气力输送系统管道系统

第一章 绪 论

1.1本课题研究的目的、用途及意义

气力输送系统广泛应用于原料的输送、除尘等。由于所输送的物料，如筛分

车间输送的固体颗粒及烟尘等，具有密度大、硬度高、尖锐角突出等特点，加之

输送介质速度高，气力输送管道尤其是管道弯头的磨损情况十分严重，已经影响

到工业生产的连续性和生产安全。气固两相流关键部位的磨损问题的解决对节约

原料有重大意义，是节能降耗的有力体现。

气力输送系统管道不仅应用范围广泛， 而且应用效果也非常显著。 本课题

在传统的气力输送的基础上对阀件关键部位的管道与普通管道做了比较，并对其

进行了优化设计，在这同时借用Fluent 软件工具来模拟气力输送的管道系统，通

过一些条件的设立得到结果，并将不同条件下的结果进行对比，来分析气力输送

中存在的流动的不稳定因素、造成堵塞的机理以及减少磨损的方法。

本文中提出的是气力输送变截面管道， 通过参考书及其文献指导建立了管道

的模型，并应用fluent 软件得出了速度、压力等一些实验数据，其结果与实际数

据的拟合程度有待进一步通过限制模型的假设条件来提高（因为我们在运用软件

时设置的参数与现实环境还是有不一样的地方），这与运用数学对现实问题进行建

模很有相似性，它们都有解决问题前的假设条件。

1.2 课题背景

随着我国电力工业的飞速发展，不断地兴建大型火力发电厂，电厂的三废排

放问题也越来越突出，就拿粉煤灰的排放来说，一个总装容量100万千瓦的电厂，

每小时要排放120吨左右的粉煤灰，而年排放量达到85万吨。过去对粉煤灰的排

放一般采用水冲灰排放方式，这不仅消耗大量的水资源、资金，而且增加环境污

染，并且占用了大量的堆灰土地。随着电厂的不断兴建和大型化，这些问题越来

越突出。若气力输送成为电厂的主要输灰系统，基本上不需要用水，就不会像水

力除灰系统那样对环境和水质造成污染，并可保证灰在输送过程中不会发生化学

变化，保持灰的原有特性，有利于灰渣综合利用。近几年来过内外科技工作者对

气力输送系统的研究有了很大的发展，并把它应用在各种传送机器中，其中不乏

有米厂、电厂从各种优化方案中综合考虑经济环境经济因素用到气力输送传动。

因此气力输送技术课题的研究有着广泛的工程实际需要和重要的理论、实践及经

济意义，具有广阔的发展前景。

1.3气力输送研究的发展

1.3.1国外的发展

最早使用空气输送固体或液体的尝试始于19世纪初期。1810年，Medhttrst

首先提出了邮件气力输送的方案。1824年，Vallance 建立了最早的气力输送实验

装置。1861年，Rammell 建成了第一条筒式气力输送系统。但气力输送用于成件

货物的输送则开始于19世纪60年代中期。1866年，气力输送技术正式用来输送

棉花和砂等散装物料。最初，气力输送仅仅用于码头上的装卸。限于当时的工艺

技术水平，气力输送技术在很长的一段时间内几乎没有多大发展。直到1891年，

英国密尔沃尔公司的工程师F ．E ．Dockham 对气力输送系统进行了大量的改造，

发明了可连续排出物料的负压输送装置，气力输送技术才得到了极大的发展。这

种负压气力输送装置特别受到粮食输入国，如英国、荷兰、德国等国家的重视，

负压气力输送也得N-f 较大程度的普及。20世纪初气力输送装置开始用于车间内

部的物料输送。此后，正压气力输送装置的研究也取得了较大的发展，到30年代

左右在车间内部已被广泛使用。20世纪70年代，日本学者久保辉一郎、水渡英，

对粉体的力学特性和运动理沦进行了研究。仁漳其贞用流体力学和固体摩擦理论

的方法，建立管道颗粒流动的运动模型。研究流场中单颗粒或有着相互作用的多

颖粒运动，以及考察含有颖粒的流场本身可用来推测流场中有关的流动信息，如

探讨作用在颗粒上的合力和通过对流场平均得到的流变性质等。

1.3.2国内的发展

气力输送技术在我国起步较晚，20世纪50年代末才开始有所研究，60年代

以后，仓泵正压气力输送技术开始在国内得到应用，进入80年代，许多电厂相继

引进了各种类型的除尘设备及相关技术。之后，气力输送相继在水泥、冶金、烟

草等行业得到了推广和应用。1978年，中国科学院化工冶金研究的李洪钟，就垂

直气力输送压强降计算方法进行了深入地研究阴。1980年，华东化工学院的杨伦

对脉冲气刀式栓流密相气力输送进行了研究。1990年上海海运学院的余达银等对

气力输送进行的优化设计，1992年，余洲生又对长距离水平输送进行了有益的探

讨。1996年，清华大学的魏飞等就气固并行系统中弥散颗粒混合行为进行了系统

的研究。1998年，陈利东等对浓相气力输送的流型及稳定性判定进行了实验研究，

提出了一种检测流型稳定性的方法。固体的气力输送代表了十九世纪工业的巨大

革新之一经过一个多世纪的发展，目前，各种装置形式越来越多，己有制造成套

气力输送装置的工厂，仅在美国，据不完全统计，这类工厂就有30多家。

1.4 气力输送系统分类与特点

1.4.1气力输送系统分类

气力输送系统的分类方法有很多，如按照料气比分类、按照料气两相流体力

学特征分类、按照料气两相运动特征分类、按照装置特征分类等。主要分类有以

下两种:根据输送装置分类，其依据来自输送管道中空气压力状态:另一种是物料

在管道中的流动状态分类，其依据相图、输送管道中气固流动状态、单位时间的

输送量及料气比。

(1).按输送装置特征, 气力输送可以分为负压式、正压式及混合式三种。

(a)负压输送

负压输送系统是以输送系统末端的引风装置运转时形成负压与外界压力差为

动力的。由于压力差的存在，外界空气被吸入管道，同时物料随空气的运动而被

