01 項(xiàng)目背景

氣力輸送主要可以分為密相輸送和稀相輸送：密相輸送通過(guò)機(jī)械力或氣力將物料推動(dòng)或抽吸到輸送管道當(dāng)中，通過(guò)管道的壓差和物料自身的重力來(lái)進(jìn)行輸送，適用于長(zhǎng)距離大流量的輸送；稀相輸送通過(guò)氣體的壓縮和加速作用將物料懸浮在氣流中，然后通過(guò)管道的氣流動(dòng)力學(xué)特性來(lái)完成輸送，適用于輸送易揮發(fā)、易結(jié)塊、易變質(zhì)的物料。

該氣力輸送項(xiàng)目粉體入料粒度分布在200-600微米，固氣比為20，屬于密相輸送，成栓流狀態(tài)。仿真需要關(guān)注其粉體輸送過(guò)程的壓降、物料流動(dòng)狀態(tài)、物料在管道內(nèi)的速度變化以及管道的磨損情況，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化。

1.1 簡(jiǎn)化模型

1.2 工況參數(shù)

02 仿真方案

2.1 EDEM-CFD耦合仿真

本氣力輸送案例屬于湍流氣固兩相流。在這種湍流氣固兩相流流動(dòng)過(guò)程中，氣相的湍流結(jié)構(gòu)由于顆粒的存在而發(fā)生較大的改變。

氣固兩相的各種能量傳遞受到氣相與固相的影響，在建立湍流流動(dòng)模型時(shí)，需要考慮顆粒與流體之間的作用，流體自身湍流效應(yīng)，以及顆粒之間的相互作用。

針對(duì)該案例特點(diǎn)，選擇EDEM-CFD耦合仿真能夠較準(zhǔn)確地模擬粉體物料氣力輸送的過(guò)程。

2.2 EDEM相對(duì)磨損模型

EDEM中的相對(duì)磨損(Relative Wear)模型能夠確定設(shè)備高沖擊(法向)和高磨蝕(切向)區(qū)域。

該模型根據(jù)物料與設(shè)備之間的相對(duì)速度和相關(guān)力進(jìn)行計(jì)算，提供數(shù)據(jù)以表明正在發(fā)生磨損的區(qū)域。其主要運(yùn)用了四個(gè)相對(duì)磨損性能來(lái)評(píng)估磨損。分別是法向累積接觸能、切向累積接觸能、法向累積力和切向累積力。其中，法向累積接觸能和切向累積接觸能分別測(cè)量因材料碰撞和滑動(dòng)而產(chǎn)生的累積能量。

根據(jù)物料和管道的相互作用產(chǎn)生的碰撞能量分布，可以反映管道易磨損及物料易破碎區(qū)域。

2.3 粉體建模

主要遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)是：粉體顆粒粒徑分布在200到600微米，其顆粒粒度較小。在EDEM中，穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)與顆粒粒徑呈指數(shù)級(jí)關(guān)系，因此，對(duì)粉體精確建模就意味著龐大的計(jì)算量，尤其這個(gè)案例的輸送管線還十分長(zhǎng)。

在EDEM中，針對(duì)粉體建模采用“介觀”等效放大顆粒，并提供了Calibration Kits和EDEMCal物料標(biāo)定工具，使在減少計(jì)算量的同時(shí)，能夠保證其計(jì)算的精確度。

在該案例中，使用粗顆粒模型4倍放大顆粒，在設(shè)置流場(chǎng)與顆粒相相互作用的曳力時(shí)通過(guò)顆粒放大因子校準(zhǔn)粗顆粒模型曳力與真實(shí)顆粒曳力相同。

2.4 氣相參數(shù)設(shè)置

與EDEM的雙向耦合，既考慮流體和顆粒之間的作用，又考慮顆粒對(duì)流體的作用。

將氣力輸送的三維模型導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行前處理，模型的邊界條件設(shè)置氣體體積速度入口邊界，壓力出口邊界。

