气力输送设备管道中物料的速度特性研究陈思林1’2杨旭东1秋实2杨欢2杨丹2(1．西北工业大学机械电子学院西安；2．西北核技术研究所第二研究室西安)摘要针对气力输送中物料在水平和垂直管道中的运动特性，建立了颗粒群在管道中的运动微分方程，并将该微分方程导人Matlab进行求解。通过分析颗粒群在不同管道阻力系数和不同初始条件下的速度特性曲线，得m气力输送中管道内颗粒群在加速段的速度特性。结果表明：阻力系数的大小影响颗粒群在管道中的最终恒定运动速度；不同初始速度影响颗粒群在管道中的加速(减速)运动时间；颗粒群在加速段运动时，垂直管道中所消耗的能量大于水平管道。关键词管道运输；速度特性；阻力系数；加速时间中图分类号：U171文献标志码：ADOI：10．3963／j．ISSN1674—4861．2012．03．0160引言气力输送是利用空气的能量来进行粉粒状散装物料连续运输的输运技术，在电力、化工、钢铁、冶金等行业具有广泛的应用。气力输送的研究涉及多个学科分支，对工业生产具有重要的现实意义。气力输送中的气固两相流由于受两相物性(如流体密度、粘度、颗粒密度、粒径分布等)、操作条件(如输送量、流体速度、混合比、压差等)和过程环境等影响，其运动状态主要分为3个阶段：物料从地面启动，进入加速(减速)运动，最终以恒定的速度在管道中运动。物料在加速段的运动状态直接影响气力输送系统的工艺参数设计和输送效率，特别是在短距离输送时，加速段的运动特性尤为重要。Pan和Banerjee使用基于数值计算的DNS模型，对气力输送管道中物料在加速段的运行状态进行了分析，得出了弯管中颗粒群的运动方程。Glowinski建立了颗粒群在管道中运行的分布式拉格朗日多项式方程，分析了颗粒群在三维管道紊流中的运行状态。本文针对不同的初始状态条件，通过数值计算和流体力学分析，对物料在垂直和水平管道中加速段的运动速度特性进行了研究，旨在为气力输送系统工艺参数设计提供一种思路。 l数学模型的建立在水平和垂直输送管道中，物料所受的力包括气流对同粒的推力、重力、固粒与壁面的摩擦力等。为了计算方便，本文研究以输送管道中一小段颗粒的集合为研究对象(以下简称颗粒群)。颗粒群受力模型见图1。———————■’几 a)水平符道内颗粒群力学模型 b)眶亘ri越内籼柑君羊力学模型图l颗粒群的力学模型Fig．1Mechanical model of the particle group1．1目标函数确定由图1可以得到颗粒群的运动方程：水平管道慨挚一F。一Ff(1)垂直管道m，Tdvs—F。Ff—W(2)(1t式中：m，为颗粒群质量，计算中取单位重量；口。为物料运行速度，m／s；F，为管壁阻力，F。一收稿日期：201I一(19—21修回日期：2012-0510第一作者简介：陈思林(1979)，硕士生，工程师．研究方向：机械设计及计算流体力学研究 l●●●●t●●●●●，一H72交通信息与安全2012年3期第30卷总168期立羞笋；W为固粒重量，w—g·眠；F。为气体对颗粒群的推力，F。=gm。(譬)2K，其中：K为气力输送相关系数，K的取值是依据雷诺系数Re来确定的，其大小与物料粒径、运行速度有关，对于粒径大于1 mill的物料，相关系数K取0；u。为颗粒群悬浮速度。将上述参数代入式(1)、(2)可得到颗粒群在管道内的运动方程：土g垫dt一(等V卜墼4／4-0(3) nlg土g墼dt一(等72)2-描一·(4)。。49U式中：训。为气流速度；m／s；‰。为颗粒群悬浮速度，m／s；A。为颗粒群阻力系数；D为输送管道直径。1．2设计变量确定颗粒群中颗粒粒径分别取l、2、5和10 iTlm，颗粒密度2700 kg／m3，气流速度u。一32 m／s，输送管直径D一75 mm，则单颗粒悬浮速度u。和颗粒群悬浮速度u。、。可按下式计算： u。一5．45．／丛坠型(5)VP t，。。一矾(1一铷)p(6)式中：‰为单颗粒悬浮速度；d。为颗粒粒径；风为颗粒的密度；f0为空气的密度，1．225 kg／m3；卢为实验指数，2．3(与颗粒绕流雷诺数Re有关，见表1)；够。为物料体积分数，0．25。表l实验指数卢与颗粒绕流雷诺数Re的关系‘11Tab．1Re relationship of experiment index p and particle flow around theReynolds number2计算结果及分析2．1数值计算结果及分析数值计算采用matlab，求解算法基于Runge—Kutto(龙格一库塔)法，对应的函数为常微分函数(ordinary differential function，()DE)。利用软件中的程序编辑器来编写固粒群运动微分方程及约束函数的M文件，然后在matlab中直接调用该M文件和()DE解算器，即可求出速度和时问的变化关系，并绘制速度时间曲线，见图2、3。 d)∥=图2阻力系数对颗粒群运动速度的影响Fig．2Influence of resistance coefficient on particle group movement speed642O一。∞．昌睾，Ⅻ垤㈨¨他m000：一∞．日l，；