稀相氣力輸送彎管磨損的數(shù)值模擬及設(shè)計(jì)改進(jìn)

董盛+++李維佳

摘 要：從設(shè)備使用中遇到的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，分析研究了稀相氣力輸送系統(tǒng)中彎頭磨損機(jī)理。通過(guò)Fluent數(shù)值模擬的方法，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合算法進(jìn)一步探討了彎頭形狀參數(shù)對(duì)磨損的影響。初步揭示了短半徑彎頭的內(nèi)部流動(dòng)特性及抗磨損機(jī)理。并通過(guò)對(duì)多組模型的數(shù)值模擬，提出了從耐磨角度考慮，短半徑彎管在其他條件不變的前提下彎管R/D值有最佳值。在了解并通過(guò)上述數(shù)值模擬驗(yàn)證了磨損機(jī)理的基礎(chǔ)上，給出了幾種實(shí)用的抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：氣力輸送；磨損；數(shù)值模擬；氣固兩相流；短半徑彎頭

氣力輸送是利用通過(guò)加速空氣的流動(dòng)來(lái)帶動(dòng)顆?；蚍垠w狀物料在密封的管道中進(jìn)行連續(xù)輸送的技術(shù)。氣力輸送裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便廣泛應(yīng)用于電力、化工、食品生產(chǎn)、機(jī)械制造等多個(gè)行業(yè)。氣力輸送是典型的氣固兩相流，針對(duì)物料在運(yùn)輸過(guò)程中其流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜性，文章從氣固兩相流理論出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析闡述了造成彎道磨損的主要原因，針對(duì)彎管的磨損進(jìn)行了探討。

由于管道布置需要，氣力輸送管路主要由彎管，直管，變徑管組成。其中通常又以彎管對(duì)氣固流的壓力降、管壁磨蝕、物料破碎的影響最大，磨損部位一旦破損，破損處的泄料不僅會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的氣密性，影響裝置的正常工作，而且會(huì)污染環(huán)境。

彎管在管路設(shè)計(jì)、運(yùn)行操作中都備受關(guān)注。因此，必須了解彎管內(nèi)的氣固流動(dòng)規(guī)律及其磨損原因，合理進(jìn)行參數(shù)的選擇、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使裝置的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

1 實(shí)際案例介紹

圖1 輸粉彎管長(zhǎng)期使用后磨穿照片

如圖1所示為某公司生產(chǎn)的粉末傳輸設(shè)備，其粉末傳輸系統(tǒng)中彎管R/D值約為4，氣固兩相流速約10m/s，粉末顆粒直徑為10-20μm。彎管在長(zhǎng)時(shí)間使用后轉(zhuǎn)角外延處磨損嚴(yán)重，有個(gè)別彎管甚至已經(jīng)磨穿。造成粉末外溢，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且造成了生產(chǎn)工廠環(huán)境污染。因此，有必要針對(duì)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因做理論分析，同時(shí)給出更可行的方法指導(dǎo)管路設(shè)計(jì)。

2 彎管磨損機(jī)理分析

由于固體顆粒物的存在，氣力輸送中管壁磨損不可避免。彎管內(nèi)磨損是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，對(duì)其磨損機(jī)理的假設(shè)如下：

（1）彎管處的沖擊磨損。管道中高速運(yùn)動(dòng)著的物體，在突然發(fā)生變向的彎管中，由于慣性的作用會(huì)使其繼續(xù)朝著原來(lái)的運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，部分顆粒會(huì)與管壁發(fā)生碰撞，這是管壁破損的主要原因之一。碰撞過(guò)程中會(huì)造成傳輸顆粒的動(dòng)能損失，并可能造成傳輸顆粒的破裂以及管壁的磨損。

（2）除沖擊磨損以外，彎管內(nèi)還存在摩擦磨損。物料顆粒在經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，此過(guò)程中一部分速度較低或經(jīng)碰撞減速后的物料會(huì)沿著彎管內(nèi)壁與彎道內(nèi)壁發(fā)生滾動(dòng)摩擦。由于離心力作用，物料顆粒對(duì)管壁的正壓力增大，產(chǎn)生的摩擦力也隨之增加。