带入管道。到达终点后，物料从空气中被分离出来并收集，空气则经净化后排入

大气或循环使用。负压输送系统多用于集中式输送，即多点向一点输送，如车间

除尘、粮食入仓等。负压输送的优点在于能有效的收集物料，物料不会进入大气，

这对于有毒物料的气力输送尤其重要，但由于真空度的影响，其输送距离受到一

定限制，一般系统压力降的限度是O ．044MPaf71。

(b)正压输送

正压输送是最早使用的气力输送系统，也是气力输送的最基本形式。正压输

送是利用系统起点的风机向输送管道内通入压缩空气，利用管道起点与终点的压

力差，使空气在管道内流动，并带动物料运动的。正压输送系统中，物料由供料

装置送入输送系统，在输送终点，物料与空气分离。与负压气力输送系统相比，

正压输送系统的输送距离较长。正压输送系统适于分散输送，即一点向多点输送，

在输送管线中，物料可在任意卸料点依靠物料的重力与输送介质实现分离。

(c)混和输送系统

混和输送系统是在同一输送系统中将正压输送系统和负压输送系统联用的一

种输送系统。混和输送系统结合了正压和负压输送系统的特点，因而可用于复杂

的输送条件。

(2) 按照料气比，气力输送系统又可以分为稀相气力输送、浓相动压气力输

送、浓相静压气力输送和筒式气力输送。

(a)稀相气力输送

稀相气力输送的特点在于输送系统内气流速度高，物料呈悬浮状态，空隙率

大。物料的输送主要依靠气流速度的动能。稀相气力输送采用的速度通常为12～

40m ／s ，料气质量比一般为1～5，最大不超过15。

(b)浓相动压气力输送

浓相动压气力输送的气流速度一般在8～15m ／s 之间。浓相动压输送中物料

在管内呈密集状态分布，依靠空气的动能来输送。这类气送装置有：高压压送、

高真空吸送和流态化输送。浓相动压输送的料气比变化范围很大，高压压送与高

真空吸送的料气比大致在15～50之间，流动状态呈脉动集团流；而对于易充气的

粉料，料气比高达200以上，呈流态化输送。

(c)浓相静压气力输送

浓相静压气力输送中物料密集而栓塞管道，依靠气流的静压来推送物料。浓

相静压气力输送可分为柱流和栓流两种：柱流气力输送：密集物料连续地充塞管

道内而形成料柱，料柱运动速度低，一般为0．2--一2m ／s ，柱流气力输送仅适

用于短距离输送。栓流气力输送：人为地把料柱预先切割成较短的料柱，输送时，

气栓与料栓相间分开。栓流气力输送适用于中距离输送。

(d)筒式气力输送

筒式气力输送是预先将需要输送的物料装入传输筒或筒车内，利用空气的静

压使传输筒或筒车在管道内滑行的输送方法，适用于既难于悬浮，而又无法成栓

的成件货物的输送，如火车上单据、文件的输送，邮局中信件的输送等。

1.4.2气力输送的特点

（1）优点

由于气力输送的输送介质(一般为空气) 在多数情况下到终点后即排入大气，

没有回程，因此与其它输送技术相比具有以下优点：

(a)管道路线灵活，占地面积最小。可根据空间条件合理设计管道路线布局，

不受场地和空间限制；

(b)不污染环境，也不受环境污染。由于被输送物料全部通过管道输送，与外

界隔离，因此不会对外界环境造成污染，尤其是负压输送系统；物料不受环境的

影响，特别是对于化学不稳定物料，可采用惰性气体作为输送介质实现物料的气

力输送；

(c)输送效率和自动化程度高。由于输送系统中没有机械传动环节，因此不需

要专人操作；

(d)可输送距离长。可以通过分级输送或采用混和输送的方法延长管道输送距

离；

(e)输送过程中可以通过定量分流来实现各工艺过程直接的衔接。

（2）缺点

(a)与其他散状固体物料输送设备相比，气力输送系统动力消耗较大，特

别是稀相气力输送系统。

(b)使用受到限制。气力输送系统只能用于输送干燥、无磨琢性、有时还需要

能自由流动的物料。如果成品不允许破碎，则脆性的、易于碎裂的物料不宜采用

稀相气力输送。除非是特殊设计，否则易吸潮、结块的物料也不宜采用气力输送

系统。易氧化的物料不宜用空气输送，但可以采用带有气体循环返回的惰性气体

来代替空气；

(c)输送距离受到限制。至目前为止，气力输送系统只能用于比较短的输送距

离，一般小于3000m ，对较粘的物料则更短，例如炭黑，目前其输送距离在2000m

以内；

(d)物料特性如堆积密度、粒度、粒子强度、休止角、磨琢性等的微小变化，

都能造成操作上的困难；

(e) 易磨损、易堵塞、高能耗。

1.5堵塞现象及对策

管道中物料的流动状态实际上复杂多变，物料颗粒有时会从气流中分离出来，

或者沉降在管底形成料团；或者黏附于管壁上并逐渐增厚。一旦在某个局部管段

堆积的料团发展到充塞于整个管道戴向．而又滞留不动时，就会导致输送过程完

全停止。这种现象，我们称为“堵塞”。

在输送过程中经常会出现管道堵塞现象，这给浓相气力输送的应用带来了诸

多不便, 其原因主要有：系统参数设定的影响、气源的影响、被输送介质的影响、

管道泄漏的影响、其它方面影响（如管道设计不合理等）。

为了防止堵管，要充分考虑各种因素对输送性能的影响，保证输送系统的最

佳工作参数；输送气体做到清洁、干燥；定时清理输送装置和管道，定期进行管

道的修理，防止发生渗漏等。一旦发现堵管现象可立即采用“反抽”的方法进行

排堵。

第二章 气力输送过程中的磨损问题

2.1磨损的定义

磨损是指材料在使用过程中，由于表面受固体、液体或气体的机械作用而引

起材料的脱离或转移而造成的损耗，但对于磨损的具体定义，目前还没有定论，

不同机构对磨损的定义不剧：

（1）英国机械工程师协会把磨损定义为“由于机械作用而造成的物体表面材

