基于氣力輸送技術(shù)大體積類球體物料運動特性研究1)

譚永明 袁世鵬 邢家樂 周敬勇 樓上游,

?(機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044)

?(青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室，山東青島 266237)

??(合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230012)

氣力輸送技術(shù)在食品、能源、礦山和建筑行業(yè)應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于面粉、砂粒以及大豆等小顆粒粉狀物料的輸送[1-2]。經(jīng)過多年經(jīng)驗積累，小顆粒及粉狀物料的運動特性參數(shù)已經(jīng)非常成熟，特性參數(shù)可以通過設(shè)計手冊查取，并應(yīng)用于工程實踐。由于大體積物料氣力輸送存在效率低和技術(shù)應(yīng)用面窄等問題，致使此類技術(shù)基礎(chǔ)性研究匱乏[3]，缺少成熟理論及參考數(shù)據(jù)。但氣力輸送系統(tǒng)可實現(xiàn)密閉長距離輸送和自動化程度高等優(yōu)勢，所以對大體積物料氣力輸送技術(shù)的應(yīng)用需求長期存在。

在國外，作為商業(yè)保密技術(shù)，很早就開始研究大體積物料氣力輸送技術(shù)。1853 年，英國倫敦建立第一條城市管道郵政系統(tǒng)，將氣力輸送技術(shù)應(yīng)用于郵件輸送。1961 年，瑞典ENVAC 公司在瑞典首都斯德哥爾摩建立了世界上第一套成形的密閉垃圾氣力輸送系統(tǒng)，用于對醫(yī)療廢物和生活垃圾的氣力輸送[4]。在國內(nèi)，對大體積物料氣力輸送技術(shù)研究起步晚，基礎(chǔ)薄弱。一些高校及研究機構(gòu)開始對大體積物料的介質(zhì)輸送技術(shù)進(jìn)行了探索性研究[5-6]，如機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司在生活垃圾智能化氣力輸送技術(shù)方面的研究，青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室在吸魚泵方面的研究[7]，吉林大學(xué)在地質(zhì)氣鉆采樣工程設(shè)備方面的研究[8]，都是基于大體積類球體物料輸送技術(shù)的基礎(chǔ)性研究，技術(shù)側(cè)重于輸送通道結(jié)構(gòu)的研究，及流場對輸送物料運動的影響。本課題研究關(guān)鍵技術(shù)在于大體積物料物理屬性界定，運動特性參數(shù)獲取和不同物理屬性物料運動規(guī)律的計算分析，這些需要借助理論計算和長期大量基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)積累來完成。本文通過對輸送物料物理屬性定義、試驗數(shù)據(jù)測取、理論計算和仿真模擬，研究了大體積類球體物料運動特性，對實際工程設(shè)計所需關(guān)鍵參數(shù)的獲取和設(shè)計參數(shù)庫的建立，具有一定參考價值。

1 大體積類球體物料氣力輸送技術(shù)研究

1.1 物料物理屬性的界定

大體積物料在氣力輸送條件下，其運動特性不僅與氣流和管道等環(huán)境因素有關(guān)，與自身的體積、 密度及形狀等物理屬性也有一定的關(guān)系[9]。大體積物料氣力輸送研究對象為堆積密度在400～1200 kg/m3范圍內(nèi)的紙類、竹木、塑料、有機物料、紡織物、礦物和金屬等物料，材料參考密度分別為：有機物料(1100 kg/m3)、無機礦物(1800～2700 kg/m3)、木竹 (600 kg/m3)、金屬 (2700～7800 kg/m3)、紙類(950 kg/m3)、塑料(1200 kg/m3)和織物(800 kg/m3)。

物料形狀系數(shù)是影響物料運動的關(guān)鍵物理參數(shù)之一，氣力輸送物料的形狀系數(shù)為不規(guī)則形狀顆粒的阻力系數(shù)與當(dāng)量球體阻力系數(shù)之比，即式(1)，所以，類球體物料運動特性研究也是建立在球體物料運動基礎(chǔ)上的研究。

式中，C′D為不規(guī)則形狀顆粒的阻力系數(shù)，CD為當(dāng)量球體阻力系數(shù)。

1.2 類球體物料運動特性研究路徑

大體積物料氣力輸送技術(shù)理論的計算比較復(fù)雜，計算除了考慮物料自身屬性因素，還要考慮物料輸送中流場的變化以及物料與管道之間的作用關(guān)系。類球體物料運動特性研究是通過理論計算、仿真分析和試驗驗證[10-11]結(jié)合的方法來完成，實現(xiàn)路徑如圖1 所示。

圖1 類球體物料運動特性研究路徑Fig.1 Research path of globoids material movement characteristics

1.3 類球體物料運動特性理論計算

大體積類球體物料氣力輸送與集裝筒氣力輸送理論與應(yīng)用方式相近，物料在水平管道中輸送，主要受到繞流氣動推力、摩擦阻力、浮力、壓力梯度力和慣性力作用，質(zhì)量附加力、Basset 力、Magnus 力和Saffman 力[12]對湍流狀態(tài)下的大體積球體物料輸送影響不大，可以視為忽略項。

