基于FLUENT氣固兩相流的研究

向　東

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410151）

基于FLUENT氣固兩相流的研究

向東

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410151）

氣固兩相流是氣力輸送過(guò)程需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，氣力輸送是以空氣為載體在管道中輸送粉塵或者固體的技術(shù)。以水平漸擴(kuò)管為載體，建立氣力輸送過(guò)程中氣固兩相流的理論模型，利用FLUENT軟件對(duì)氣力輸送過(guò)程進(jìn)行模擬分析，分別從速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等方面進(jìn)行分析。通過(guò)模擬得出，水平漸擴(kuò)管可以把速度能轉(zhuǎn)化成壓力能，能有效減小氣力輸送過(guò)程中固體顆粒對(duì)輸送管道的磨損，提高管道的使用壽命。

氣力輸送;FLUENT;兩相流;低氣壓

0　前言

氣力輸送是以空氣為載體在管道中輸送粉塵或者固體的技術(shù)，氣力輸送系統(tǒng)是一種以高壓羅茨風(fēng)機(jī)或回轉(zhuǎn)式風(fēng)機(jī)為壓氣設(shè)備，以氣鎖閥為供料設(shè)備的輸送系統(tǒng)。氣力輸送技術(shù)因其具有輸送效率高、能耗低、污染少、設(shè)備簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在越來(lái)越多的用在發(fā)電、食品加工、化工等領(lǐng)域。

氣力輸送過(guò)程中，壓力沿著管道是逐漸降低，這會(huì)使得空氣膨脹，氣體與固體的相對(duì)速度增大，導(dǎo)致氣固兩相對(duì)管道的撞擊和磨損加劇，輸送距離越長(zhǎng)，磨損越嚴(yán)重，在管路系統(tǒng)中安裝一個(gè)擴(kuò)張型的管道能有效的緩解這個(gè)問(wèn)題。王琨等人用試驗(yàn)的方法得出了在水平漸擴(kuò)管氣固輸送能力與固氣比、擴(kuò)散角、管徑比等因素有關(guān)。李勇等人對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，得出了管路系統(tǒng)安裝一個(gè)漸擴(kuò)的管道能有效緩解氣固在運(yùn)行中的磨損問(wèn)題。衣華等人通過(guò)對(duì)漸擴(kuò)管的研究發(fā)現(xiàn)漸擴(kuò)管能使得氣流速度減低，把氣體速度能轉(zhuǎn)變成壓力能，從而減小氣固對(duì)管路的磨損。

可以看出，對(duì)氣力研究管路的研究目前已經(jīng)取得了很大的成就，但大部分人僅僅集中在試驗(yàn)研究這塊，很少有人從理論和模擬的角度對(duì)其機(jī)理進(jìn)行分析。本文利用FLUENT軟件對(duì)氣固兩相流在水平擴(kuò)散管中的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)規(guī)律進(jìn)行分析。

1　模型建立

1.1 物理模型建立

圖1　漸擴(kuò)管示意圖

圖2　漸擴(kuò)管三維圖

漸擴(kuò)前后兩管段管徑分別由d與D表示，其值分別為60mm和80mm;擴(kuò)散角度分別為4°6°、8°、10°、12°。管路總長(zhǎng)為900mm。

1.2 理論模型建立

1.2.1 基本假設(shè)

選擇主控方程為N-S方程，為了便于計(jì)算，忽略一些對(duì)研究重點(diǎn)和預(yù)期沒(méi)有影響或者影響很小的因素，作如下基本假設(shè)：

（1）忽略氣體體積力的作用；

（2）介質(zhì)為牛頓流體，即剪切應(yīng)力與速度梯度成正比；

（3）表面無(wú)滑移，即附著于界面上的流體質(zhì)點(diǎn)的速度與界面上該點(diǎn)的速度相同；

（4）與黏性力相比，忽略慣性力的影響，包括流體加速度的慣性力和流體膜彎曲的離心力；

（5）模擬過(guò)程中，氣體與固體無(wú)滑移動(dòng)，即氣體與固體速度一樣。1.2.2理論模型建立

（1）雷諾方程?；谝陨霞僭O(shè)，由黏性流體運(yùn)動(dòng)方程（Navier－Stokes方程）推導(dǎo)出適合本研究模型的理論方程為：

連續(xù)性方程：

連續(xù)相動(dòng)量方程為：

離散相動(dòng)量方程為：

其中：φi為體積分?jǐn)?shù)；ρi為密度；為速度矢量；τi為切應(yīng)力，下標(biāo)i和l分別代表氣相和固相；p為壓力；Kil為動(dòng)量交換因數(shù)，t為時(shí)間，g為重力加速度。

1.3 湍流模型

假定從進(jìn)口進(jìn)入的氣固混合相是恒定的，基于時(shí)均化的Navi er－Stokes方程，采用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模型來(lái)確定湍流黏性系數(shù)。氣固交換系數(shù)采用Wen－Yu模型，顆粒碰撞歸還系數(shù)設(shè)為0.85；采用SIMPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對(duì)流項(xiàng)的離散采用一階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)采用中心差分格式。

2　邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定。根據(jù)水平漸擴(kuò)管的特點(diǎn)，由連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和質(zhì)量守恒定律設(shè)定進(jìn)口為壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力為0.1MPa，湍動(dòng)能的進(jìn)口值取進(jìn)口平均動(dòng)能的0.5%，進(jìn)口湍動(dòng)能耗散率按照下列公式計(jì)算：