料的逐渐损耗。

（2）前苏联克拉盖尔斯基认为磨损是“由于摩擦结合力的反复扰动而造成的

材料破坏。

（3）美国材料试验学会(ASTM)标准关于磨损的定义是“由于物体表面且相

接触的物质问的相对运动造成的物体表面的损伤，还常有材料的逐渐损失。

（4）1979年修订的Din50320将磨损定义为“磨损是一个物体由于机械的原

因，即与另一个固体的、液体的或气体的配对件发生接触和相对运动，而造成的

表面材料不断损失的过程。

2.2磨损的分类

磨损是一个极为复杂的过程，其研究工作相对于摩擦要晚，20世纪50年代初

期才开始在工业发达国家有“黏着磨损”理论的研究。20世纪60年代以后，由于

分析测试手段(如电子显微镜、光谱仪、能谱仪、俄歇谱仪、电子衍射仪等) 的迅猛

发展和放射性同位素示踪技术、铁谱技术的大量应用，磨损研究在磨损力学、机

理、失效分析等方面有了迅速发展。磨损的分类根据不同标准可有不同的分类方

法，如按机制、按表面接触性质、按环境和介质划分等。从磨损的机制来分，磨

损可分为黏着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损。

（1）黏着磨损。黏着磨损是在法向加载下，两个相对滑动的表面在摩擦力的

作用下，表面发生破裂，分子力的作用使两个表面发生焊合，强度较高的材料表

面黏附对摩件的金属。黏着磨损一般可分为磨合阶段、稳定磨损阶段和加速磨损

阶段。

（2）磨料磨损。磨料磨损是由于硬颗粒或突起物在与摩擦副表面的相互接触

过程中，使材料产生迁移的现象。磨料磨损一般由多种磨损机理引起，而且随着

磨损条件的变化，会从一种磨损机理转变为另一种磨损机理。

（3）腐蚀磨损。腐蚀磨损是一种考虑环境介质因素的磨损过程，它是材料受

腐蚀和磨损综合作用的一种复杂磨损过程。

（4）疲劳磨损。疲劳磨损主要发生在承受周期性的接触载荷或交变应力的零

件表面上。疲劳磨损是两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力

超过材料的疲劳强度时，在表面层引发裂纹，并逐步扩展，最后使裂纹以上的材

料断裂剥落下来的过程。

（5）微动磨损。由于机械振动引起的紧密配合的零件接触表面间产生的小幅

的相对振动而产生的微动磨损。

（6）冲蚀磨损。冲蚀磨损是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出

现破坏的一类磨损现象。这类磨损通常是由于流体或固体颗粒以一定速度和角度

对材料表面进行冲击所造成的。冲蚀磨损所研究的松散颗粒一般小于1000p,m ，冲

击速度在550m ／s 以内。磨损是一种普遍存在的现象，凡两个物体相互接触并有

相对运动的表面都会发生磨损，磨损造成的危害和损失是十分惊人的。统计数据

显示：美国每年因磨损造成的经济损失占其国民生产总值的4％；我国每年因摩擦

磨损造成的经济损失在1000亿人民币以上。现今世界能源消耗的l ／3～1／2是因

为摩擦和磨损造成的。从材料消耗的角度来说，约80％的机械设备失效是由磨损

引起的。

2.3冲蚀磨损

我国有关部门的统计结果表明，仅在冶金矿山、建材、电力、煤炭和农机等5

个行业中，因设备构件与沙土、矿石、水泥、煤炭等物料接触导致的磨损所消耗

的金属材料达300万t 以上，磨损占生产成本相当大的比例，如矿山在碎矿、磨矿

过程中所消耗的耐磨材料占其选矿成本的一半。张嗣伟教授在2004年我国工程院

与国家自然科学基金委联合召开的“摩擦学科与工程前沿研讨会”上指出，中国

每年由于摩擦、磨损损失584．7亿元，而2003年全国工矿企业在此方面的节约

潜能约400亿元。气力输送系统中管道的磨损是一种典型的冲蚀磨损，管线中的

构件，特别是异型构件(如弯头、三通、变径管等) 的冲蚀磨损是引起系统失效的主

要原因之一，弯头的磨损可高于直管的50倍。冲蚀磨损己经成为许多零件和设备

材料破坏的原因之一，如空气中的尘埃和砂粒如果浸入直升机发动机内，可降低

其寿命的90％；火力发电厂粉煤灰锅炉燃烧的尾气对换热器管路的冲蚀而造成破

坏大致占管路破坏的1／3，其最小寿命只有16000h ；炼铁高炉返矿气力输送管道

寿命有时仅有3个月；风机因冲蚀磨损而导致的停机停产在冶金行业中占风机故

障的一半以上。

根据介质不同冲蚀磨损可分为两大类：气液喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。

流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料

表面，有的则在表面上溃灭(气泡) ，从而对材料表面施加机械力。如果按流动介质

及第二相排列组合，则可把冲蚀磨损分为四种类型。表1．2是冲蚀磨损分类及实

例。表1-2冲蚀磨损分类及实例

2.4气力输送磨损机理及其影响因素

2.4.1冲蚀磨损机理的研究现状

关于冲蚀磨损的研究，最早可以追溯到19世纪初。早在1807年，Y oung 就曾

著文讨论了喷砂问题。最早在冲蚀磨损理论方面取得成果的是Finnietl 71，他在

1958年提出了第一个冲蚀理论—微观切削理论，并提出了体积冲蚀率与入射角、

粒子速度、靶材流出应力的关系式。此后，研究者相继提出了多种冲蚀磨损理论

和模型对材料的冲蚀行为进行解释。但到目前为止，还没有一种理论或模型能够

全面的解释不同材料的冲蚀问题。在现有的冲蚀理论中，较为研究者广泛认同的

有塑性材料的微观切削理论、变形磨损理论、冲蚀脱层理论、锻造挤压理论、脆

