氣固兩相流飼料輸送管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

付鵬，劉洛航，楊衛(wèi)平，劉仁鑫，張凱

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南昌 330045；2.江西增鑫科技股份有限公司，江西 新余 338000）

目前，規(guī)?；i養(yǎng)殖中，豬場(chǎng)供料主要有氣力輸送、干料線(xiàn)和液態(tài)料線(xiàn)等輸料方式。相比其他輸料方式，氣力輸送具有輸送距離遠(yuǎn)、輸送效率高、生物安全等級(jí)高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和設(shè)備維修率低等優(yōu)點(diǎn)[1]，逐漸成為生豬養(yǎng)殖行業(yè)主流的輸料方式。但氣力輸送存在彎管沖蝕磨損和顆粒破碎現(xiàn)象，高速運(yùn)動(dòng)的飼料經(jīng)過(guò)管道彎管時(shí)，不斷沖擊彎管外側(cè)壁面，使得彎管產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕磨損[2-3]。彎管長(zhǎng)時(shí)間的沖蝕磨損可能誘發(fā)管道損壞或者食品安全事故[4]，因此減小彎管沖蝕磨損的研究具有重要意義。

針對(duì)輸送管道沖蝕磨損問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究。Fan 等[5]提出在彎管內(nèi)外側(cè)壁面加設(shè)不同形狀的肋條，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了彎管壁面沖蝕磨損情況。模擬結(jié)果表明，肋條能有效減小彎管沖蝕磨損。Duarte 等[6]采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法，研究了普通和增設(shè)渦流腔的彎管沖蝕磨損現(xiàn)象，結(jié)果表明，增設(shè)渦流腔的彎管沖蝕磨損比普通彎管小，故實(shí)際工程應(yīng)用中可使用增設(shè)渦流腔的彎管替代普通彎管。Adedeji 等[7]采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格方法，研究了光滑和粗糙彎管壁面沖蝕磨損情況，結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)網(wǎng)格方法能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)彎管沖蝕磨損，且壁面粗糙度對(duì)沖蝕磨損的形狀和大小有顯著影響。王宇等[8]采用CFD 方法研究Z 型和Π型兩種類(lèi)型彎管的壁面沖蝕磨損情況，結(jié)果表明，Z型彎管采用兩彎管的間距與管內(nèi)徑之比為2 時(shí)，壁面沖蝕磨損最??；而Π 型彎管采用兩彎管的間距為0時(shí)，壁面沖蝕磨損最小。季楚凌等[9]運(yùn)用CFD 方法，研究了光滑、橫槽、縱槽和凹坑等4 種形狀內(nèi)壁彎管的沖蝕磨損情況。結(jié)果表明，光滑內(nèi)壁彎管沖蝕磨損最嚴(yán)重，橫槽形、縱槽形和凹坑形內(nèi)壁彎管均可降低彎管沖蝕磨損，且不同形狀內(nèi)壁彎管的耐磨性由強(qiáng)到弱依次為橫槽形、縱槽形、凹坑形和光滑形。郭仁寧等[10]采用離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）研究了在彎管外側(cè)壁面均勻加設(shè)肋條的彎管沖蝕磨損情況，結(jié)果表明，彎管平均沖蝕磨損速率模擬值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，加設(shè)肋條的彎管能夠降低彎管沖蝕磨損，且當(dāng)肋條高度為2 mm 時(shí)，彎管沖蝕磨損速率最小。

以上研究通過(guò)改變彎管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使彎管的沖蝕磨損都得到了不同程度的減小。本研究鑒于氣固兩相輸送時(shí)，彎管存在嚴(yán)重的沖蝕磨損問(wèn)題，提出一種在彎管外側(cè)加設(shè)輔助氣流的新型結(jié)構(gòu)，并借助Fluent軟件研究了普通和新型彎管的流場(chǎng)分布情況。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了空氣進(jìn)口速度、顆粒質(zhì)量流量及粒徑等因素對(duì)彎管沖蝕磨損的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

