基于氣固耦合散糧旋流輸送彎管流場特性研究

尚坤，李永祥，宋海豪，徐雪萌，賈長學

自動化與智能化技術

基于氣固耦合散糧旋流輸送彎管流場特性研究

尚坤，李永祥*，宋海豪，徐雪萌，賈長學

（河南工業大學 機電工程學院，鄭州 450001）

降低糧食顆粒輸送中對彎管的磨損程度。引入旋流輸送，設計一種側向補氣起旋裝置。側向起旋裝置中心軸線與主管道中心軸線的夾角分別為45°、55°、65°，主管道多相流速度固定為20 m/s，側向起旋裝置氣流速度分別為20、30、40 m/s?；谏⒓Z氣力輸送試驗平臺結合Fluent軟件進行分析，采用CFD-DEM對糧食顆粒在彎管內輸送情況進行仿真，并對比壓降、顆粒分布、螺旋跡線等指標。發現側起旋裝置與主管道夾角為55°，側起旋裝置氣流速度為30 m/s時，顆粒螺旋前進，明顯減小與管壁的磨損，輸送效果最優，經試驗驗證，與仿真結果一致。文中設計的裝置明顯降低了糧食顆粒輸送中對彎管的磨損，運輸效果良好。

糧食顆粒；彎管磨損；起旋裝置；CFD-DEM

根據2022年中國國家統計局統計，國內糧食生產總量為68 653萬t，相比2021年糧食生產總量增長368萬t，漲幅為0.5%[1]。糧食生產總量的持續增長確保了國內的糧食安全[2]，為我國經濟大發展奠定了基礎。糧食產量及進出口量的增長，同時帶來了糧食物流的快速增長，散糧運輸作為糧食運輸的關鍵環節，合適的運輸方式對糧食安全起著重要作用[3]。氣力輸送是糧食與環境無交互運技術[4-5]，對實現糧食的減損、綠色運輸，加快推進我國糧食物流的發展有著重要意義[6-7]。物料在氣力輸送過程中，在氣流的吸卷攜帶作用下進行輸送，在途經彎管時，由于物料運動方向改變，在彎管處物料與管壁會發生多次碰撞，其壓力、速度產生巨大的變化，從而引起流體運動不穩定，隨之會帶來顆粒的破碎與管壁的磨損問題。因此充分掌握彎管的磨損機理，合理進行結構設計，選取優異的參數，對減少彎管處顆粒對管道的磨損，保持顆粒完整運輸有著重要的意義。

在國外，2014年澳大利亞學者Li等[8]通過CFD-DEM耦合方法研究了顆粒摩擦因數和恢復系數對水平氣力輸送的影響。結果表明，當摩擦因數增加后，顆粒速度隨之減小，而顆粒濃度及系統壓降隨之增加，恢復系數對顆粒速度、濃度以及系統壓降影響較小。2018年英國學者Kotzur等[9]總結了一系列稀相氣力輸送現象，發現管道磨損與顆粒破碎密切相關；輸送過程中同一顆粒會顯示出不同的強度分布，破碎機理受輸送條件影響；目前仍缺少預測稀相氣力輸送中顆粒破碎的通用方法和模型。以色列學者Santo等[10-11]通過高速攝像機測量了密相氣力輸送系統中的顆粒速度與分布，結果表明，顆粒速度隨氣流速度的增大呈線性增長。伊朗學者Bankermani等[12]在2018年對水平氣力輸送系統中彎管處最大磨損量及磨損速率進行研究，分別對水平入口及出口的彎管以及垂直入口與出口彎管進行數值模擬仿真分析。研究發現，水平彎管的最大磨損速率大于垂直彎管的，但垂直彎管的最大磨損量大于水平彎管的。以色列學者Tripathi等[13]在2019年對彎管二次加速區顆粒速度進行研究，并提出了“彎曲點”的概念。研究發現，顆粒在垂直管中，低于沉降速度時無法輸送；在垂直方向上，較大彎徑比的顆粒速度損失最大，顆粒速度在出口處最??；進口顆粒速度及顆粒是否處于穩態決定出口顆粒速度。通過文獻可知，國外學者做了大量研究，但針對彎管處結構優化及參數優化方面研究相對較少。