性材料的弹塑性压痕破裂理论以及二次冲蚀理论。其中介绍单点冲蚀的切削模型

如下：

Hutchingsll91用高速摄影法观察单个球形粒子及立方粒子以30。攻角冲击金

属表面的情况，根据实验结果提出犁削和两种切削模型，见图2-1。

图2-1几种典型冲蚀坑侧切面示意图

Hutchings 只做了低攻角下的单颗粒实验，其它的一些实验观察表明，多角粒

子也不易出现上述典型情况。Budinski 将单点冲蚀划分为四类，如图2-2： a) 点坑型冲蚀，类似于硬度压头的对称性菱锥体粒子正面冲击造成的；

b) 犁削，类似于犁对土地造成的沟，凹坑的长度大于宽度，材料被挤到沟；

c) 铲削，在凹坑末端堆积材料而铲痕两侧几乎不出现变形；

d) 切片，凹坑浅，由粒子斜掠而造成的痕迹。

图2-2冲蚀破坏的四种基本类型

a) 点坑 b) 犁削 c) 铲削 d) 切片

2.4.2影响气力输送管道冲蚀磨损的因素

影响气力输送管道冲蚀磨损的因素主要从粒子性质与输送参数两个方面考虑，如下的几点就是这两方面的各个体现。

（1）粒子粒度

粒子粒度对弯头冲蚀磨损的影响与常规冲蚀磨损影响规律类似，即对于不同气力输送条件下的冲蚀磨损，粒径都存在极限值。当粒子粒径大于极限值时，磨损量趋于稳剧。研究表明冲蚀磨损率随粒子粒度增大而迅速增大。

（2）粒子强度

粒子强度主要是影响粒子在输送过程中的破碎难度与破碎率，以及由此引起的二次磨损。在气力输送特别是稀相气力输送条件下，被输送物料的平均粒径随经过弯头数量的增加而呈减小的趋势。这种粒径减小的趋势越明显，相应材料对弯头造成的冲蚀磨损率越高，也就是说，粒子在输送过程中越容易破碎，则其产生的冲蚀磨损率越高，

（3）粒子形状

粒子形状对冲蚀磨损的影响主要体现为其对磨损机理的影响。粒子冲击靶材时，粒子与靶材的接触面积决定了两者之间作用强度。尖角形粒子对塑性材料表面的冲蚀多为切削型磨损，球形粒子冲蚀所产生的磨损主要表现为塑性变形磨损。

（4）输送速度

介质速度是影响冲蚀磨损率的最大因素，这也是本文讨论的核心之一。 （5）物料浓度

随着粒子浓度的增大，弯头的总质量损失降低，即单位质量粒子造成的冲 蚀磨损量降低，由于悬浮浓度的增大，粒子间撞击的几率也增大，撞击管壁的粒子动能降低。

（6）冲击角

冲击角是指入射粒子轨迹与靶材表面之间的夹角。冲击角的不同主要影响了粒子冲击靶材时动能的切向和法向分量，以及在冲击过程中的能量消耗。对于冲击粒子来说，动能切向分量是产生切削，而法向分量则是影响粒子压入靶材表面的深度，两者共同决定着磨损量。 2.4.3耐磨处理方案

为了减少磨损对生产造成的影响，工业上采取了多种措施来降低气力输送管道的磨损，延长管道的使用寿命， 对于管道外形的优化设计和材料优选都是比较好的减磨方法。本课题主要从管道外形的优化设计方面来考虑以期达到减磨的目的。由于影响气力输送管道磨损的因素很多，本文着重在压力损失与气体、颗粒的出口速度方面通过管道变径的优势来研究磨损问题。实验表明管道的变径后的管道可以减少压损与气体、颗粒的出口速度。第二章主要建立了压力损失的模型。

第三章 气力输送管道系统中压力损失数学物理模型

3.1气力输送的参量

3.1.1料气输送比

料气输送比, 通常指他们的重量或者质量流量比, 即流过管道截面的物料与空气的流量比, 简称混合比, 可表示如下：

m

q w q a

式中q w 为空气流量(kg /s )

q a 为物料流量或输送量(kg /s )

3.1.2悬浮速度 V w x

物料在垂直管道中处于悬浮状态, 是气力输送的特点. 其机理可做如下阐释：如果气流的上升速度V q s 等于物料颗粒本身固有的向下沉降速度V w x 时, 物料就会悬浮在气流中, 这样便具备了气力输送的基本条件。此时气流速度称为该物料的悬浮速度V w x 。

3.1.3输送管内的气流速度 V q

空气流量由输送量(物料) 与混合比的关系算出以后, 一旦选定管内气流速度, 便可以计算输送管径, 因而气流速度是气力输送中的一个重要参量。但是由于物料占据了管道一定的截面, 而管道的截面积为, 则空气通过净面积的真实速度要比气流速度要高。气流的真实速度总是大于气流的视在速度。当管道某一截面上物料增多时, 物料占据的面积增加, 从而使气速增加, 物料便自动加速。 3.1.4摩擦系数 λ

在气力输送系统中摩擦系数包括空气流动摩擦系数λq 与物料流动摩擦系数

λw 。管道内的压力损失计算是气力输送计算的关键，它是确定输送压力、空气量、

管道直径等输送系统参量的必需手段，是气力输送计算方法的核心。在计算管道沿程压力损失中，通常要算及气流的压力损失与物料流动的压力损失，这两者压力损失之和是整个沿程压力损失的主要部分。理论与实验都证明，物料流动的压力损失占整个气力输送压力损失的大部分，所以对于物料流动的摩擦系数选取尤其重要。

3.2数学物理模型的建立

3.2.1一般输送管道内物料运动方程的建立

如图3-1所示, 假设物料的运动速度为V w , 在d t 时间内移动ds 距离, 则

d t

=ds /v , 若单位时间内的输送物料的流量为q w , 则d t 时间内输送距离便可写成:

dq =q w ⋅dt =q w ⋅ds /v w

图3-1管道内物料运动示意图

在dq 物料中，有着三个作用力，三个作用力的总和决定物料的运动方程，下面逐一叙述：

（1）物料颗粒与管壁间的摩擦和颗粒相互间碰撞的阻力；物料在管道中运行时，飞翔颗粒撞击管壁，损失能量而速度降低；再与其他运动快的颗粒相撞，又发生运动量的交换，较快的颗粒减慢，而较慢的颗粒却加快。这种过程类似空气在管道中做紊流运动时的情形。