豬場(chǎng)氣固兩相供料的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖和實(shí)物照片如圖1 所示。輸送飼料過(guò)程中，首先將存放在料塔的飼料通過(guò)內(nèi)置在螺旋提升機(jī)的絞龍運(yùn)輸至緩沖斗，安裝在緩沖斗上的稱(chēng)重傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量輸送飼料的質(zhì)量。當(dāng)飼料質(zhì)量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，螺旋提升機(jī)停止工作，同時(shí)打開(kāi)緩沖斗底部的閥門(mén)，飼料在重力作用下落入料斗。氣源設(shè)備將空氣送入輸送管道，同時(shí)旋轉(zhuǎn)供料器，將料斗的飼料送入輸送管道，通過(guò)調(diào)節(jié)供料器轉(zhuǎn)速，改變顆粒質(zhì)量流量。采用風(fēng)速儀（GM8901，中國(guó)深圳市聚茂源科技有限公司）和壓力表（FKY190，中國(guó)武漢豐控自動(dòng)化技術(shù)有限公司）分別測(cè)量空氣進(jìn)口速度和管道截面空氣壓力。三通管和氣動(dòng)閥將輸送路徑分為兩條：一條經(jīng)氣動(dòng)閥直接連接分離器，輸送長(zhǎng)度為210 m；另一條經(jīng)氣動(dòng)閥再輸送100 m后，連接分離器，輸送長(zhǎng)度為310 m。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)氣動(dòng)閥的開(kāi)閉來(lái)選擇輸送路徑。然后，飼料被氣流輸送至分離器，分離器將飼料從氣固兩相中分離，飼料落回料塔，空氣則排放至大氣中。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，先關(guān)閉旋轉(zhuǎn)供料器，再關(guān)閉氣源設(shè)備。其中，通過(guò)透明管觀(guān)察飼料在輸送管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，控制柜與計(jì)算機(jī)共同監(jiān)控裝置的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)裝置的管道內(nèi)徑為83 mm，實(shí)驗(yàn)采用平均粒徑為6 mm 的飼料，密度為630 kg/m3，輸送長(zhǎng)度為310 m。

圖1 飼料輸送實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for pneumatic conveying of feed: a) mechanism; b) real products

2 計(jì)算模型

2.1 氣相控制方程

鑒于管道中的空氣為輸送飼料顆粒的載體，將空氣看作連續(xù)相，故可采用Navier-Stokes 方程求解氣相流動(dòng)。鑒于溫度對(duì)氣固兩相流動(dòng)及輸送管道的影響較小[11]，因此不考慮溫度的影響。氣相流動(dòng)符合空氣質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒，則相應(yīng)輸送管道中的空氣質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程分別為[12-13]：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；va為空氣速度，m/s；pa為空氣壓強(qiáng)，Pa；g為重力加速度，m/s2；τa為空氣應(yīng)力張量，Pa；fa為空氣的平均阻力，N。

2.2 離散相控制方程

鑒于管道中的空氣攜帶飼料顆粒運(yùn)動(dòng)，將顆粒群看作離散相，故可采用DPM 求解顆粒流動(dòng)?；贚agrange 坐標(biāo)系，通過(guò)顆粒作用力微分方程求解離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡，以模擬湍流中顆粒運(yùn)動(dòng)[14]。那么離散相顆粒作用力微分方程表達(dá)式為[15-16]：

式中：vp為顆粒速度，m/s；Fd(va–vp)為單位質(zhì)量顆粒受到的曳力，m/s2；ρp為顆粒密度，kg/m3；μ為空氣動(dòng)力黏度，Pa·s；Cd為曳力系數(shù)；Rep為顆粒相對(duì)雷諾數(shù)；dp為顆粒粒徑，m；Fother為單位質(zhì)量顆粒受到的其他作用力，m/s2；a1、a2、a3為常數(shù)。

考慮實(shí)際工作狀況，可采用CFD-DPM 雙向耦合方法模擬氣固兩相的輸送過(guò)程。在上述氣相和離散相控制方程基礎(chǔ)上，顆粒穿過(guò)流場(chǎng)中某一確定的空間區(qū)域時(shí)，通過(guò)計(jì)算顆粒的動(dòng)量變化，求解氣相傳遞給離散相的動(dòng)量值，以此實(shí)現(xiàn)雙向耦合計(jì)算[17]。