在國內，常州大學盧洲等[14]在2011年對不同彎徑比的90°彎管輸送顆粒進行計算，研究發現，在水平夾角約30°時顆粒與管壁發生碰撞，沿管壁上升一段之后拋落，隨著彎徑比的增大拋落點降低，柱狀顆粒與球形顆粒變化趨勢在輸送過程中相似，球形顆粒的懸浮速度大于柱狀顆粒的。中國礦業大學Zhou等[15-16]在2017—2018年對稀相氣力輸送中管道結構、旋流強度、顆粒形狀對顆粒破碎及彎管磨損的影響進行了研究。結果表明，彎管方向對磨損位置及最大磨損率均有影響，隨著顆粒球度變化平均磨損率也隨之變化；顆粒破碎與系統能量損失呈正相關，隨著彎管半徑及旋流強度的增加顆粒完整性增加；水平彎管系統能量變化主要由曲率半徑主導。2019年中國礦業大學Ji等[17]提出一種氣流速度、顆粒質量流率、提升角等因素四向耦合法，用于計算彎管輸送物料的流場。研究發現，稀相氣力輸送中氣流速度對彎管壓降影響最大；在30°～45°存在使彎頭壓降最小的最佳角度；顆粒在90°彎管內碰撞區域取決于彎徑比及曲率半徑，與顆粒濃度與氣流速度無關。中國科技大學封凱等[18]在2021年對氣力輸送中彎管易磨損位置和原理采用ETC技術結合圖層模型的方法進行研究。研究發現，易磨損位置在氣速較低時出現在截面圓心彎管管壁映射位置，隨著氣速的增大，映射位置逐漸下移，移動至一定位置時穩定于該位置；彎徑比及顆粒粒徑越小，磨損位置下移時的臨界氣流速度越小。通過文獻可知，國內學者大多針對彎管最大磨損位置進行研究，或是改變流速以降低磨損，研究結果相對孤立。

在進行氣力輸送時，散糧顆粒對管道壁面的沖蝕磨損不可避免，尤其在彎管處磨損更為嚴重，會對彎管結構件造成極大的損耗，眾多學者通過一系列的方法來緩解彎管的磨損，如降低曲率半徑、降低顆粒輸送速度等，這些方法在減緩彎管磨損的同時會帶來工作空間增大、輸送效率降低等新的問題。改變傳統彎管的結構不失為一種新的可行方法，但相關研究相對較少[19-20]。本文將設計一種新的旋流輸送裝置，在彎管處引入旋流輸送新方法以降低彎管磨損問題。針對彎管處引入旋流輸送的方法研究在國內尚屬空白。

1 材料與裝置

材料選用的是河南鄭州26號新麥。麥粒屬于三軸不等顆粒[21]，麥粒長軸、中軸、短軸測量圖如圖1所示。根據表1中小麥的統計分析結果，在模擬時可按正態分布生成，如圖2所示。

設計了一種旋流輸送散糧試驗系統，如圖3所示。工作原理為空氣壓縮機壓縮空氣之后經過冷干機進入倉泵，糧食顆粒與空氣在倉泵中進行充分的流化之后進入旋流試驗管道，隨后進入旋風分離器，最終糧食進入料倉。

圖1 小麥三軸尺寸測量

表1 小麥三軸統計分析結果

Tab.1 Three axis statistical analysis results of wheat

圖2 麥粒軸長分布

1.空氣壓縮機；2.儲氣罐；3.空氣冷干機；4.倉泵； 5.起旋裝置；6.試驗管道；7.旋風分離器；8.料倉。

在輸送管道最大磨損彎管處設計了側向起旋裝置（即圖3中的6與7連接處的彎管位置），管道直徑為0.1 m，側切補氣管直徑為0.1 m，內置六葉螺旋葉片，氣流沿螺旋葉片進氣產生螺旋流進入主管道，使得糧食顆粒在途經彎管時螺旋前進減少摩擦。側向補氣起旋裝置中心軸夾角與主管道中心軸夾角分別為45°、55°、65°，如圖4所示。側向補氣管起旋裝置氣流速度分別為20、30、40 m/s，主管道多相流入射速度固定為20 m/s。