对于气流做湍流流动时，所引起的管壁的摩擦力计算公式由参考书可查到：

f q =π⋅D ⋅τ0⋅ds

其中：t 0为空气对管壁的摩擦剪应力：

τ0=

ds

λq ρq

4⋅2

⋅V q

2

为微小单元管长

D

为管道直径

物料对管壁摩擦时，由于物料颗粒在输送管中的运动极为复杂，因此要确切地表示颗粒所受的管壁作用力是相当困难的。但是可以近似地把物料颗粒在管道

截面均匀分布的情形仿照气体湍流时的情形来表示。去输送段的微小单元长，在这单元体积内具有的物料量，则物料与管壁的摩擦阻力为：

df w =π⋅D ⋅τs ⋅ds

（2—1）

其中：τw 为管壁对物料的摩擦剪应力 对比并近似对照气体在管道流动摩擦压损理论

τs =

λs

4

dq

V S

2

π

2

D ⋅ds 2g

4

代入可得：

df w =dq ⋅

（2）气流对颗粒的粘性阻力

λw ⋅

2gD

V w

2

df z =dq ⋅(

V q ⋅V w 2gD

)

2-K

（2—2）

式中K 为系数

当Ret

当Ret>500时,K=0(其中Ret 为颗粒雷诺数) （3）由重力引起的阻力

重力所引起的阻力不仅要使物料悬浮在管道中，而且还要提升物料。物料提升ds ⋅sin θ所需的空气推力为df g

df g =∆P g ⋅A

（2—3）

式中∆P g 为重力引起的压损

根据重力理论，欲使颗粒悬浮和提升所需的能量，应等于空气消耗的能量，若物料以速度通过管长所需的时间为

d s V w

，物料的悬浮速度为V w x ，则单位时间悬浮

物料所需能量为q w ⋅V w x 则有：

ds V w

，另外，单位时间物料提升高度所需能量为q w ⋅ds ⋅sin θ，

q w ⋅V w x

ds V w

+q w ⋅ds ⋅sin θ=∆P g ⋅q q

（2—4）

式中q q 为空气体积流量 把（2—4）代入到（2—3）得：

A q w ⋅V w x ⋅ds df g =(+G ⋅ds ⋅sin θ)

q q V w

A ⋅q w ⋅ds V w x +V w ⋅sin θ

=() （2—5）

q q V w

（4）物料运动方程 物料量的运动方程为

dq w dV w

df z -df g -df w =⋅ （2—6）

g dt

把（2—1）、（2—2）、（2—3）代入（2—6）得

dq ⋅(

V q ⋅V w 2gD

)

2-K

A ⋅q w ⋅ds V w x +V w ⋅sin θλw ⋅2

-() -dq ⋅V w

q q V w 2gD

dq w dV w

=⋅

g dt

（2—7）

3.2.2压力损失的计算

（1）压力损失的概念

在气力输送过程中，物料输送所需要的能量是通过空气压力的降低来给予的，这个空气压力的降低通常称之为压力损失，也即从管道的进口（inlet ）到出口（outlet ）的压力的降低。有关物料输送的压力损失的计算方式大致可以分为均布理论，重力理论和能量理论。

(a)均布理论

均布理论的假定：物料颗粒在水平管道截面上是均匀分布的，物料运动速度与空气运动的速度是相同的，从而物料的运动阻力与纯空气运动的阻力相似，只考虑物料运动的摩擦压损。

(b)重力理论

重力理论认为：物料运动压损不仅考虑摩擦阻力，而且还应考虑物料重力压损。因此，重力理论假定：铅垂直管道中物料运动的速度低于空气运动速度，其差值等于颗粒的悬浮速度.

V W X =V q -V W

因此，要使颗粒悬浮所需的能量，应等于空气所消耗的能量。重力理论还认为：在水平管道中悬浮物料所需的能量近似地等于铅垂直管道中悬浮物料所需的能量。

(c)能量理论

能量理论认为，气固两相流运动中，物料颗粒的水平管道截面中大多数情况下并不是均匀分布的，物料的速度低于空气运动的速度。它依靠空气和物料运动的速度差产生的作用力传递能量，使物料颗粒保持悬浮，并克服颗粒与管壁、以及颗粒彼此之间的冲击和摩擦阻力。

（2）压力损失的计算

根据能量理论，气力输送的压力损失包括加速损失，重力引起的压力损失。 (a)加速损失

设物料的加速损失为∆P w a ，则在管道截面A 上作用在物料上的加速力为

∆P a ⋅A ，在这个加速力的作用下，物料速度从V 0加速到V

1，根据动量定律可写为：

dQ W g

⋅(V 1-V 0) =∆P wa ⋅A ⋅dt

由上式变形得：∆p w a =

dQ W ⋅(V 1-V 0)

A ⋅g ⋅dt

dQ w A ⋅V q ⋅dt

⋅

=

V 1-V 0

V q

⋅V q

2

=

dQ w V q ⋅dt

⋅

V 1-V 0

V q

2

⋅

V q

2

A

V 1-V 0V q

=m ⋅⋅

V q A

所以：

∆p w a =m ⋅(V 1-V 0) ⋅

V q A

设纯空气的加速度压损为∆p q a , 同理可根据动量定律得：

dQ q g

⋅(V 1-V 0) =∆P qa ⋅A ⋅dt

dQ q ⋅(V 1-V 0) A ⋅g ⋅dt

dQ q A ⋅V w ⋅dt

⋅

∆p q a =

=

V 1-V 0

V w

⋅V w

2

=

所以：

1m

⋅(V 1-V 0) ⋅

V w A

∆p q a =

1m

⋅(V 1-V 0) ⋅

V w A

根据以上的推导, 得到加速引起压力损失的表达式：

∆p =∆p w a +∆p qa

V q

∆p =m (⋅V -V ) 10

A

(b)摩擦损失

1

(⋅V 1m V w -V ⋅0

A

(V 1-V 0) ⎡V W ⎤=m ⋅V q +⎢⎥

A m ⎣⎦

物料在管道中运动时，飞翔颗粒撞击管壁，损失能量而速度降低；再与其他运动比较快的颗粒相互撞击，又发生运动量的交换，比较快的颗粒减慢；而比较慢的颗粒却加快。上节提出单位质量颗粒在运动中所受到的颗粒与管壁的摩擦以及颗粒相互间碰撞的阻力为