繞流氣動推力為

受力運動方程為

式中，A為(迎風(fēng)) 受力截面面積，ρ為管內(nèi)空氣平均密度，v為空氣平均流動速度，vs為物料運動速度，f為滾動摩擦系數(shù)，G為物料重量，l為管道長度，p為氣體壓降，t為物料運動時間，Vs為物料體積。

1.4 物料運動特性試驗

試驗系統(tǒng)選用已投入使用的管內(nèi)徑為0.488 m垃圾氣力輸送工程，在選取試驗管段的前后端、文丘里管處、風(fēng)機前后端安裝E+HPMC731 型智能壓力傳感器和速度傳感器，其量程為[0～-2.5]至[0～50](kPa)，精度為±0.1%，多規(guī)格儀表。傳感器借助作用在陶瓷膜片上壓力造成測量膜片偏移程度，通過襯底電極和膜片電極檢測出與壓力成比例的電容，換算并顯示壓力測量數(shù)值。部分觀察口放置815 幀率，500萬像素，OSG030-815UM 型工業(yè)相機加HF-5MPB08型鏡頭，對輸送物料拍照記錄[13]，并通過SIMATIC WinCCV7 軟件對試驗中的測取數(shù)據(jù)連續(xù)自動采集，提供最多6 個高速計數(shù)器，獨立于CPU 的掃描周期進(jìn)行計數(shù)，可測量的單相脈沖頻率最高為100 kHz，雙相或A/B 相最高為30 kHz，數(shù)據(jù)提取采用標(biāo)準(zhǔn)偏差、L2 模進(jìn)行誤差評估，獲取評估誤差在0.21%以內(nèi)。根據(jù)試驗物料的研究范圍，將試驗物料分為密度為400 kg/m3，600 kg/m3，800 kg/m3，1000 kg/m3和1200 kg/m3五種，體積為2.5 L，5 L 和7 L 三種，完成15 類試驗物料90 個工況的試驗測試，數(shù)據(jù)提取、進(jìn)料及試驗物料如圖2 所示。通過沿程阻力系數(shù)經(jīng)驗取值計算表[14]，能夠獲得試驗管道沿程阻力系數(shù)經(jīng)驗值，但實際工程中存在管道銹蝕、密封不足、管內(nèi)壁粗糙度偏高和制作精度偏差大等客觀問題，所用到的沿程阻力系數(shù)一般都會高于此經(jīng)驗值，實際工程多采用試驗獲取值。

完成空載試驗并對測取值計算得到參數(shù)數(shù)據(jù)。氣體流速為5.82～7.59 m3/s 時的沿程阻力系數(shù)為0.017 1～0.024 8，如圖3 所示。通過負(fù)載試驗獲取2.5 L 物料綜合阻力系數(shù)均值為0.034 9，數(shù)值區(qū)間為[0.030 5, 0.039 6]；5 L 物料綜合阻力系數(shù)均值為0.077，數(shù)值區(qū)間為[0.070 2, 0.093 1]；7 L 物料綜合阻力系數(shù)均值為0.070 7，數(shù)值區(qū)間為[0.061 1, 0.079 7]。求得試驗物料形狀系數(shù)均值為1.175 8，數(shù)值區(qū)間為[1, 1.95]，說明試驗物料近似球形，形狀系數(shù)波動不大。

圖3 沿程阻力系數(shù)試驗獲取值Fig.3 Obtain friction factor by the test

1.5 物料運動特性模擬仿真

大體積類球體物料氣力輸送仿真，物料輸送受到氣體流場和管道等多項環(huán)境因素影響[15]，是一個動態(tài)運動形式[16]，采用重疊網(wǎng)格，通過UDF 接口獲取輸送物料和氣體流場特征信息，并通過加載受力程序的迭代計算，將修正數(shù)值返回求解器，實現(xiàn)物料加載力及運動速度的調(diào)整，模擬物料氣力輸送過程中的運動規(guī)律。非穩(wěn)態(tài)仿真模擬分析，計算出其不同時間段的運行情況。

1.5.1 管道空載仿真計算

氣力輸送工程管道和彎頭等輔助連接管件多為標(biāo)準(zhǔn)部件，相同部件沿程阻力系數(shù)和彎頭特征參數(shù)可視為固定常數(shù)，空載試驗及仿真計算通過對檢測管件分類，測取和計算獲取其環(huán)境特征參數(shù)。直管道和彎頭的流速及壓力如圖4 所示。