2.3 沖蝕磨損模型

在氣固兩相輸送過(guò)程中，常用沖蝕磨損速率衡量彎管的沖蝕磨損，沖蝕磨損速率為高速運(yùn)動(dòng)的顆粒在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)單位面積彎管造成的磨損質(zhì)量[18-19]。本研究采用SHAH 等[20]提出的壁面沖蝕磨損模型：

式中：Rerosion為壁面沖蝕磨損速率，kg/(m2·s)；Np為顆粒碰撞壁面的數(shù)量，個(gè)；mp為顆粒質(zhì)量流量，kg/s；C(dp)為顆粒粒徑函數(shù)；θ為顆粒與壁面的沖擊角，rad；v為顆粒相對(duì)壁面的速度，m/s；f(v)為顆粒相對(duì)壁面的速度函數(shù)；Aface為壁面計(jì)算單元的面積，m2；f(θ)為顆粒與壁面的沖擊角函數(shù)，其可表達(dá)為[21]（5）式。

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型

針對(duì)彎管存在嚴(yán)重的沖蝕磨損問(wèn)題，提出在普通彎管外側(cè)加設(shè)輔助氣流的新型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。普通彎管由上游進(jìn)口段L1、彎管段和下游出口段L2組成，輸送管道內(nèi)徑D=83 mm，彎徑比R/D=1.5。為保證管道內(nèi)氣固兩相流動(dòng)充分發(fā)展，模擬時(shí)對(duì)彎管段兩端進(jìn)行延伸，取L1=L2=5D。新型彎管是在普通彎管基礎(chǔ)上，在彎管段外側(cè)加設(shè)輔助氣流，其速度設(shè)為彎管上游進(jìn)口的空氣速度。輔助氣流管L3=2D，橫截面呈月牙形狀，月牙L4=25 mm，L5=60 mm。

圖2 兩種彎管結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of two kinds of elbows pipe structures: a) ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

3.2 網(wǎng)格劃分

將建立的兩種彎管模型分別導(dǎo)入Ansys 軟件，利用Mesh 對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。普通彎管形狀規(guī)整，采用六面體網(wǎng)格，而新型彎管形狀不規(guī)整，采用四面體網(wǎng)格。為提高模擬精度，彎管近壁面設(shè)置5 層邊界層，并對(duì)彎管段的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理，結(jié)果如圖3 所示。網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示，單元網(wǎng)格質(zhì)量大部分在0.8 以上，表明網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿(mǎn)足計(jì)算要求[22]。

圖3 兩種彎管的網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh models of two kinds of elbows: a) ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

3.3 湍流模型及邊界條件

數(shù)值模擬時(shí)，為使方程組封閉及模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，需選用合適的湍流模型。Standardκ-ε模型是目前使用最廣泛的湍流模型，但將其用于有彎曲壁面的流動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)失真[23]。RNGκ-ε模型是Standardκ-ε模型的改進(jìn)模型，其可以更好地處理管道彎曲程度較大的流動(dòng)[24]。故本研究選用RNGκ-ε湍流模型。

邊界條件設(shè)定則考慮實(shí)際工作狀況及求解方便，本研究將彎管進(jìn)口和出口的邊界類(lèi)型分別設(shè)置為速度和壓力。顆粒進(jìn)入速度與輔助氣流速度均等于空氣進(jìn)口速度，并假設(shè)顆粒為粒徑相同的球形。彎管進(jìn)口和出口均假設(shè)為逃逸條件，壁面假設(shè)為反彈條件[25]。由于流場(chǎng)中氣相速度較高，離散相濃度較低，氣相與離散相之間存在高密度比，因而顆粒受到的其他作用力忽略不計(jì)[26]。壓力速度耦合采用SIMPLE 算法，湍流強(qiáng)度和湍流耗散率皆采用二階迎風(fēng)格式。通過(guò)質(zhì)量、動(dòng)量和湍流殘差曲線(xiàn)等殘差值判斷收斂，當(dāng)所有殘差值均小于10–4時(shí)，表明求解計(jì)算完畢。實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的基本輸送條件均為實(shí)際工作條件，具體條件見(jiàn)表1。