（3）沖蝕磨損。由于顆粒沖擊彎管表面而使得管壁材質(zhì)產(chǎn)生的局部變形，表面材質(zhì)甚至被切割剝離而形成的磨損。

（4）由于顆粒受到Magnus升力產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的顆粒與管壁接觸時(shí)也會(huì)對(duì)管壁造成額外的磨損。

另外，這些磨損并非獨(dú)立存在的，它們?cè)趶澒苤袝?huì)相互影響，相互作用，并對(duì)彎管產(chǎn)生綜合性的效果。

通常來(lái)說(shuō)，在這些作用中沖擊磨損所造成的影響最大，其次是摩擦磨損。因此文章主要針對(duì)彎道處的沖擊磨損及摩擦磨損進(jìn)行研究。

影響彎管磨損和壓力降的主要因素有氣固兩相流流速、固相體積分?jǐn)?shù) 、管道幾何形狀，尺寸及材質(zhì)和粉體特性等。然而對(duì)于工程師的管道設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，其他因素通常都以及成為設(shè)計(jì)輸入條件，最方便控制和改變的可能就是管道幾何形狀及尺寸及材質(zhì)這個(gè)因素。在管道幾何形狀及尺寸中，彎管曲率半徑與管道直徑之比（R/D）對(duì)磨損的影響很大。早期的管路設(shè)計(jì)時(shí)，人們通常認(rèn)為顆粒在彎管中會(huì)沿外側(cè)內(nèi)壁流動(dòng)，因此認(rèn)為曲率半徑越大的彎管收到的壓力越小，相應(yīng)的磨損和壓力損失也越小。因此，氣力輸送系統(tǒng)最初使用的都是長(zhǎng)半徑彎管其R/D值通常達(dá)到8～24。而后來(lái)，通過(guò)Mason彎管試驗(yàn)以及實(shí)際的工程實(shí)踐驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，物料流經(jīng)彎管時(shí)，會(huì)在內(nèi)壁外側(cè)和內(nèi)側(cè)彈跳。每個(gè)磨損點(diǎn)都說(shuō)明物料與管壁之間存在強(qiáng)烈的沖擊。事實(shí)上，長(zhǎng)半徑彎管曲率半徑越大，撞擊反而會(huì)越嚴(yán)重，沖擊碰撞點(diǎn)也越多，磨損非但沒(méi)有減輕反而更加嚴(yán)重。為了能使物料盡可能少的在彎管內(nèi)碰撞并降低物料對(duì)管壁的磨損，短半徑彎管（R/D值為2～3）應(yīng)運(yùn)而生。實(shí)際使用中，這種彎頭會(huì)在彎頭轉(zhuǎn)彎處形成一個(gè)物料堆積的密集區(qū)域，可以起到保護(hù)管壁外側(cè)內(nèi)壁的作用。那么短半徑彎管內(nèi)是如何形成堆積的密集區(qū)域的？它的氣固兩相流的流動(dòng)特性是如何的？對(duì)于抗磨損而言，R/D值的取值如何選取，是可在區(qū)間任意選取還是存在最佳值？這些問(wèn)題的答案對(duì)我們優(yōu)化設(shè)計(jì)是很有幫助的，有必要對(duì)其深入研究。

圖2 沖擊磨損示意圖

3 彎管數(shù)值模擬

為了能夠研究彎管（特別是短半徑彎管）內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，并驗(yàn)證磨損機(jī)理，考慮通過(guò)數(shù)值模擬分析，計(jì)算彎管內(nèi)壁的受力情況以及彎管內(nèi)氣固兩相流的速度變化情況，從而勾勒出彎管磨損的情況。

運(yùn)用了Fluent軟件，選取R/D=2，3，4，5共4種不同R/D值彎管作為研究對(duì)象，采用Euler-Euler兩相流模型和k-ε湍流模式及SIMPLE壓力速度藕合計(jì)算方法，對(duì)彎管內(nèi)的稀相氣力輸送過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，目的是揭示彎管道分流處氣固兩相的壓力分布、速度、湍流情況等流場(chǎng)信息，為彎管的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