其中：inK為進(jìn)口處的湍動(dòng)能；iny為近壁計(jì)算點(diǎn)到壁面距離；K為卡門(mén)常數(shù)，取K=0.42.出口為自由出流，固體壁面滿(mǎn)足無(wú)滑移邊界條件，湍流壁面采用壁面函數(shù)邊界條件。

3　模擬結(jié)果及分析

本文模擬了固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)為5%，顆粒直徑為0.005mm擴(kuò)散管擴(kuò)散角為4°、6°、8°、10°、12°這5中工況下的內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、湍動(dòng)能場(chǎng)情況，通過(guò)模擬結(jié)果漸擴(kuò)管氣固兩相流的一般規(guī)律以及不同角度擴(kuò)散管對(duì)其的影響規(guī)律。

圖3是擴(kuò)散管在6°時(shí)固體顆粒在管道中的分布情況，從圖中可以看出，在進(jìn)口處，固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)為5%基本不變，但當(dāng)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū)后，固體顆粒的百分比沿徑向分布是壁面附近低，中間區(qū)域高，因而在同等條件下，采用擴(kuò)散管進(jìn)行氣力輸送時(shí)，擴(kuò)散區(qū)域壁面磨損較小。

圖4、圖5分布為漸擴(kuò)管壓力分布圖、速度分布圖。從圖中可以看出，在漸擴(kuò)管進(jìn)口端，壓力低，速度高，而在漸擴(kuò)區(qū)域，壓力呈現(xiàn)梯度變化，壓力逐漸變大，氣固速度逐漸變小，漸擴(kuò)區(qū)域結(jié)束完后，壓力和速度基本保持不變。經(jīng)過(guò)漸擴(kuò)管后，壓力升高，速度降低，這不僅僅可以提高氣力輸送的距離，因速度降低，可以減小固體顆粒與輸送管路壁面的碰撞相對(duì)速度，降低管道的磨損，提高管道使用壽命。

圖3　漸擴(kuò)管固體顆粒分布情況

圖4　壓力分布云圖

圖6為湍動(dòng)能分布云圖，湍動(dòng)能越高，表明兩相流消耗的能量越多，這是因?yàn)橥膭?dòng)能越高，流體渦旋越強(qiáng)烈。從圖中可以看出，湍動(dòng)能最高的區(qū)域不是發(fā)生在漸擴(kuò)區(qū)域，而是在管道沒(méi)變化的區(qū)域，漸擴(kuò)部分湍動(dòng)能最低，能量損失最小。這說(shuō)明漸擴(kuò)管具有節(jié)能的效果。

圖7為不同擴(kuò)散角的水平漸擴(kuò)管漸擴(kuò)區(qū)域湍動(dòng)能的平均值的對(duì)比圖，從圖中可以看出，隨著角度的增大，湍動(dòng)能先是逐漸減小，8°角時(shí)，湍動(dòng)能最小，當(dāng)角度超過(guò)8°時(shí)，湍動(dòng)能不斷增大。這說(shuō)明對(duì)于此模型下的漸擴(kuò)管，8°是其最優(yōu)的擴(kuò)散角。

圖5 　速度分布云圖

圖6　湍動(dòng)能分布云圖

圖7　擴(kuò)散角與湍動(dòng)能關(guān)系

4　結(jié)論

本文應(yīng)用Fluent軟件模擬水平漸擴(kuò)管氣固兩相流流場(chǎng)，通過(guò)分析得到如下結(jié)論。

（1）漸擴(kuò)管漸擴(kuò)區(qū)域，固體顆粒壁面附近濃度較低，離壁面越遠(yuǎn)，顆粒濃度越高，這說(shuō)明漸擴(kuò)管可以減小顆粒與固體顆粒的碰撞，減小管路的磨損，延長(zhǎng)管路使用壽命；

（2）因漸擴(kuò)管的作用，使得管路內(nèi)混合物的速度能轉(zhuǎn)化成壓力能，這不僅提高了混合氣體的運(yùn)輸能力，而且可以降低混合物與壁面碰撞的相對(duì)速度，提高管路的使用壽命；

（3）對(duì)于本文所用的模型，當(dāng)漸擴(kuò)管漸擴(kuò)角度為8°時(shí)，此時(shí)的湍動(dòng)能最小，能量損失最小。

[1]劉宗明,段廣彬,趙軍.低速高能效的濃相氣力輸送技術(shù)[J]．中國(guó)粉體技術(shù),2005,11(05):5-29．

[2]張國(guó)威,周?chē)?guó)強(qiáng),劉金梅.基于熱一結(jié)構(gòu)耦合的干氣 壓縮機(jī)出口輸氣管道應(yīng)力分析[J].流體機(jī)械,2011,39(12):43-46．

[3]王琨,段廣彬,劉宗明.濃相氣力輸送水平漸擴(kuò)管流動(dòng)分析[J].流體機(jī)械,2012,40(07):7-11．

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.247

本文系湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目：粉體物料低壓力氣力連續(xù)輸送系統(tǒng)應(yīng)用研究【14C0402】的研究成果。

向東（1977-），男，湖南漢壽人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的研究。