df =dQ w ⋅

那么此阻力引起的空气压损

λw ⋅V w

2gD

2

∆p f =

将代入得

df A

df =dQ w ⋅

λw ⋅V w

2

2gD A

(c)重力引起的压力损失

根据重力理论, 要使颗粒悬浮和提升所需的能量, 应等于空气所消耗的能量. 由以上知重力所引起的阻力dF G 如下所示：

f G =

V W X +V w ⋅sin θ

V q

dF G =f G ⋅dQ w

则克服重力dF G 所引起的压力损失∆P G 为

∆P G =

d F G

A

=

=

df G ⋅dQ w

A

(V W X +V w ⋅s i θn ⋅) d Q w

V q A

(V W X +V w ⋅s i θn ⋅) d t =⋅dQ w

V q A ⋅dt

=

d Q w x +d Q w ⋅s i n θ

A

⋅

d Q w d Q q

=

d Q w x +d Q w ⋅s i n θ

A

⋅m

第四章 气力输送有关阀类关键部位设计

4.1变径管道

对于阀类关键部位的设计我借助了变径管道的相关研究理论, 一般在设计气力输送管道时由于输送过程中空气能量不断损耗，压力沿输送长度逐渐降低，这样，气体密度下降，空气产生膨胀，气流速度加快。相应导致系统压力损失增加，管道磨损加剧，物料破碎严重。因此，为解决这些问题，可以把输送管道设计成变径管道，使每一管径区段内，在保证可靠输送的情况下，气流速度稳定在一定的范围内。

4.1.1变径管道设计原则

设计变径管道系统时，应遵循的变径原则是：压力尽量低，变径管道的任一处的空气速度不能低于系统可靠输送的最小速度，既满足如下约条件： 4.1.2变径管道的实例分析

据资料表明，Wypych 以煤粉为例对变径管进行实验研究，输送量24t ／h ，输送距离1800 m时，可以采用Fmb=6，足以满足输送极限。数据如表1所示。

由试验数据可知，在相同的入口流速下，当输送管后段直变大后，流速随之下降。比较表中3组数据，单一管径(127mm)输送时，压降595kPa ，出口流速达到46．1m ／s ；采用一级变径管(在683m 处变径为管径154mm) 输送时，压降为458kPa ，压损减少137kPa ；而采取第3组数据输送时，料气比最大，出口气速、压损和耗气量都最小。可见采用二级变径(第3组数据) 最有利于输送。

很明显通过变径处理后，该气力输送管道的压损、出口气速、耗气量的减小，所以接下来本文将上叙的理论应用到关键部位改进当中。

有一小型出糠机局部管道的进口（inlet ）速度要求为10m /s ，其改进前的尺寸如下图4-1所示：

图4-1

4.2 Gambit建模

4.2.1Gambit 简介

Gambit 是一个集建模、划分网格、定义边界条件为一体的计算流体力学（CFD ）软件，它广泛地应用在CFD 及其它科学工程领域，具有友好的GUI 界面和可操作性，逐渐成为了世界领先的专用前处理软件。将Gambit 生成的网格信息导入Fluent 中，便可进行后续的计算及分析。Gambit 的操作步骤分为3步：构造几何模型、划分网格、指定边界类型和区域类型。完成3个步骤后，将带有边界信息的网格模型存盘（文件扩展名为*.dbs）或输出为专门的网格文件（*.msh），供CFD 求解器读取。下面将详细介绍。

4.2.2出糠机局部管道几何建模

对于Gambit 的构建几何图形有好多方法，如将其他如CAD 、PRO/E、UG 等软件构造好的图形导入到Gambit 中，还有就是Gambit 自带的三维、二维设计工具，但复杂图形还是用其他软件做好再导入比较方便，Gambit 主要功能还是在划分网格上。本文都是先用CAD 软件先建好二维模型，然后到Gambit 中建成三维再划分网格或者直接将CAD 软件建好的二维图形导入Gambit 划分网格。

（1）打开Gambit, 新建一个名为“liqiang ”的新文件。如下图4-2所示：

图4-2

（2）在CAD 创建图4.1所示的左示图，由于Gambit 中的图形在划分网格必须是面或者是体（道理很简单，因为我们制造的管道在FLUENT 中模拟时是作为管道内流体所组成的轮廓），所以在CAD 中按住Region(面域) 命令框选中图形从而创建出一个域，然后再框选出已经做好的域输出在所要存放的硬盘中去, 其中要输出的图形保存时必须为“sat “为后缀的类型。完成好上面的步骤后再从Gambit 中导入（import ）后得到如下图4-3所示：

图4-3

（3）在Operation 中依次选择Geometry>Sweep Face, 在Sweep Face 中的path 中选择vector 点击Magnitude 并且在其中输入300如图4-4。然后在

Sweep Face

中的Faces 中选择Face1, 完成以后再按Apply 将得到图4-5：

图

4-4

图4-5

4.2.3 水平管的网格划分

正确地划分网格是非常重要的，只有这样，才能在Fluent 中正确地分析流场，得到比较正确的结果。

(1) 划分体网格。

依次点击图4-6中的按钮，弹出“Mesh Volumes”对话框，选择视窗中的管

道，在“Interval size ”里填40（不需要很小的网格，只要能比较正确地模拟就可以了，太小的网格计算量太大），其它选项接受默认，如图4-7所示。划分后的网格见图4-8：

图4-6 图4-7

图4-8

4.2.4边界条件定义

划分了网格后，需要进行边界条件的定义。正确地描述问题，就需要正确地定义边界条件（这里的边界条件可在Fluent 中修改）。

(1) 定义入口为速度入口（VELOCITY_INLET）。

选择Operation ——Zones ，弹出“Specify Boundary Types”对话框。在“Entity ”中选择“Faces ”，然后选择在“Name ”中填入入口的名字“inlet ”，在“Type ”中选择“VELOCITY_INLET”，点击“Apply ”确认，就完成了速度入口的定义。

