(yè)中物料輸送的常用手段，因具有輸送效率較高、自動(dòng)化程度較高、經(jīng)濟(jì)成本較低等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在工程中得到了廣泛運(yùn)用，其中水力輸送固體顆粒的研究在近些年也得到了發(fā)展，形成了比較完整的理論體系[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外均面臨一些大型漿體貯槽檢修更換的問(wèn)題，其中漿體因長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)于貯槽內(nèi)，會(huì)在罐底部形成一層較厚的密實(shí)層，同時(shí)受限于貯槽本身的設(shè)計(jì)問(wèn)題，一部分貯槽難以開(kāi)封或打孔，這使得貯槽內(nèi)漿體較難倒出。面對(duì)這一情況，國(guó)內(nèi)外最典型的做法是利用射流泵對(duì)貯槽內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行攪拌沖擊，使得稠相層分散至罐內(nèi)，進(jìn)而進(jìn)行倒料作業(yè)[2～4]。

根據(jù)漩渦理論，在旋轉(zhuǎn)射流攪拌的作用下，漿體中會(huì)產(chǎn)生許多大大小小的渦旋，這些渦旋最終會(huì)破散分裂成微渦旋，成為流場(chǎng)能量損失的主要途徑之一。MAO Y等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于液體中存在固體顆粒，在各種尺寸渦旋的作用下，液體內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生各種結(jié)團(tuán)的、大小不一的絮狀顆粒團(tuán)[5，6]。在經(jīng)過(guò)與貯槽內(nèi)管壁或罐壁碰撞、流場(chǎng)漩渦等外力作用下，絮狀團(tuán)會(huì)逐漸分解或消失，但也會(huì)有少部分懸浮于漿體中，在載帶泵作用下吸入倒料管內(nèi)，并在長(zhǎng)直管段或彎頭處逐漸沉積，可能導(dǎo)致倒料管的局部阻塞。

而國(guó)內(nèi)外在研究管路阻塞時(shí)所參考的工況往往是顆粒數(shù)量大、粒徑大的情況。在這種情況下常采用CFD?DEM模型進(jìn)行模擬演算，蘧世豪等利用CFD?DEM研究多種非球形顆粒在泥漿管道運(yùn)輸中的阻塞情況，得出在流速適中的情況下，起始阻塞濃度與球形度之間為線性正相關(guān)[7]，與

密度比和管道截面收縮率之間為線性負(fù)相關(guān)。SUN H L等則利用CFD?DEM模型研究將重力作用和流場(chǎng)作用耦合之后對(duì)管道內(nèi)顆粒沉降的影響[8]。

由于目前針對(duì)絮狀團(tuán)在管道內(nèi)的研究較少，因此筆者結(jié)合工程實(shí)際背景，針對(duì)國(guó)內(nèi)某貯槽中廢液倒料輸送過(guò)程進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得出在漿體中存在少量絮狀顆粒，故分別從倒料管道內(nèi)局部區(qū)域顆粒通過(guò)和沉降情況、絮狀顆粒在管壁處堆積形成壁膜的厚度方面，利用CFD?DPM模型研究絮狀顆粒在管道內(nèi)的流動(dòng)特性和局部堆積情況，旨在通過(guò)數(shù)值模擬的方法得出廢液倒料輸送中多相流動(dòng)與沉降特性，為倒料泵的設(shè)計(jì)與選型提供理論依據(jù)。

1 模型及邊界條件設(shè)置

1.1 絮狀顆粒團(tuán)模型假設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配比和采樣情況得知，多數(shù)絮狀顆粒團(tuán)粒徑集中在300～720 μm，而總體粒徑涵蓋范圍在0.5～1 150 μm，全部絮狀顆粒團(tuán)含量約占稠相流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%，并根據(jù)某些特性分為5類(lèi)顆粒團(tuán)（表1），其中，顆粒密度為4 250 kg/m3。