圖4 管道仿真計算圖Fig.4 Pipeline simulation calculation diagram

試驗直管道為43.5 m 管段，檢測數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)和仿真對比數(shù)據(jù)分別如表1、表2 和表3 所示。通過試驗管道空載試驗和仿真數(shù)據(jù)對比，顯示試驗檢測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的增減趨勢基本一致，而且數(shù)值均勻波動不大，說明檢測數(shù)據(jù)真實準(zhǔn)確。仿真數(shù)據(jù)出入口壓力差值略小于檢測數(shù)據(jù)差值，流速正好相反，仿真數(shù)據(jù)普遍略大于檢測數(shù)據(jù)，顯示實際管道阻力系數(shù)略大于仿真計算取值，可以通過修正曲線對測量數(shù)值做微調(diào)校正。彎頭壓力對比數(shù)據(jù)和風(fēng)速對比數(shù)據(jù)分別如表4 所示。仿真分析數(shù)據(jù)對比圖顯示測量與仿真計算得到的氣體壓力值和速度值趨勢保持一致，因為彎頭管段較短，壓力差值小，所以仿真計算值和測量值非常接近，仿真值略大于測量值。與之相反，氣體流速仿真值小于測量值，顯示測量值阻力系數(shù)大于理論值。

表1 試驗管道測取數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of test pipe section

表2 計算后獲取數(shù)據(jù)Table 2 Calculated data

表3 試驗管道仿真數(shù)據(jù)對比校正Table 3 Comparison and correction of simulation data of test pipe section

表4 彎頭仿真數(shù)據(jù)對比校正Table 4 Comparison and correction of elbow simulation data

1.5.2 管道負(fù)載仿真計算

氣力輸送物料運動仿真借助Fluent 動網(wǎng)格氣體流場分析模塊，以及氣固耦合中氣體流場對輸送固體作用進(jìn)行運動分析，使用外驅(qū)動程序編制輸送物料受力環(huán)境，并通過UDF 接口獲取并調(diào)整物料加載力，從而模擬物料氣力輸送過程中的運動特性。為了解決計算量大和試驗工況多等問題，采用超級計算機并行運算模式完成物料運動的模擬計算，仿真建模如圖5 所示。

圖5 物料輸送運動仿真建模Fig.5 Simulation and modeling of materials in conveying movement

2 數(shù)據(jù)對比分析

通過對試驗管段不同密度不同體積物料的運動輸送情況進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)匯總和對比分析，獲取氣力輸送下大體積類球體物料的輸送運動規(guī)律[17]。分析數(shù)據(jù)情況如下。

2.1 同體積不同密度物料運動數(shù)據(jù)對比

使用體積為2.5 L，5 種不同密度物料試驗和仿真分析，壓力和物料初始速度相近的五組計算數(shù)據(jù)進(jìn)行同體積不同密度物料運動分析，擬合后物料運動曲線如圖6 所示。

圖6 2.5 L 多種不同密度物料運動曲線Fig.6 Movement curve of 2.5 L materials with different densities

2.2 同密度不同體積物料運動數(shù)據(jù)對比

使用體積為 2.5 L，5 L 和 7 L， 密度為1200 kg/m3的物料，壓力和物料初始速度相近的幾組計算數(shù)據(jù)進(jìn)行同密度不同體積物料運動分析，擬合后物料運動曲線如圖7 所示。

圖7 多種體積密度1200 kg/m3 物料運動曲線Fig.7 Movement curve of 1200 kg/m3 materials with various volumes and densities

2.3 大差距體積密度物料運動數(shù)據(jù)對比

使用體積為2.5 L 密度為400 kg/m3與體積為7 L 密度為1200 kg/m3的物料，選取壓力和物料初始速度相近的兩組計算數(shù)據(jù)進(jìn)行運動對比分析，研究小體積小密度和大體積大密度物料輸送運動情況，擬合后物料運動曲線如圖8 所示。

圖8 大差距體積密度物料運動對比曲線Fig.8 Large gap bulk density material movement comparison curve

3 結(jié)論

本文通過理論計算、仿真分析和測試試驗相結(jié)合的方法，對大體積類球體物料運動特性進(jìn)行研究，獲取了不同體積、不同密度以及不同輸送條件下物料的運動特性參數(shù)和運動規(guī)律，對工程應(yīng)用和參數(shù)獲取具有一定參考價值，主要結(jié)論如下：

(1) 通過研究獲取試驗管道環(huán)境參數(shù)。氣體流速為 5.82～7.59 m3/s 時，管道沿程阻力系數(shù)為0.017 1～0.024 8；2.5 L，5 L 和7 L 試驗物料綜合阻力系數(shù)分別為0.0349，0.077 和0.070 7；試驗物料形狀系數(shù)均值為1.175 8，數(shù)值區(qū)間為[1, 1.95]。

(2)通過大體積物料氣力輸送計算數(shù)據(jù)的對比分析，得出：①大體積物料運動特性與物料的形狀、密度和體積有密切關(guān)系，且具有規(guī)律性。②同體積不同密度物料隨著密度增加，物料加速度明顯變?。徊煌w積同密度物料，體積越小，物料加速度越大，并且隨氣壓降低和輸送物料速度的提高，加速度有所變??；小體積輕質(zhì)物料較大體積重物料更容易輸送。小體積輕質(zhì)物料加速度大，隨著物料速度增大，加速度明顯變小。大體積重型物料加速度小，且加速度變化小。

(3)仿真計算和試驗測試數(shù)據(jù)貼合度較高，采用理論計算、仿真分析和測試試驗相結(jié)合的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)大體積物料氣力輸送技術(shù)的精確計算。