圖4 不同夾角起旋裝置

2 數學建模

2.1 CFD-DEM建模

采用歐拉-拉格朗日耦合方法對系統建模來模仿糧食的氣力輸送過程，將固體顆粒散糧建為離散相，將氣相建為連續相，并計算顆粒與壁面、顆粒與顆粒的碰撞。通過相間的質量和動量來實現耦合。本文研究固相通過每個顆粒的速度、位置、線性關系來實現，氣相通過定義流場中速度、壓力、軌跡來描述。用氣相計算單元中的局部平均變量表示的動量守恒和質量守恒方程的求解為[22]：

式中：為氣體密度，kg/m3；為氣體速度，m/s；為氣體應力張量，N/m2；為氣體的體積分數；為重力加速度，m/s2；為氣體壓力，N/m2；D、L和M分別為阻力、升力和馬格努斯力，N。

糧食顆粒的平移運動和旋轉運動分別用以下方程來描述：

式中：p為顆粒質量，kg；p為顆粒速度，m/s；p為重力，N；p為顆粒慣性矩，m4；p為顆粒角速度，rad/s；p為顆粒表面旋轉轉矩，N·m；c為接觸力，N。

由ERGUN S和WEN C Y等模型給出的顆粒上的阻力D的計算方法為：

式中：p為一個粒子的體積，m3；為氣-固態阻力系數，其計算方法為：

式中：p為粒子的等效直徑，m；e為雷諾數；D為阻力系數；為氣體的動態黏度，kg/ms。

薩夫曼力L由式（9）[23]計算。

式中：d/d為平均流量的剪切速率；L為薩費曼升力系數。薩弗曼升力系數為：

其中：

馬格努斯力由方程（12）計算[24]。

其中：

接觸力C采用軟球模型[25]建模，這是一個公認的模型，已被許多研究詳細描述。

2.2 邊界條件

在CFD-DEM耦合求解中，采用Eulerian-Lagrarian雙邊耦合方法進行計算，同時還采用了Ergun和Wen & Yu曳力模型、馬格努斯升力模型、薩夫曼升力模型和流體引起的扭矩模型（The Fluid-Induced Turque Model）。在DEM中設置計算時間步長為1E?5 s，CFD計算時間步長設置為1E?3 s。設置顆粒工廠類型為Unlimited Number，產生速率為0.634 kg/s。采用直徑為4 mm、密度為1 350 kg/m3、泊松比為0.29、剪切模量為0.5 GPa的球形顆粒進行離散相建模。

3 結果與討論

3.1 最優夾角選取

壓降作為系統穩定性的重要評價指標，當設計或改進現有的裝備時，該指標需要重點考慮。根據研究可知，氣力輸送風速一般為20～40 m/s，在同一風速下，將側起旋裝置與主管道的夾角分別設置為45°、55°、65°。分析對比側起旋裝置與主管銜接處，彎管即將進入直管處的壓降，對比發現同等條件下，壓降均出現先增后降的趨勢，側起旋裝置與主管道的夾角為55°時壓降最大，說明瞬時能耗高，能量轉化率更高，輸送效果更好。同一風速下不同角度壓力云圖如圖5所示，靜壓降擬合曲線如圖6所示。

圖6 靜壓降擬合曲線

3.2 最佳風速選取

根據研究可知，多相流的跡線圖是反映一個混合流優劣的重要指標，因此通過設置不同參數形成一個矩陣以選取最佳風速參數。在夾角為45°的前提下，分別設置風速為20、30、40 m/s。在夾角為55°和65°的前提下，同樣設置風速分別為20、30、40 m/s。經過對比跡線圖發現，在3種不同角度下風速為30 m/s螺旋跡線圖均為最優，螺距適中，疏密程度均勻。圖7為不同參數的螺旋跡線圖。