表1 基本輸送條件Tab.1 Basic transport conditions

3.4 模型有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型的可靠性，在上述基本輸送條件下，對(duì)顆粒質(zhì)量流量為1.67～2.47 kg/s 的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，得出普通彎管單位管長(zhǎng)壓降（壓降梯度）的實(shí)驗(yàn)值與模擬值，如圖4 所示。

圖4 普通彎管壓降梯度實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison between experimental and simulated data of pressure drop gradient of ordinary elbow

由圖4 可知，模擬所得不同質(zhì)量流量時(shí)普通彎管壓降梯度與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢(shì)基本吻合，且壓降梯度隨著顆粒質(zhì)量流量的增加而增大。這是因?yàn)轭w粒質(zhì)量流量增加，輸送管道內(nèi)顆粒濃度增大，輸送飼料時(shí)損耗的能量增多，從而導(dǎo)致壓降梯度增大。由圖4 還可知，壓降梯度模擬值均低于實(shí)驗(yàn)值，究其原因是，模擬時(shí)將不規(guī)則的顆粒簡(jiǎn)化為粒徑相同的球形，減小了顆粒形狀的不規(guī)則性等因素對(duì)氣固兩相流動(dòng)性能的影響，減少了能量損耗，故模擬值比實(shí)驗(yàn)值小。實(shí)驗(yàn)與模擬壓降梯度的相對(duì)誤差為11.8%～14.0%，即模擬值與實(shí)驗(yàn)值的誤差在15%以?xún)?nèi)，在可接受范圍[27]，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性。據(jù)此以該方法在上述基本輸送條件下，開(kāi)展兩種彎管的流場(chǎng)分布及沖蝕磨損的研究。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 流場(chǎng)分布

在上述湍流模型、邊界條件以及基本輸送條件下，通過(guò)CFD-DPM 雙向耦合方法研究?jī)煞N彎管的流場(chǎng)分布情況，重點(diǎn)分析空氣壓力和速度場(chǎng)、顆粒運(yùn)動(dòng)及沖蝕磨損狀況。

4.1.1 空氣壓力和速度場(chǎng)

兩種彎管軸向截面的空氣壓力如圖5 所示。彎管外側(cè)壁面空氣壓力大，內(nèi)側(cè)壁面壓力小，且出現(xiàn)負(fù)壓。在彎管處，兩種彎管的彎管空氣壓力由外側(cè)向內(nèi)側(cè)逐漸減小。新型彎管由于引入輔助氣流，故彎管外側(cè)的空氣壓力較高，從而減緩了飼料沖擊彎管壁面的強(qiáng)度。

圖5 兩種彎管軸向截面的空氣壓力云圖Fig.5 Air pressure distribution in axial sections of two kinds of elbows: a) ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

為更好地分析顆粒在兩種彎管中的運(yùn)動(dòng)狀況，又對(duì)兩種彎管的空氣速度場(chǎng)進(jìn)行研究，圖6 為兩種彎管軸向截面的空氣速度云圖。由圖6 可知，彎管處的空氣速度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，且分布規(guī)律與壓力相反，即彎管外側(cè)速度低、壓力大，內(nèi)側(cè)速度高、壓力小。新型彎管下游出口段的空氣速度比普通彎管大，這是因?yàn)樾滦蛷澒芤胼o助氣流提高了彎管下游出口段的空氣速度，由此發(fā)現(xiàn)速度高，則壓力小。

圖6 兩種彎管軸向截面的空氣速度云圖Fig.6 Air velocity distributions in axial sections of two kinds of elbows: a) ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