由此筆者認(rèn)為該絮狀顆粒團(tuán)存在質(zhì)量較小、稠相中含量較低、平均粒徑較小但粒徑跨度較大等特點(diǎn)，為方便數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)絮狀顆粒團(tuán)提出如下假設(shè)：

a. 絮狀顆粒團(tuán)處理為近似球形顆粒，由于其含量較低、質(zhì)量較小且部分粒徑較小，因此認(rèn)為顆粒在管道中流動(dòng)僅受流場(chǎng)影響且不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較大影響;

b. 顆粒間由于質(zhì)量、含量和粒徑較小，因此從宏觀角度認(rèn)為顆粒團(tuán)間相互作用較小，且根據(jù)CFD?DPM模型中顆粒包的概念，可將模擬過(guò)程中

的顆粒團(tuán)視作研究的最小單元;

c. 絮狀顆粒團(tuán)在與管壁等固體壁面接觸后會(huì)附著于其表面，形成密度較大的壁膜，較長(zhǎng)時(shí)間后有可能會(huì)形成堆積，從而使管道發(fā)生阻塞現(xiàn)象，另外壁膜也會(huì)在流場(chǎng)剪切作用下破碎形成新的顆粒團(tuán)進(jìn)入流場(chǎng)。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 流場(chǎng)模型

目前，對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型多采用納維-斯托克斯方程（Navier?Stokes equations）來(lái)描述不可壓縮流體的動(dòng)量守恒，即：

+（[u][→]·▽）[u][→]=f-▽p+▽[u][→]（1）

式中 f——單位體積流體所受外力;

p——壓力;

u——流體流速;

μ——流體動(dòng)力粘度，通常為常數(shù);

ρ——流體密度。

連續(xù)性方程為：

++=0（2）

式中 u、v、w——流體流速u(mài)在x、y、z方向上的速度分量。

需要說(shuō)明，本課題不涉及能量衡算、組分運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)計(jì)算，因此未列出能量方程和組分運(yùn)輸方程。

離散相模型的計(jì)算基礎(chǔ)仍然是牛頓第二定律，主要研究連續(xù)相對(duì)離散相的作用力，顆粒相的運(yùn)動(dòng)方程可以在拉格朗日框架下根據(jù)牛頓第二定律得出，即：

1.2.2 顆粒碰撞模型

CFD?DPM模型計(jì)算兩顆粒碰撞出發(fā)點(diǎn)是研究計(jì)算區(qū)域內(nèi)顆粒碰撞概率而不是兩顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的重疊。其中定義大顆粒半徑為r，質(zhì)量為

m，小顆粒半徑為r，質(zhì)量為m，計(jì)算中將顆粒視作質(zhì)點(diǎn)，大顆粒所在位置作為參考坐標(biāo)系原點(diǎn)，則兩顆粒發(fā)生碰撞的軌道半徑為r+r，碰撞區(qū)域面積為π（r+r）2，當(dāng)小顆粒在計(jì)算網(wǎng)格VM內(nèi)均勻分布且以速度urel運(yùn)動(dòng)時(shí)，在單位時(shí)間步長(zhǎng)Δt內(nèi)與大顆粒的碰撞概率P為：

P=（5）

若碰撞區(qū)域內(nèi)含有n個(gè)大顆粒和n個(gè)小顆粒，則兩顆粒碰撞發(fā)生率的數(shù)學(xué)期望為：

n=（6）

根據(jù)O’Rourke的理論，碰撞次數(shù)的概率分布服從泊松分布：

P（n）=e-n（7）

其中，n為大顆粒與其他顆粒的碰撞數(shù)。

若流場(chǎng)內(nèi)兩顆粒發(fā)生碰撞，計(jì)算中定義發(fā)生正碰時(shí)結(jié)果傾向于顆粒合并，側(cè)碰時(shí)則傾向于反彈。根據(jù)下式可以計(jì)算顆粒碰撞的臨界值bcrit：

b=（r+r）（8）

其中，We為韋伯?dāng)?shù)，計(jì)算式如下：

We=（9）

式中 D——特征長(zhǎng)度;