通過上述仿真對比發現，夾角為55°、風速為30 m/s為側補氣起旋裝置的最優參數。

3.3 顆粒分布

利用上述仿真最優結果對側向補氣起旋裝置進行參數設置并進行仿真，與普通彎管進行對比，結果發現普通彎管中顆粒緊貼管壁滑動，具有較大的摩擦，發現側向補氣起旋裝置在參數設置為最優時，顆粒均勻螺旋前進，明顯減少與管壁的磨損，效果突出。不同裝置效果對比如圖8所示。

通過上述仿真，分析輸送系統的壓力云圖與靜壓降，得出夾角為55°時最優。通過分析螺旋跡線圖，得出風速為30 m/s時最優，后經二次仿真驗證，驗證效果明顯。

圖8 不同裝置效果對比

4 試驗驗證

搭建試驗臺驗證CFD-DEM的準確性，采用3D打印技術打印了夾角為55°的側向補氣起旋裝置，如圖9所示。

試驗平臺搭建如圖10所示，空壓型號為BK22-8ZG，儲氣罐選用安諾能源科技公司21540300批次產品，空氣干燥機選用浙江開山凈化設備公司SAD-3SF產品，倉泵選用山東延續壓力容器有限公司XY202108100產品。工作原理為壓縮機壓縮空氣進入儲氣罐，儲氣罐內空氣經干燥機進入倉泵為糧食輸出提供動力。

圖9 3D打印側向補氣起旋裝置

圖10 試驗平臺搭建

分別對普通彎管與側向補氣起旋裝置彎管進行測試，并用高速攝像機抓拍，結果如圖11所示。

圖11 不同彎管顆粒分布

從圖11中可以清晰地看出側補氣起旋裝置在夾角為55°，風速為30 m/s的條件下，與普通彎管對比發現糧食顆粒分布明顯優于普通彎管，顆粒在側向補氣起旋彎管中螺旋分散前進，能明顯減少與管壁的磨損。試驗結果與仿真結果一致。

5 結語

本文通過對側向補氣起旋裝置進行CFD-DEM仿真，并進行試驗驗證，得出以下結論。當采用氣力輸送糧食時，針對彎管處磨損問題，提出了一種在彎管處增加側向補氣起旋裝置。采用CFD-DE進行仿真，通過壓力、跡線圖、顆粒分布等指標，發現側向補氣起旋裝置中心軸夾角與主管道中心軸夾角為55°、風速為30 m/s時，顆粒在彎管處螺旋前進，能有效地解決彎管處磨損問題。最終通過了試驗驗證，與仿真結果一致。

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Field Flow Characteristics of Grain Particle Swirl Conveying Bend Based on Gas-solid Coupling

SHANG Kun, LI Yongxiang*, SONG Haihao, XU Xuemeng, JIA Changxue

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

The work aims to reduce the bend wear in the transportation of grain particles. Swirling conveying was introduced and a lateral air supplement rotation device was designed. The angle between the central axis of the lateral rotation device and the central axis of the main pipeline was 45°, 55°, and 65°, respectively. The multiphase flow velocity of the main pipeline was fixed at 20 m/s, and the airflow velocity of the lateral rotation device was 20, 30 and 40 m/s. CFD-DEM was used to simulate the transportation of grain particles in a bend, and indicators such as pressure drop, particle distribution, and spiral traces were compared. When the angle between the side rotation device and the main pipeline was 55°, and the airflow speed of the lateral rotation device was 30 m/s, the particles showed spiral forward, significantly reducing the wear on the pipe wall, and the transportation effect is the best. After experimental verification, it was consistent with the simulation results. The device designed in this paper can obviously reduce the wear on the bend during grain conveying, and has good transportation effect.

grain particle; bend wear; rotation device; CFD-DEM

TB48；TH22

A

1001-3563(2024)05-0180-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.05.022

2023-11-02

國家“十四五”重點研發計劃（2022YFD2100201）