4.1.2 顆粒運(yùn)動(dòng)狀況

為更好地分析兩種彎管沖蝕磨損，對(duì)彎管中顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，兩種彎管的顆粒運(yùn)動(dòng)狀況如圖7 所示。由圖7 可知，普通彎管的顆粒集中撞擊在彎管外側(cè)壁面，而新型彎管有部分顆粒沒(méi)有撞擊彎管外側(cè)壁面，而是隨氣流一起進(jìn)入下游出口段。普通彎管的顆粒在經(jīng)過(guò)彎管段后，速度出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象，能量損失增大，導(dǎo)致彎管的沖蝕磨損加大；而新型彎管的顆粒速度變化不明顯，能量損失較小，沖蝕磨損減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是輔助氣流改變了顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，造成沖蝕磨損現(xiàn)象降低。此外，增加了輔助氣流還可提高新型彎管下游出口段的空氣速度，從而提高了顆粒速度，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的輸送效率。

圖7 兩種彎管的顆粒運(yùn)動(dòng)狀況Fig.7 Particle motion condition of two kinds of elbows: a)ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

4.1.3 沖蝕磨損狀況

兩種彎管沖蝕磨損速率分布如圖8 所示。彎管外側(cè)均存在沖蝕磨損，但新型彎管的沖蝕磨損分布較為均勻。這是由于顆粒保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)撞擊彎管外側(cè)壁面，造成彎管?chē)?yán)重的沖蝕磨損，但新型彎管引入輔助氣流后，在彎管外側(cè)形成空氣墊，減少了顆粒撞擊彎管壁面的數(shù)量，也降低了顆粒撞擊壁面的強(qiáng)度。普通彎管的平均沖蝕磨損速率為5.82×10–8kg/(m2·s)，新型彎管的平均沖蝕磨損速率為5.34×10–8kg/(m2·s)，降低了8.2%。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需重點(diǎn)觀(guān)察彎管沖蝕磨損情況，及時(shí)更換彎管，避免發(fā)生安全事故。

圖8 兩種彎管沖蝕磨損速率云圖Fig.8 Erosion wear rate of two kinds of elbows: a) ordinary of pipe bending; b) new type of pipe bending

4.2 主要因素對(duì)沖蝕磨損的影響

在上述流場(chǎng)分布情況及空氣進(jìn)口速度29 m/s、顆粒質(zhì)量流量1.67 kg/s、顆粒粒徑6 mm 的基礎(chǔ)上，考慮生產(chǎn)實(shí)際及工作條件，進(jìn)一步研究空氣進(jìn)口速度、顆粒質(zhì)量流量和顆粒粒徑等主要因素對(duì)彎管沖蝕磨損的影響規(guī)律。

4.2.1 空氣進(jìn)口速度

選取空氣進(jìn)口速度為29～43 m/s，得出兩種彎管的平均沖蝕磨損速率，模擬結(jié)果如圖9 所示。隨著空氣進(jìn)口速度的增加，彎管平均沖蝕磨損速率先減小、后增大，但影響不大。原因是空氣進(jìn)口速度增加，顆粒之間的碰撞造成能量損耗增加，顆粒自身能量降低，顆粒撞擊壁面的強(qiáng)度減小，平均沖蝕磨損速率有所下降。當(dāng)空氣進(jìn)口速度繼續(xù)增加，顆粒動(dòng)能增大，顆粒撞擊壁面的強(qiáng)度增大，平均沖蝕磨損速率增加。新型彎管的平均沖蝕磨損速率較普通彎管降低了7.1%～8.5%，表明新型彎管能有效減小沖蝕磨損。當(dāng)空氣進(jìn)口速度為35 m/s 時(shí)，兩種彎管的平均沖蝕磨損速率均最小。

圖9 空氣進(jìn)口速度對(duì)平均沖蝕磨損速率的影響Fig.9 Effect of air inlet velocity on average erosion wear rate