σ——流體表面張力系數(shù)。

f為r/r的函數(shù)，定義為：

f

=

-2.4

+2.7

（10）

實(shí)際碰撞的參數(shù)b為：

b=（r+r）（11）

其中，Y為平均偏差。將計(jì)算結(jié)果b與b比較，若blt;b，碰撞結(jié)果為顆粒的合并，反之則發(fā)生側(cè)碰。在側(cè)碰情況下，碰撞后顆粒的速度u′由動(dòng)量和質(zhì)量守恒定律計(jì)算得到，計(jì)算式為：

u′=

（12）

1.3 物理模型

圖1為利用SolidWorks三維建模軟件完成的管道建模的示意圖。為分析討論流體內(nèi)絮狀顆粒團(tuán)的流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算中將管路分為4段，并且沿管程每間隔1 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)面，用來(lái)記錄通過(guò)該面的絮狀顆粒團(tuán)的顆粒流速、空間位置及通過(guò)時(shí)間等物理量，具體劃分方式見(jiàn)表2。

2 流場(chǎng)模擬計(jì)算

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

由于倒料管道模型相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算中利用Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Sweep方法搭建結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，只要對(duì)掃略初始面網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格加密，就可以起到整體網(wǎng)格加密的作用。文中網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為出口Outlet處平均流速與最大流速在不同網(wǎng)格數(shù)量下的變化情況，規(guī)定了管道進(jìn)口Inlet的流速u(mài)f=2.5 m/s，網(wǎng)格數(shù)量的變化通過(guò)控制進(jìn)口Inlet網(wǎng)格單元最大尺寸來(lái)表示，將進(jìn)口Inlet網(wǎng)格單元尺寸分別設(shè)置為3～19 mm，每隔2 mm取一次值，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。通過(guò)對(duì)比，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)量小于799 000個(gè)時(shí)，計(jì)算精度有明顯的下降趨勢(shì)，最終選用網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)為1 977 000，即網(wǎng)格單元尺寸為5 mm的網(wǎng)格模型作為CFD使用的網(wǎng)格模型。

2.2 邊界條件設(shè)置

流場(chǎng)模擬設(shè)置為單相流瞬態(tài)計(jì)算，湍流模型采用Realizable k?epsilon模型，設(shè)置速度進(jìn)口為1～3 m/s，每隔0.5 m/s設(shè)置一組，出口處為常壓。管壁處設(shè)置為Wall?film，用來(lái)捕獲與管壁接觸的顆粒包形成壁膜，其余均設(shè)置為Escape方便顆粒入射和流出，通過(guò)研究各個(gè)監(jiān)測(cè)面上通過(guò)顆粒包的空間位置、流動(dòng)速度、壁膜厚度及質(zhì)量等物理量來(lái)分析在不同流速下入射顆粒團(tuán)在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，模擬計(jì)算時(shí)取流場(chǎng)密度為2 090 kg/m3，粘度為0.04 Pa·s，操作壓力為82 810 Pa，模擬實(shí)際時(shí)長(zhǎng)為30 s，具體流場(chǎng)參數(shù)見(jiàn)表3。

2.3 入射顆粒團(tuán)設(shè)置及計(jì)算

CFD?DPM模型能夠模擬并記錄同一顆粒在入射面的不同位置、以不同角度入射時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，因此，能等效代替實(shí)際流場(chǎng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)模擬計(jì)算的目的。開(kāi)啟DPM模型中的耦合選項(xiàng)，激活選項(xiàng)Stochastic Collision、Coalescence、Breakup，模擬壁膜成膜和顆粒在流場(chǎng)中的破碎和聚集情況。入射顆粒團(tuán)設(shè)置主要包括入射面、流場(chǎng)流速及顆粒流量等物理量，并開(kāi)啟Rosin?Rammler分布模型和湍流隨機(jī)游走模型。其中，Rosin?Rammler分布模型通常用來(lái)描述液滴等顆粒類(lèi)型的粒徑分布，具體表達(dá)式為：

