双套管密相气力输运过程的数值模拟和能耗分析

　　1 前 言

　　粉粒体输送设备的种类有很多，归纳起来主要可分为机械、流体和容器三大类，应根据物料特性正确选择输送方式. 气力输送以气流为输送介质，系统结构简单，布置灵活、合理，使用可靠，耗能低，公害少，管理方便，并易于实现自动化. 由于上述优点，气力输送在实际应用中发展很快，已成为比较理想的输送方式之一[1].

　　气力输运技术经历了从稀相输运到密相输运的发展过程. 密相输运更加节能但同时也增加了输运过程中堵管事故发生的几率. 双套管技术是内重管输运技术的一种，基本结构如图1 所示. 其基本思路是在输料管的内部设置一个均匀开口的小管，当输料管内物料堆积高度过高，有堵管倾向时气体首先在小管中流动，并以较高的速度从开口处喷出，冲刷 料栓的背风面，减少料栓的长度和高度，从而保障物料输运的顺畅.

　　迄今为止，国内外学者在物料密相输送领域做了大量研究工作. 其中，Tsuji[2]对气固两相流的数值模拟模型进行了归类介绍. Jones 等[3]详细论述了密相气力输送广泛使用的可行预测技术，基本颗粒图一般可正确预测流化密相气力输送，但很多栓流输送和纯稀相输送的物料分布在一个过渡区 域，该文献指出用松散堆积密度代替颗粒密度、用透气性代替平均粒径的方法可以改进物料气力输送能力的分类方法，并解决了难以确定去气值的问题. Tan 等[4]应用质量守恒原理在单一栓柱气力输送系统中建立了压降预测模型，虽然准确性受渗透因数的影响，但该模型结果与实验结果仍然拟合良好. 欧阳洁等[5]对单管水平输送进行了数值模拟研究，杜滨等[6]论述了物料特性对浓相输送效果的影响. 但当前针对双套管密相气力输送系统中物料输送特性的研究还不多见，双套管输运系统的设计也主要借鉴单管输送系统的输送特点，并辅助工程经验进行设计计算， 一般需已知起始输送速度后才能进行设计计算，或通过1:1 的实验确定最优运行工况，设计效率低下，耗费了大量人力物力，且存在一定误差.

　　为进一步了解物料在双套管中的输送特点，以更好地应用双套管输运技术，降低能耗，提高系统设计效率，本工作提出了一种基于计算流体力学 (ComputationalFluid Dynamics, CFD)的新型设计方法，可用于设计双套管物料输送运行工况条件，不但满足要求的物料输送速率(即质量流率，单位时间内输送的物料质量)与距离，而且耗能 最小.

　　本工作首先对输运的起始段和充分发展段分段进行详细的数值模拟，再进行总体的能耗分析. 研究结果已总结成计算软件，输入所要达到的物料输送速率及输送距离，就可计算出所需的输送压头、耗气量与能耗等运行参数.