密相悬浮气力输送过程及其数值模拟研究

气力输送是指借助于空气或其它气体在管道内的流动来输送干燥的散状固体颗粒或颗粒物枓的输送方法。它是制药、食品、塑料、水泥、化工、采矿、陶瓷及金属等工业部门普遍使用的输送物料的方法。根据被输送物料物性、输送量以及输送气速的不同，气力输送可以分为稀相悬浮输送、密相悬浮输送和密相栓流输送。 减少能量损失和颗粒对设备磨损的要求，需要降低输送速度；而输送连续性和稳定性的要求，又需要有足够大的输送速度。二者的综合考虑，就是要寻求一种最佳输送速度，在该速度下输送，能量损失最低而又能保证稳定、连续的输送。稳定的密相悬浮输送(略高于最佳经济速度下的输送)顺应了这种要求，它可以克服稀相输送能耗大，对管壁磨损严重的缺点以及密相栓流输送不连续的缺点，有比较强的工业背景和应用价值。本文主要研究这种密相悬浮输送，并兼顾与之密切相关的稀相悬浮气力输送。 密相悬浮气力输送，属于湍流气固两相流范畴，气固间相互作用很强烈。由于颗粒浓度较高，颗粒之间相互作用也很激烈，因此导致气固两相流体力学特性非常复杂。有关密相悬浮气力输送的研究绝大部分是实验研究，受实验条件的限制，难以得到流动细节，从而给理论研究带来局限性：而用计算流体力学的方法可以得到气固两相流动的细节，但目前用该法来研究气力输送过程的还比较少。 本文综述了气力输送过程的实验、理论研究以及湍流气固两相流数学物理模型的现状和发展趋势，开展了气力输送过程中流体力学特性的实验和数值模拟研究工作。 在南京金陵石化公司设备研究院，进行了聚乙烯粒料气力输送的中试研究，建立计算机测控和采样系统，从压力随时间波动图分析了气力输送过程中流动形态随输送气速的变化，并与照像结果进行了比较。 从基本流体力学湍流理论以及颗粒动力力学理论出发，考虑气固两相的相互影响、颗粒与颗粒之间以及颗粒与输送管壁之间的相互作用，建立了二维和三维气固两相湍动双流体模型，并建立了相应的数值解法和计算程序。该模型含有宏观的颗粒相输运方程、颗粒相压力、粘性系数、扩散系数、导热系数、颗粒温度等流体力学特性参数，能较全面地反映两相间相互作用、颗粒湍动粘度及颗粒间碰撞作用。 将文献提供的实验数据和本文的实验数据与模型计算结果进行了比较。结果表明，本模型所预测的最佳经济速度(转捩速度)、压降、颗粒速度分布、气体速度分布以及平均颗粒浓度等参数与实验数据较吻合，说明了本模型具有良好的预测性和可靠性。 在所建立模型和算法的基础上，首先对垂直向上气力输送进行了数值研究。对引起颗粒浓度径向分布不均匀的原因进行了分析，发现导致颗粒浓度径向不均匀分布的主要原因可能是颗粒自身压力梯度以及颗粒自身湍动强度。对影响垂直气力输送过程的各参数如，输送量、输送气速、颗粒粒径、颗粒密度、管径以及镜面反射因子等进行了系统研究，得到了各种影响因素下最佳经济速度、气固滑移速度、颗粒浓度分布以及一些有益的相关规律。就本文研究的颗粒粒径范围来看，对同样物性的颗粒，存在着一个对应最佳经济速度和能耗最低的最佳粒径值。就本文研究的 北京化工大学博士学位论文 颗粒密度范围来看，对同样粒径大小的颗粒，存在一个对应于最佳经济速度和能耗最低最佳的密 度值。 在上述工作的基础上，对影响水平密相气力输送过程中颗粒悬浮的一些重要影响因素进行了 分析，重点研究了输送量、输送气速、颗粒粒径、颗粒密度、管径等对悬浮颗粒的浓度分布的影 响。结果发现悬浮颗粒的垂向浓度分布存在着两种不同的形态，即除存在以往人们普遍认为的上 面稀，下面浓的分布外，还存在从管底向上，颗粒浓度先增大，然后又降低的分布。而这两种分 布形态与上述所有因素都相关联。 对颗粒与管壁面间碰撞的镜面反射因子对输送过程的影响进行了研究，发现这一项对数值模 拟的结果有较大影响，这反过来说明，管壁面性质及颗粒的物性对输送过程影响较大，在研究中 不能忽略。 关键词:气力输送气一固两相流压降最佳经济速度双流体模型数值模拟 I!