(2) 定义出口为流动出口（OUTFLOW ）。

依照上面的方法将另一底面定义为OUTFLOW ，命名为“outflow ”。

(3) 定义壁面为壁面（WALL ）。

只要定义好进口出口，其他面默认为壁面，所以不用设置。结果如图4-9所示。

依次点击“File ”-“Export ”-“Mesh ”，将网格文件导出为“liqiang.msh ”。 进行了以上的步骤后，就可导入Fluent 中进行计算和分析了

图4-9

4.3用FLUENT 对出糠机局部管道的数值模拟

4.3.1 Fluent简介

FLUENT 是目前处于世界领先地位的CFD 软件之一，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物运移等问题。

从本质上讲，FLUENT 只是一个求解器。FLUENT 本身提供的主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理。所以本文采用FLUENT 作为计算手段。下面将详细介绍具体的步骤。

4.3.2检查网格

为了保证在FLUENT 中计算的正确性，确保网格的正确是必要的。特别要注意控制台窗口中的最小体积分数，为正才是正确的；如果为负，对应的网格就不能用于计算，需要再次修改网格。

读入网格，点击“Grid ”-“Check ”，控制台窗口中的信息如图4-10所示。可以看出，“minimum volume”的值为正，所以网格是合格的。

图4-10

点击“Grid ”-“Scale ”，在弹出的“Scale Grid ”对话框的“Grid Was Created In ”里选择“mm ”，单击“Scale ”完成。如图4-11所示。

图4-11

检查网格以后，就要定义模型的类别和各种边界条件，使计算收敛；如果计算不收敛，就需要不断地修改、计算，直到收敛为止。

4.3.3定义解算器

依次单击“Define ”-“Models ”-“Solver ”，弹出Solver 对话框。

Fluent 中提供了三种不同的求解方法：分离隐式解（Pressure Based，Implicit ）、耦合隐式解（Density Based ，Implicit ）和耦合显式解（Density Based ，Explicit ）。分离隐式解主要用于不可压缩或压缩性不强的流体流动。耦合求解方法用在高速可压缩流动。本课题采用的气体入口速度为15m/s，这个速度算低速，在低速下的气体可以看作是不可压缩的，所以这里选择分离隐式解。其它的参数如下图4-12所示。

图4-12

4.3.4定义所采用的多相流模型

在Fluent 中，共有三种欧拉-欧拉多相流模型，即VOF （Volume Of Fluid）模型、混合物（Mixture ）模型和欧拉（Eulerian ）模型。本文采用欧拉模型来模拟低速浓相悬浮输送气固两相流，将颗粒相视为拟流体来建立模型。点击“Define ”-“Models ”- “Multiphase ”，弹出“Multiphase Model ”对话框，设置如图4-13所示。

图4-13

4.3.5定义能量方程

因为要进行能量方程的计算，所以需要在“Define ”-“Models ”- “Energy ”中选中能量方程复选框，如图4-14所示。

图4-14

4.3.6定义湍流模型

本文选择修正的k-epsilon 两方程模型进行模拟，壁面处选择标准壁面函数进行模型修正。k-epsilon 多相流模型选择“Per Phase ”，即紊流传递起重要作用时，为每一相求解一套k-epsilon 方程。其它参数保持默认，如图4-15。

图4-15

4.3.7定义材料

这里只需定义颗粒材料，对于空气，系统已经给出。点击“Define ”-“Materials ”，在“Name ”框中输入“Solid ”，在“Properties ”里的“Density ”选项里填入颗粒密度：1200(kg/m3)，点击“Change/Create”，再弹出的对话框里选择“No ”，即不覆盖空气材料。完成后如图4-16所示。

图4-16

4.3.8 定义相

点击“Define ”-“Phase ”，点击“Phase-2”-“secondary-phase ”-“Set „”，在弹出的对话框中将“Phase Material”设为“Solid ”，即第二相为颗粒相。选中“Granular ”，输入颗粒直径0.0001m ，颗粒粘度选择“syamlal-obrien ”（按μS , kin =αS d S ρS ΘS π⎡2(1+e SS 1+⎢6(3-e SS )5⎣

4

3)(3e SS ⎤-1)αS g 0, SS ⎥计算），颗粒体积粘度选择⎦⎛Θ⎫) S ⎪⎝π⎭1/2“lun-et-al ”（按λS =

成后如图4-17所示。 αS ρS d S g 0. SS (1+e SS 计算），其它保持默认值。完

图4-17

4.3.9定义操作环境

由于要考虑颗粒受到的重力作用，所以要加上重力加速度。点击“Define ”-“Operating Conditions”，在弹出的对话框中勾选“Gravity ”项，在“Y ”方向上填入重力加速度值9.8（也可以设置为-9.8，因为这两个方向的改变相当于相对的参考系发生变化，理论上不会影响计算）。如图4-18所示：

图4-18

4.3.10 定义边界条件

点击“Define ”-“Boundary Conditions„”，弹出“Boundary Conditions”对话框，“Zone ”中为定义的各个边界，“Type ”中为要指定的边界条件的类型，在“Phase ”选项框中可以为每一项指定不同的边界条件。

(1) 定义“fluid ”为“fluid ”。

(2) 定义“inlet ”为“velocity-inlet ”。定义气相速度入口条件：选择“inlet-velocityinlet-phase1”，在“Momentum ”中，将进口速度设为15m/s。

图4-19

(3) 定义颗粒相速度入口条件：选择“inlet-velocityinlet-phase2”，在“Momentum ”中，将进口速度设为14m/s（固相速度小于气相）在“Granular Temperature ”（颗粒温度）中填入0.0002，如图4-20所示。

图4-20

(4) 定义“outlet ”为“outflow ”。

(5) 定义“wall ”为“wall ”。在“Roughness Height”中填入壁面粗糙度高度为0.0002m ，“Roughness Constant”（壁面粗糙度系数）为0.5。如图4-21所示。