Y=e（13）

其中，d為該顆粒粒徑;Y為超過(guò)顆粒粒徑的質(zhì)量分?jǐn)?shù);τ為分布系數(shù);d為特征粒徑，當(dāng)d=d時(shí)，Y=e-1≈0.368。

經(jīng)計(jì)算，入射顆粒團(tuán)特征粒徑d=545.073 μm，分布系數(shù)τ=1.692，經(jīng)由Inlet面共注入流場(chǎng)17 950個(gè)顆粒包，顆粒粒徑實(shí)際數(shù)據(jù)與Rosin?Rammler分布數(shù)據(jù)擬合如圖3所示，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 管道內(nèi)各監(jiān)測(cè)面處顆粒團(tuán)堆積情況分析

根據(jù)表4可知，在不同流場(chǎng)流速下進(jìn)入管道內(nèi)顆粒的質(zhì)量流量會(huì)隨著流場(chǎng)流速的增大而增大，同時(shí)由于管道內(nèi)流場(chǎng)對(duì)顆粒的剪切作用，顆粒在流場(chǎng)內(nèi)存在匯聚成膜和破碎分離的現(xiàn)象，局部區(qū)域內(nèi)容易產(chǎn)生堆積，因此需要分析各個(gè)監(jiān)測(cè)面處顆粒質(zhì)量、顆粒包數(shù)量的變化情況。

圖4反映了不同流速下倒料管道內(nèi)各類(lèi)顆粒質(zhì)量變化情況。在CFD?DPM模型中，會(huì)將具有相似物理參數(shù)的顆粒打包形成顆粒包，進(jìn)行模擬演算從而降低計(jì)算成本，顆粒包質(zhì)量和數(shù)量的變化即可反映流場(chǎng)內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)圖4a所示，在任意進(jìn)口流速的情況下，管內(nèi)不同顆粒類(lèi)型間均會(huì)出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量交換，具體表現(xiàn)為粒徑較小的顆粒質(zhì)量下降，粒徑較大的顆粒質(zhì)量上升，并且這一現(xiàn)象將會(huì)隨著進(jìn)口流速的增加而加劇。隨著流速的增加，粒徑較小的顆粒如D0、D1的質(zhì)量下降趨勢(shì)明顯，D2類(lèi)顆粒質(zhì)量隨著流場(chǎng)流速的增加而逐漸變大，D3類(lèi)顆粒質(zhì)量相對(duì)比較穩(wěn)定，無(wú)較大的變化，而D4類(lèi)顆粒質(zhì)量則隨著流場(chǎng)流速的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。而圖4b表示的是倒料管道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)30 s后數(shù)量的變化率，小粒徑顆粒D0的數(shù)量改變較為明顯，D1、D2類(lèi)顆粒數(shù)量隨流場(chǎng)流速的增加相對(duì)比較穩(wěn)定，D3類(lèi)顆粒數(shù)量則在流場(chǎng)流速大于1.5 m/s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)流速增大時(shí)變化較為明顯，而D4類(lèi)顆粒數(shù)量則有明顯的下降趨勢(shì)，隨著流場(chǎng)流速的增加，顆粒數(shù)量不斷減少。綜上可以判斷，當(dāng)流速小于2.0 m/s時(shí)，流場(chǎng)對(duì)顆粒的作用主要以匯聚為主，會(huì)使得小粒徑顆粒偏離特征粒徑越大的顆粒受到流場(chǎng)作用影響越為明顯，小粒徑顆粒的數(shù)量和質(zhì)量明顯下降而匯聚成的大粒徑顆粒則表現(xiàn)為數(shù)量與質(zhì)量的上升，此時(shí)有可能會(huì)產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，而流速大于2.0 m/s時(shí)，流場(chǎng)對(duì)顆粒的剪切作用明顯增加，大粒徑顆粒的數(shù)量和質(zhì)量明顯下降，整體上則表現(xiàn)為破碎，且隨著流場(chǎng)流速的增加顆粒的匯聚與破碎更加強(qiáng)烈，最終顆粒粒徑會(huì)趨近于特征粒徑d。