為了盡可能與案例接近，彎管幾何模型設(shè)置如下：

建立R/ D=2，3，4，5的水平轉(zhuǎn)垂直的90°彎管模型各一個(gè)， 管內(nèi)徑統(tǒng)一為30mm，水平和垂直端各增加20mm長(zhǎng)直管部分。

氣固兩相流參數(shù)及邊界條件設(shè)定如下：

入口條件：

Velocity inlet 速度入口；氣相介質(zhì)：空氣；密度ρg.：1.225 kg /m3；入口氣速Vg：10m/s；粘度：1.7894×10-5kg/m-s；固相介質(zhì)：碳粉；物料粒徑dp：10μm；密度ρs：2000kg/m3；入口物料速度Vs：8.8m/s；粘度：1.72×10-5kg/m-s；入口物料體積分?jǐn)?shù)：10%。endprint

出口條件： outflow充分發(fā)展出口。

環(huán)境條件：

環(huán)境溫度：288.16K；大氣壓力：101325Pa；重力加速度： 9.81m/s2

相間阻力設(shè)定為schiller-naumann，湍流強(qiáng)度為10%。

4 模擬結(jié)果與討論

通過(guò)在Fluent中反復(fù)計(jì)算迭代保證算法收斂，得出了以下結(jié)果。

4.1 速度對(duì)比

R/D=2，3，4，5時(shí)，氣固混合物速度矢量分布圖分別如下：

圖3 各R/D值對(duì)應(yīng)氣固兩相流速度矢量分布圖

R/D=2，3，4，5時(shí)，氣固兩相流出口端面速度分布云圖如下：

圖4 各R/D值對(duì)應(yīng)氣固兩相流出口速度分布云圖

參考圖3并結(jié)合圖4可以得出以下結(jié)論：

（1）隨R/D值不同，彎管內(nèi)速度矢量分布的總體趨勢(shì)相近，即都是內(nèi)圓弧處矢量速度較大，外圓弧處矢量速度較小。

（2）內(nèi)側(cè)近壁區(qū)速度有超過(guò)進(jìn)口速度的局部升速現(xiàn)象。外側(cè)近壁區(qū)速度有降低現(xiàn)象。其中R/D=3彎管速度最低。出現(xiàn)外側(cè)近壁區(qū)顆粒速度低是氣固兩相流轉(zhuǎn)向擁堵造成的。這里便是短半徑彎管存在物料堆積密集區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)顆粒會(huì)有所減緩，甚至停留，起到保護(hù)管壁不受后續(xù)顆粒撞擊的作用。有利于減少磨損。R/D=2也有物料堆積區(qū)，但其區(qū)域面積明顯小于R/D=3彎管。另外，在靠近出口處的外側(cè)近壁區(qū)有類(lèi)似R/D=4，5彎管的速度上升現(xiàn)象。

（3）由圖4出口端面的速度分布可以看出，R/D值為3的出口速度分布云圖最均勻，管中央速度較高，可以清晰的看到位于外側(cè)近壁區(qū)的低速區(qū)域。而R/D=4，5或較小R/D=2的出口速度分布都相對(duì)更不均勻，外側(cè)近壁區(qū)速度相對(duì)其他區(qū)域的速度要高的多。在近壁區(qū)域的氣固兩相流速度升高，顯然是會(huì)加劇管壁磨損的。

4.2 壓力比較

由圖5結(jié)合圖6可以得出：

（1）氣固兩相流在彎管中最高壓強(qiáng)壓強(qiáng)集中在外圓弧最外沿接近理論撞擊區(qū)域。這與假設(shè)的磨損機(jī)理是相符的。固體顆粒在彎管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方向急劇改變， 此時(shí)顆粒群在彎管中轉(zhuǎn)彎發(fā)生擁堵， 減速、再加速、轉(zhuǎn)向， 造成能量損失很大。這造成了外壁壓強(qiáng)的增大，也是外壁磨損的主要原因之一。