图4-21

4.3.11 设置求解控制方案

定义完模型后，便可进入求解阶段。点击“Solve ”-“Controls ”-“Solution „”，打开“Solution Controls ”（控制方案）对话框。在控制条件中，选择“Pressure-Velocity Coupling ”（压力—速度耦合）下的“Phase Coupled SIMPLE ”方法。在“Under-Relaxation Factors ”（低松弛因子）下，将“Volume Fraction ”（体积分数）和“Granular Temperature ”（颗粒温度）设为0.3，其余保持默认。在“Discretization ”（离散化）中，选择“Volume Fraction”的离散化方法为“QUICK ”，其余都选择“Second Order Upwind（二阶迎风）”（这是为了增加计算

的精度）。如图4-22所示。

图4-22

4.3.12 设置初始条件

在迭代开始前，需要设置初始条件。这是为了给各个方程的变量提供初始值，以便进行迭代计算。初始值设置的好坏对于模型能否收敛有很大的影响。

点击“Solve ”-“Initialize ”-“Initialize „”，打开初始值设置对话框。从“Compute From”下选择进口（inlet ）的各变量值作为初始条件，如图4-23所示。

图4-23

4.3.13 设置监视条件

为了判断所求问题的收敛性，需要监视残差。当迭代过程中的残差值低于所设置的某个值时，说明已经收敛，此时可以停止迭代；如果残差值不能低于所设置的值时，说明模型的条件设置有错，需要重新定义。

点击“Solve ”-“Monitors ”-“Residual „”，在弹出的对话框中勾选“Plot ”（即在图形窗口中绘制残差图），计算结果要达到的残差值保持默认，即当残差为0.001时，计算收敛。其它值保持默认，如图4-24所示。

图4-24

4.3.14 迭代求解

点击“Solve ”-“Iterate „”，输入迭代数1000（如收敛，便可停止迭代），其它保持默认，如图4-25所示：

图4-25

点击“Iterate ”开始迭代，迭代81步后残差收敛，此时点击“Cancel ”停止迭代，如图4-26，图4-27所示：

图4-26

图4-27

迭代完成后，点击“File ”-“Write ”-“Case&Date„”保存文件。然后便可进行一系列的后处理，以便进一步分析所得结果，了解模型各参数的变化情况，并参考相关文献，判断模型的正确性。

4.4 结果简要分析与改进

上面FLUENT 里面的设置的参数其实就是构造模型在以后仿真时的环境参数。接下来本文主要从压损和速度方面来分析上叙的管道模型。压损和速度两方面是最能体现管道即将磨损的程度，当压力损失增加时，由第三章或者有能量守恒知道，管道传送颗粒的所要克服的阻力所做的功也随之增加（即转化为阻力能），这样也就增加了颗粒与管道的磨损。当速度过大时，颗粒对管道在变截面时的冲击力也随之增加，从而增大了对管道制造材料的要求，在同种材料管道进行比较时，速度过大的管道磨损相对要严重的多。通过后处理，可以显示出各种不同因素的变化曲线图或云图，来获得相应的信息。常规模型的有关速度与压力的计算结果如图所示：

图4-28速度矢量分布图

图4-29压力分布图

通过对图中现象分析可知：

（1） 从速度分布图上可以看出，颗粒流过管道时，出口速度有明显增加现象。

（2） 从压力分布图上可以看出，颗粒流过管道时，压力损失比较大。

改进后的模型：

图

4-30

图4-31速度分布图

图4-32压力分布图

改进后的模型出口速度明显减小，压力损失也在减小。

`

第五章 水煤浆阀关键部位优化改进

5.1原阀件的引入

一种由70％左右的煤粉，30％左右的水和添加剂混合制备而成的液体，可以象油一样泵送、雾化、储运，并可直接用于各种锅炉、窑炉的燃烧。它改变了煤的传统燃烧方式，显示出了巨大的环保节能优势，对于在现实中出现的水煤浆阀关键部位构造三维图形如下图5-1，下面简要对水煤浆阀的关键部位进行优化改进。

图5-1

5.2通过GAMBIT 建模并划分网格

由于上叙模型为轴对称图形，接下来利用二维模型来建模和划分网格如图5-2所示

图5-2

5.3结算结果及其分析

在FLUENT 里面的设置与前所叙出糠机局部管道的设置相同，有关速度压力方面的计算结果如下5-2，5-3，5-4，5-5：

图5-3

图5-4

图5-5

改进后模型与结果如图5-6，5-7，5-8，5-9：

图5-6

图5-7

图5-8

图5-9

表5-1改进前与改进后参数数值结果比较表

从表5-1的数值结果比较可知，在同样进口的大小与速度的条件下，改进后模型和改进前模型的压力损失相对变化不大，出口平均速度值有明显减小。在所研究的上叙模型中，基本上是局部压力损失，主要是因为管径的变化而引起了流速的突然变化，在局部地区形成的死水区或旋涡，使得流体在此区域内并不参与主流流动，只是不断的打旋，流体颗粒互相碰撞而产生能量损失，经过模型改进后管道内最小负压值明显降低了，进而磨损也就降低了。

第六章 结论

20世纪90年代以来，大量的科技工作人员不断地对气力输送系统进深入的研究，取得了一系列的成果，特别是在提高气力输送效率的关键科学问题：压降，磨损等方面，成绩尤为突出，R.PanJ. 和Chambers 提出气力输送系统中两个主要问题：压降和最小传送条件，指出流动特性和散装颗料原料的特性对这两个参数的影响。而从本文得出的结论有：

（1）入口气体速度越大，颗粒平均速度越大，颗粒速度分布越均匀；颗粒浓度分布越均匀，沉积在管底的颗粒越少；颗粒平均浓度越小；平均气速越大，气速分布越均匀；若入口气速低于一定值，管道可能会发生堵塞。

（2）通过优化管道外形能使压力损失减小与气体颗粒出口速度的减少。 （3）变径管道的优势可用在阀类等关键部分的管道中，以减少能量损失与磨损。

致 谢

经过半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师楼建勇与杜学文。

衷心感谢导师楼建勇教授两年来的细心指导和大力支持，在我求学的过程中，楼老师给予了精心的指导以及无私的帮助。楼老师在学业上的教导，一言一行更使我受益终生。

杜老师也在百忙之中抽出时间给我们单独辅导，使我在较短时间掌握思路与运用方法。

感谢所有被引用文献的作者！

参考文献

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