4.2.2 顆粒質(zhì)量流量

選取顆粒質(zhì)量流量為1.67～2.47 kg/s，得出兩種彎管的平均沖蝕磨損速率，模擬結(jié)果如圖10 所示。隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，彎管平均沖蝕磨損速率增大。原因是顆粒質(zhì)量流量增加，輸送管道內(nèi)顆粒濃度增大，顆粒與壁面撞擊的數(shù)量增多，平均沖蝕磨損速率增大。由圖10 可知，彎管平均沖蝕磨損速率隨顆粒質(zhì)量流量的增加基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，其斜率分別為3.45 和3.14，新型彎管平均沖蝕磨損速率的增長(zhǎng)速率略小于普通彎管。原因是新型彎管引入輔助氣流，輔助氣流在彎管外側(cè)形成空氣墊，緩解了顆粒撞擊壁面的強(qiáng)度，顆粒質(zhì)量流量的變化對(duì)平均沖蝕磨損速率的影響比普通彎管小。另外，部分顆粒受輔助氣流影響，隨氣流一起向下游出口段流動(dòng)，進(jìn)一步減小了顆粒質(zhì)量流量的變化對(duì)平均沖蝕磨損速率的影響。新型彎管的平均沖蝕磨損速率較普通彎管降低了8.2%～9.7%，當(dāng)顆粒質(zhì)量流量增加至2.47 kg/s 時(shí)，兩種彎管的平均沖蝕磨損速率均最大，且顆粒質(zhì)量流量越大，彎管沖蝕磨損越嚴(yán)重。

圖10 顆粒質(zhì)量流量對(duì)平均沖蝕磨損速率的影響Fig.10 Effect of particle mass flow rate on average erosion wear rate

4.2.3 顆粒粒徑

選取顆粒粒徑為0.5～8 mm，得出兩種彎管的平均沖蝕磨損速率，模擬結(jié)果如圖11 所示。當(dāng)顆粒粒徑小于3 mm 時(shí)，隨著顆粒粒徑的增加，彎管平均沖蝕磨損速率急劇增大；當(dāng)顆粒粒徑大于3 mm 時(shí)，彎管的沖蝕磨損受顆粒粒徑的影響較小，平均沖蝕磨損速率變化平緩。原因是顆粒粒徑增加，顆粒質(zhì)量增大，慣性力增大，顆粒與壁面相互作用的強(qiáng)度增大，彎管平均沖蝕磨損速率增大。當(dāng)顆粒粒徑繼續(xù)增加，管道內(nèi)空隙率增大，單位面積顆粒與彎管壁面碰撞的數(shù)量減少，平均沖蝕磨損速率呈現(xiàn)平緩變化。新型彎管的平均沖蝕磨損速率較普通彎管降低了8.2%～17%。當(dāng)顆粒粒徑為0.5 mm 時(shí)，兩種彎管的平均沖蝕磨損速率均最小，且顆粒粒徑越小，平均沖蝕磨損速率越小。

圖11 顆粒粒徑對(duì)平均沖蝕磨損速率的影響Fig.11 Effect of particle size on average erosion wear rate

5 結(jié)論

本研究采用CFD-DPM 方法研究了普通和新型彎管的沖蝕磨損情況，得出以下結(jié)論：

1）隨著空氣進(jìn)口速度的增加，彎管平均沖蝕磨損速率先減小、后增大，但新型彎管平均沖蝕磨損速率降低了7.1%～8.5%，且當(dāng)空氣進(jìn)口速度為35 m/s時(shí)，彎管平均沖蝕磨損速率最小。

2）隨著顆粒質(zhì)量流量的增加，彎管平均沖蝕磨損速率基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，但新型彎管平均沖蝕磨損速率降低了8.2%～9.7%，且當(dāng)顆粒質(zhì)量流量為2.47 kg/s時(shí)，兩種彎管的平均沖蝕磨損速率均最大。

3）隨著顆粒粒徑的增加，彎管平均沖蝕磨損速率先急劇增大、后平緩變化，但新型彎管平均沖蝕磨損速率降低了8.2%～17%，且當(dāng)顆粒粒徑為0.5 mm時(shí)，兩種彎管的平均沖蝕磨損速率均最小。

4）彎管外側(cè)均存在沖蝕磨損，但新型結(jié)構(gòu)能有效減小彎管的沖蝕磨損。其中顆粒質(zhì)量流量對(duì)彎管沖蝕磨損影響最大，且顆粒質(zhì)量流量越大，平均沖蝕磨損速率越大；顆粒粒徑對(duì)降低彎管沖蝕磨損的效果最好，且顆粒粒徑越小，效果越佳。