圖5反映的是各監(jiān)測(cè)面處通過(guò)顆粒包數(shù)量占總數(shù)量的比例，可看到在不同流場(chǎng)流速下，監(jiān)測(cè)面1處通過(guò)的顆粒包數(shù)量占總數(shù)量的55%左右，說(shuō)明有將近半數(shù)的顆粒包在通過(guò)Inlet至監(jiān)測(cè)面1的過(guò)程中被管壁捕集形成壁膜。隨著流場(chǎng)流速的增加，通過(guò)同一監(jiān)測(cè)面的顆粒包數(shù)量占比也隨之增加，說(shuō)明顆粒的流動(dòng)性得到加強(qiáng)。而管路內(nèi)彎頭的存在則會(huì)明顯改變顆粒的流動(dòng)性，如圖5中曲線斜率在彎頭a處即監(jiān)測(cè)面4～6有明顯的改變，流速越大，顆粒的粒徑越大，彎頭對(duì)顆粒的影響越明顯，越容易使顆粒在此處發(fā)生沉降。

圖6反映的是各監(jiān)測(cè)面間管段流場(chǎng)內(nèi)顆粒沉降情況，可以看到在Inlet至監(jiān)測(cè)面1間管段、監(jiān)測(cè)面5～6間管段、監(jiān)測(cè)面8～9間管段、監(jiān)測(cè)面14～15間管段顆粒的沉降率相比其他管段有明顯的上升，其中根據(jù)圖5可知，監(jiān)測(cè)面14～15間管段沉降率高主要是由于此管段顆粒包數(shù)量較少，因此少量顆粒包沉降就使得沉降率變化比較明顯;監(jiān)測(cè)面5～6間管段和監(jiān)測(cè)面8～9間管段的沉降率明顯高于兩側(cè)其余管段，這兩段管段均位于彎頭后半段，此處流場(chǎng)流速分布不均勻，會(huì)在徑向產(chǎn)生局部壓差，促使顆粒沉積;Inlet至監(jiān)測(cè)面1間管段沉降率較大在上文已有解釋，為節(jié)省篇幅此處不再贅述。因此，在分析壁膜時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮Inlet至監(jiān)測(cè)面1間管段及兩個(gè)彎頭處的壁膜成膜情況。

3.2 管道內(nèi)各監(jiān)測(cè)面處壁膜堆積情況分析

絮狀顆粒在發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)改變絮狀體的孔隙率從而發(fā)生形變，這時(shí)絮狀體可能會(huì)脫落形成一種具有一定流動(dòng)性的壁膜，該壁膜通常生長(zhǎng)于近壁面處，其流動(dòng)特性決定了管路內(nèi)是否會(huì)在局部區(qū)域發(fā)生阻塞。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算后統(tǒng)計(jì)實(shí)際流場(chǎng)中注入一波顆粒團(tuán)，30 s后各監(jiān)測(cè)面位置形成壁膜的厚度和流速，分析管道內(nèi)絮狀顆粒團(tuán)在沉降之后的成膜情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示。對(duì)比圖7a、b可知，管壁處壁膜厚度隨管路沿程總體上呈下降趨勢(shì)，主要成型于管路A段，彎頭a、b處也存在壁膜堆積情況，在監(jiān)測(cè)面10之后基本無(wú)壁膜形成。且當(dāng)管內(nèi)流速上升時(shí)，壁面壁膜的厚度也隨之增加，這主要是因?yàn)殡S著流體流速的上升，顆粒的質(zhì)量流量也隨之增大，有更多的絮狀顆粒進(jìn)入倒料管路并被管壁捕獲形成壁膜。