（2）還可以分析出，隨著R / D的增加，受壓區(qū)域的最高壓強(qiáng)逐漸減小。但彎管受壓力總面積隨之逐步增大?？梢院苋菀卓闯觯邏簭?qiáng)區(qū)面積最小而集中，且最大壓強(qiáng)相對(duì)較小的是R/D=3彎管。因此，如果我們從控制磨損的角度考慮，可認(rèn)為其他條件相同的情況下，R/D=3彎管磨損更容易控制一些。另外，若要在磨損區(qū)域增加耐磨管壁材料或者可拆卸零件，受壓區(qū)域控制在較小范圍內(nèi)也是有利于設(shè)計(jì)優(yōu)化和改造的。

（3）特別的，R/D=4高壓強(qiáng)區(qū)域與案例中磨損實(shí)際發(fā)生的區(qū)域基本一致。這一定程度上也證明了數(shù)值模擬以及磨損機(jī)理假設(shè)的準(zhǔn)確性。

為了能減少磨損，可以考慮將原設(shè)計(jì)的長(zhǎng)半徑彎管優(yōu)化為R/D=3的短半徑彎管。

5 其他抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)

上述彎管尺寸優(yōu)化可以在不改變結(jié)果的前提下減小彎管磨損，但如果希望進(jìn)一步提升彎管的壽命，還可以在上述研究的基礎(chǔ)上，采用以下幾種常用的抗磨損彎頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖7 常用抗磨彎頭結(jié)構(gòu)

（a）易磨損區(qū)域加厚彎頭。在最易磨損區(qū)域加厚或者改用其他耐磨材料?？梢栽黾訌澒軌勖?/p>

（b）可拆卸型彎管。即使加厚彎管磨損點(diǎn)處的材料厚度，還是會(huì)不可避免地被磨損，為了不至于更換整個(gè)彎管，可以在磨損點(diǎn)處加裝一個(gè)蓋狀的可拆卸零件?？啥ㄆ诟鼡Q此零件。

（c）球形彎頭以及（d）T型彎頭。可以使物料在到達(dá)彎道部位時(shí)自動(dòng)形成一層保護(hù)膜，將常規(guī)氣力輸送彎管中物料對(duì)彎道內(nèi)壁的沖擊磨損轉(zhuǎn)化為物料自身之間的滾動(dòng)摩擦，以達(dá)到降低管道磨損的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）從磨損機(jī)理和數(shù)值模擬分析可得出，案例中R/D=4的長(zhǎng)半徑彎管由于其結(jié)構(gòu)原因，轉(zhuǎn)彎處磨損更為嚴(yán)重。實(shí)際工況下彎管磨穿的位置與數(shù)值模擬的情況是基本一致的。為了能改善其磨損情況，可以考慮縮小R/D值到3，使其成為短半徑彎管并使磨損量和磨損區(qū)域相對(duì)較小。

（2）由于彎管內(nèi)流動(dòng)特性與包括彎管的內(nèi)表面摩擦系數(shù)、輸送速度、所輸送的物料特性，甚至環(huán)境參數(shù)等因素相關(guān)，因此R/D值并非在范圍內(nèi)隨意選取，否則可能會(huì)加劇磨損。

（3）在其他條件不變的前提下，即便在短半徑彎管要求的區(qū)間內(nèi)選取值，也需要注意彎管R/D值有一個(gè)相對(duì)最佳值。超過(guò)或小于此值，磨損情況都會(huì)相對(duì)增加。

（4）可以通過(guò)對(duì)彎管內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬及對(duì)結(jié)果的分析，指導(dǎo)設(shè)計(jì)選擇較為合理的R/D值等彎管尺寸，從而達(dá)到優(yōu)化彎管磨損量及磨損區(qū)域的目的。

（5）在充分了解磨損機(jī)理的前提下，還可以使用包括對(duì)磨損區(qū)域加強(qiáng)，局部更換磨損區(qū)域，以及使物料在流動(dòng)過(guò)程中堆積在磨損區(qū)域等方法進(jìn)一步減少?gòu)澒苣p的影響，增加它的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介：董盛，學(xué)校：東華大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，在讀工程碩士。工作單位：諾信（中國(guó)）有限公司；工作職位：資深應(yīng)用工程師；從事粉末噴涂設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。endprint