03 仿真結(jié)果與分析

仿真視頻展示

3.1 流場(chǎng)壓力

物料顆粒在輸送管線中從靜止到起動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定的輸送速度，需要消耗相應(yīng)的氣流能量，因此造成壓力損失。

氣力輸送進(jìn)行過(guò)程中，管線內(nèi)物料顆粒逐漸增加，當(dāng)顆粒在流體中懸浮或運(yùn)動(dòng)時(shí)，顆粒表面與流體之間的摩擦阻力增加，壓力損失增大。壓降由初始時(shí)刻5.4 kPa，逐漸增加至75.4 kPa。

3.2 物料速度

由下圖可知，物料在管線內(nèi)輸送垂直管速度>垂直彎管速度>水平管速度>水平彎管速度，相同類型管道，距離輸送端位置越遠(yuǎn)物料平均速度越快。

3.3 磨損分析

氣力輸送過(guò)程中顆粒最易破碎和管道最易磨損的區(qū)域都在彎頭處。

這主要是因?yàn)轭w粒在離心力的作用下經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)顆粒像一根繩子集中于管道一側(cè)，未經(jīng)緩沖減速集中沖擊彎頭外側(cè)壁面，且出口顆粒偏向一側(cè)，氣動(dòng)效率低，這種現(xiàn)象稱為“繩索效應(yīng)”。

分析物料基本均勻分布在管線情形下，彎管位置壁面與物料的相互作用力。

除彎管2和彎管8，法向力和切向力在其他彎管處范圍比較一致，法向力在0.005 ~ 0.01 N范圍波動(dòng)，切向力在0.002 ~ 0.004 N范圍波動(dòng)。

彎管2和彎管8兩處垂直彎管的壁面-物料作用力大于其他位置，表明物料在該位置發(fā)生破碎的可能性更高，細(xì)粉率增加。

整個(gè)管線水平管、垂直管和彎管的累積接觸能分布如下圖所示。累積能表示物料和管線碰撞能量的累加值。

在垂直管至水平管的彎管2處碰撞能量＞其他彎管碰撞能量＞水平管碰撞能量＞垂直管碰撞能量。

彎管8物料到達(dá)時(shí)間比較晚，所以表現(xiàn)的累積接觸能在最終時(shí)刻累計(jì)值不如作用力明顯大于其他位置。

04 總結(jié)

本報(bào)告利用EDEM離散元仿真軟件和CFD耦合，對(duì)物料在管線內(nèi)的氣力輸送過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，分析了入口和出口的壓力分布及壓降，料流變化及物料速度分布，并運(yùn)用EDEM相對(duì)磨損模型分析了管道易磨損及物料易發(fā)生破碎的區(qū)域。由此我們能夠得知：

（1）粉體氣力輸送過(guò)程的各種能量傳遞受到氣相與固相的相互影響，EDEM-CFD耦合仿真能夠綜合考慮顆粒與流體之間的作用、流體自身的湍流效應(yīng)以及顆粒之間的相互作用，較為準(zhǔn)確地還原真實(shí)粉料輸送過(guò)程。

（2）密相輸送的特征是出現(xiàn)栓流，而稀相輸送類似于流化狀態(tài)。在軟件中主要是通過(guò)固氣比及不同的給料方式進(jìn)行體現(xiàn)。

（3）EDEM中的相對(duì)磨損模型根據(jù)物料和管道相互作用產(chǎn)生的碰撞能量分布，能夠反映管道易磨損及物料易破碎區(qū)域。

（4）在EDEM中，穩(wěn)定時(shí)間步長(zhǎng)與顆粒粒徑呈指數(shù)級(jí)關(guān)系，對(duì)整個(gè)粉體氣力輸送系統(tǒng)仿真意味著龐大的計(jì)算量。因此建議從局部問(wèn)題切入進(jìn)行研究，例如垂直管、水平管、垂直彎管、水平彎管處造成的壓力損失、料流變化等，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化。

通過(guò)EDEM-CFD對(duì)氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，能夠更好地理解氣力輸送的原理和特點(diǎn)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和故障排查提供有力的參考和數(shù)據(jù)支持。