當(dāng)顆粒沿管程流動(dòng)到彎頭a處則會(huì)有明顯的沉降堆積，流場(chǎng)流速大于2.0 m/s時(shí)，監(jiān)測(cè)面5處壁膜厚度明顯高于其兩側(cè)其余監(jiān)測(cè)面，流場(chǎng)流速為3.0 m/s時(shí)尤為突出，而流場(chǎng)流速低于2.0 m/s時(shí)監(jiān)測(cè)面5處壁膜厚度則沒(méi)有明顯增大。主要原因是隨著流場(chǎng)流速的增加，監(jiān)測(cè)面5處彎頭內(nèi)側(cè)流速與外側(cè)流速之差逐漸增大，兩端形成的局部壓差也隨之增大。

根據(jù)圖7可以確定，在流速小于2.0 m/s時(shí)壁膜流動(dòng)性較差，但沿管線方向壁膜相對(duì)穩(wěn)定，隨著流場(chǎng)流速的增加，壁膜的厚度和流速均有明顯的上升趨勢(shì)，管壁上壁膜流動(dòng)性相對(duì)提高，但沿管線方向壁膜厚度和速度波動(dòng)較大。這主要是因?yàn)榱鲌?chǎng)流速增加的同時(shí)管道內(nèi)流場(chǎng)從過(guò)度流狀態(tài)轉(zhuǎn)為湍流狀態(tài)，使得流體的剪切作用明顯變大，壁膜的厚度和流速波動(dòng)也隨之增大，壁膜的破碎和聚集更加明顯，最終會(huì)在管路A～B段形成比較穩(wěn)定、均勻、連續(xù)的壁膜層。

文中研究泥漿相顆粒的質(zhì)量占泥漿相質(zhì)量比重為5%，體積占比則在2.41%，因此研究其沉降模型時(shí)可以忽略因顆粒碰撞而產(chǎn)生的力的作用，基于自由沉降對(duì)本研究中沉降模型進(jìn)行處理，則顆粒在流場(chǎng)中的臨界沉積速度u為[9]：

u=1.74Ψ（14）

Ψ=（15）

式中 μ——顆粒的有效粘度，Pa·s;

ρ——顆粒密度;

Ψ——考慮液態(tài)顆粒運(yùn)動(dòng)中形變的修正系數(shù)。

文中認(rèn)為壁膜內(nèi)顆粒流速小于臨界沉積速度時(shí)會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生沉積阻塞，根據(jù)式（14）、（15）計(jì)算得出泥漿相顆粒的臨界沉積速度為0.155 m/s，分析壁膜內(nèi)發(fā)生沉積阻塞的顆粒質(zhì)量與數(shù)量（表5）。

由表5可知，當(dāng)流場(chǎng)流速小于2.0 m/s時(shí)，壁膜內(nèi)可能發(fā)生沉積阻塞的顆粒占比較大，結(jié)合3.1節(jié)中的分析可知，當(dāng)流場(chǎng)流速大于2.0 m/s時(shí)倒料管道內(nèi)不易發(fā)生沉積阻塞。

4 結(jié)論

4.1 隨著流場(chǎng)流速的增加，壁膜厚度有明顯的上升，流動(dòng)性隨之提高，且顆粒的聚集和分離現(xiàn)象愈發(fā)劇烈，有利于形成均勻連續(xù)的流動(dòng)壁膜而不會(huì)產(chǎn)生局部堆積形成阻塞。為了使管道內(nèi)顆粒有較好的運(yùn)動(dòng)能力，不在局部區(qū)域內(nèi)過(guò)多沉積，且保證沉降層的連續(xù)性和流動(dòng)性、提高倒料效率、增強(qiáng)管道內(nèi)流場(chǎng)的剪切作用使得管道內(nèi)不發(fā)生阻塞現(xiàn)象，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析確定倒料管A內(nèi)流速應(yīng)大于2.0 m/s。

4.2 模擬計(jì)算過(guò)程中注意到，在倒料管進(jìn)口處上方及彎頭a、b處顆粒沉降率相較于其余管段明顯較大，同時(shí)管道存在多個(gè)彎頭及長(zhǎng)直管段，因此在倒料過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意這幾個(gè)位置處的壁膜堆積情況，必要時(shí)可以在前期射流攪拌過(guò)程中加入更多清液進(jìn)行攪拌，從而降低流體密度和粘度，減少進(jìn)入倒料管路絮狀顆粒團(tuán)的質(zhì)量，避免管路阻塞情況的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 韓文亮.漿體管道輸送的發(fā)展及輸送的工藝設(shè)計(jì)[C]//黃禮富.2006年全國(guó)金屬礦節(jié)約資源及高效選礦加工利用學(xué)術(shù)研討與技術(shù)成果交流會(huì)論文集.西寧：《金屬礦山》雜志社，2006：85-88.

[2] 鮑芳.高放廢液貯槽倒料和退役技術(shù)[C]//中國(guó)核學(xué)會(huì)核化工分會(huì).中國(guó)核學(xué)會(huì)核化工分會(huì)成立三十周年慶祝大會(huì)暨全國(guó)核化工學(xué)術(shù)交流年會(huì)會(huì)議論文集.北京：中國(guó)核學(xué)會(huì)，2010：297-311.

[3] 劉延彰，張燕春，吳偉，等.高放廢液倒出技術(shù)可行性分析[C]//中國(guó)核化工放射性廢物處理處置專業(yè)委員會(huì).放射性廢物處理處置學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.廈門(mén)：中國(guó)核學(xué)會(huì)，2007：65-75.

[4] 李昕.中放廢液貯罐退役工藝方案設(shè)計(jì)[D].衡陽(yáng)：南華大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，2019.

[5]" MAO Y，CHANG Q，ZENG L，et al.Velocity Field Structure and Flocculation Efficiency in Taylor?Couette Flow[J].Separation Science and Technology，2013，48（4）：659-663.

[6]" "STONE M，KRISHNAPPAN B G.Fractal Dimensions of Cohesive Sediment during Settling in Steady Stat[J].Canadian Journal of Civil Engineering，2005，32（4）：658-664.

[7] 蘧世豪，丁旺，薛雷平.利用CFD?DEM研究顆粒形狀對(duì)漿體管道輸運(yùn)過(guò)程中阻塞問(wèn)題的影響[J].水動(dòng)力研究與進(jìn)展，2021，36（4）：499-506.

[8] SUN H L，XU S L，PAN X D，et al.Investigating the Jamming of Particles in a Three?dimensional Fluid?driven Flow via Coupled CFD?DEM Simulations[J].International Journal of Multiphase Flow，2019，114：140-153.

[9] 張爽.基于數(shù)值模擬的新型波紋板聚結(jié)器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].大慶：東北石油大學(xué)，2021.

（收稿日期：2022-03-30，修回日期：2023-02-01）

Study on the Flow Characteristics of Flocculent Particles

in Pouring Pipeline Based on the CFD?DPM Model

ZHANG Yu?ming， WANG Xiao?jing

（School of Chemical Engineering， Tianjin University）

Abstract" "In this paper， the pouring process of flocculent particles produced by the thick phase liquid after being stirred by jets in pipeline under the action of liquid lifter was discussed and CFD?DPM model was used to analyze flow characteristics of the flocculent particles under different pipeline flow rates. The results show that， when the flow velocity is above 2.0 m/s， both aggregation and separation of particles becomes more severe， which is conducive to the formation of a uniform and continuous flowing wall film free from local accumulation and blockage. It provides a theoretical basis for selection and optimization of the liquid lifter.

Key words" " numerical simulation， flocculent particle， CFD?DPM coupling， numerical simulation

作者簡(jiǎn)介：張彧銘（1996-），碩士研究生，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值計(jì)算研究工作。

通訊作者：王曉靜（1963-），教授，從事化工機(jī)械設(shè)備、干燥及造粒技術(shù)等研究工作，d20153582@163.com。

引用本文：張彧銘，王曉靜.基于CFD?DPM模型研究絮狀顆粒團(tuán)在倒料管道內(nèi)的流動(dòng)特性[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：59-66.